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Chronik des „Recknagel“, des Taschenbuches für Heizung und Klimatechnik 1897 veröffentlichte Dipl.-Ing. Hermann Recknagel erstmalig den „Kalender für Gesundheitstechniker“ mit einem Umfang von 173 Seiten. Das jährlich erscheinende Buch war in seinem Todesjahr 1919 bereits 360 Seiten stark. In den folgenden Jahren wurde der Kalender zunächst von Dipl.-Ing. Otto Ginsberg und ab 1938 von Dipl.-Ing. Kurt Gehrenbeck herausgegeben. 1944 (46. Auflage) erschien er zum letztenmal in der früheren Form als „Recknagels Kalender für Gesundheits- und Wärmetechnik“. Hier wird ebenso wie in der Vorausgabe Dipl.-Ing. Eberhard Sprenger als Mitarbeiter und für den Abschnitt Lüftung verantwortlich benannt. 1952 war es Verdienst von Dipl.-Ing. Eberhard Sprenger, daß die (irrtümlich nochmals) 46. Auflage des „Recknagel“ in neuer Form und gegenüber der letzten Ausgabe 1944 grundlegend überarbeitet unter dem Titel „Taschenbuch für Heizung und Lüftung“ nun als „Recknagel-Sprenger“ in ungefähr zweijährigen Abständen erscheinen konnte. Für die 62. Auflage (83/84) wurde Dr.-Ing. Winfried Hönmann als Mitherausgeber gewonnen, nachdem er bereits seit der 59. Auflage (77/78) Abschnitte bearbeitet hatte. Ab 1988 war er allein für die Herausgabe der 64. und 65. Auflage verantwortlich. Während der Vorbereitungsarbeiten für die 66. Auflage (92/93) übernahm Dr.-Ing. Ernst-Rudolf Schramek Anfang 1991 die Herausgebernachfolge und damit die Verantwortung für diese und die Folgeauflagen; er hatte bereits zu speziellen Fragen bei der 60. bis zur 62. Auflage (79/80, 81/82 und 83/84) mitgewirkt. Zu den Herausgebern: Dipl.-Ing. Hermann Recknagel wurde am 30. Januar 1869 in München als Sohn des in Fachkreisen bekannten Studienprofessors Georg Recknagel geboren. Nach dem Studium des Maschinenbaus an der Technischen Hochschule München begann er seine berufliche Laufbahn bei der Fa. Sulzer in Winterthur. Sein Hauptinteresse galt damals lufttechnischen Problemen (wie z.B. bei den Vorarbeiten für die Lüftung des Simplon-Tunnels) sowie Entstaubungsproblemen (z.B. in Gießereien und Putzereien). 1893 erhielt er deutsche und österreichische Patente über Vorrichtungen zur Kontrolle des Zuges in Lüftungskanälen. Etwa zwei Jahre lang war er auf Einladung von Hermann Rietschel Mitarbeiter der Firma Rietschel und Henneberg in Berlin. 1898 gründete er einen eigenen Betrieb in München, der Heizungs- und Lüftungsanlagen auch größten Ausmaßes installierte.1909 schied er aus dieser Firma aus und ließ sich in Berlin als beratender Ingenieur nieder. Nach schwerer Krankheit starb er am 17. Mai 1919 in München, erst 50 Jahre alt. Neben dem Kalender für Gesundheitstechniker wurden von ihm u.a. ca. 50 Fachaufsätze veröffentlicht. Dipl.-Ing. Otto Ginsberg, in Berlin Assistent von Prof. Hermann Rietschel, ist bekannt durch Veröffentlichungen zur Heizungstechnik. So gab er 1911 bis 1915 die Bücher „Vorträge und Aussprachen der Freien Vereinigung Berliner Heizungs-Ingenieure“ heraus und veröffentlichte weitere in den Jahren 1923 bis 1934. Sein Buch „Die Heizungsmontage“ wurde 1928 in russischer Sprache in Moskau aufgelegt. Als seine Aufenthaltsorte werden in seinen Veröffentlichungen Berlin, Heidelberg und schließlich Hannover – dort als beratender Ingenieur – genannt. Dipl.-Ing. Kurt Gehrenbeck gibt in den Ausgaben 1943 und 1944 „Recknagels Kalender für Gesundheits- und Wärmetechnik“ als eigene Anschrift das Rud.-Virchow-Krankenhaus in Berlin an. Vermutlich war er technischer Leiter des heutigen Virchow-Klinikums. Dipl.-Ing. Eberhard Sprenger wurde am 8. November 1904 in Friedersdorf, Mark Brandenburg, geboren. Er studierte an der Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg. Die Grundlage für seine umfassenden Kenntnisse auf dem Gebiet der Heizungs- und Klimatechnik erwarb er in den USA. Von dort zurückgekehrt, war er bei mehreren Lüftungsfirmen tätig. Nach dem Krieg gründete er in Berlin die Lüftungsfirma Karl Früh, deren Geschäftsführer und Hauptgesellschafter er bis zu seinem Ausscheiden 1980 war. Zahlreiche fachliche Veröffentlichungen stammen aus seiner Feder. Außerdem hat er an der Bearbeitung vieler Normen und Richtlinien auf dem lüftungstechnischen Gebiet maßgeblich mitgewirkt. Er war bis zur 63. Ausgabe (1986/87) Herausgeber des Taschen-

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buchs. Am 24. Dezember 1989 verstarb er in Berlin, nachdem er mehr als 40 Jahre dem Taschenbuch seine persönliche Note gegeben hatte. Dr.-Ing. Winfried Hönmann wurde am 1. Dezember 1931 in Berlin geboren. Er studierte an der Technischen Universität Berlin und promovierte dort am Hermann-FöttingerInstitut für Strömungstechnik auf dem Gebiet der Radialventilatoren. Seine berufliche Laufbahn begann bei der Turbon GmbH, Berlin, wo er die Entwicklung speziell im Bereich Ventilatoren und Staubtechnik und später den Bereich Lüftungs- und Entstaubungsanlagen leitete. Von 1966 bis 1989 war er bei der LTG Lufttechnische GmbH, Stuttgart, tätig, zunächst als Leiter der Forschung und Entwicklung, ab 1972 als Geschäftsführer. Bekannt als Verfasser zahlreicher Fachartikel und als Erfinder zum Teil richtungweisender Verfahren, war er viele Jahre stellvertretender Vorsitzender der Fachgemeinschaft ALT im VDMA, Vorsitzender der Forschungsvereinigung Luft- und Trocknungstechnik, Mitglied des Beirats der VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung sowie Beauftragter des BHKS in den europäischen Normungsgremien der TGA. Seit 1983 Mit- und seit 1988 (64.Auflage) allein verantwortlicher Herausgeber des Taschenbuches, verstarb er am 31.August 1990 während der Vorbereitungsarbeiten zur 66. Auflage. Prof. Dr.-Ing. Ernst-Rudolf Schramek wurde am 27. Mai 1937 in Schwerin geboren. Er studierte an der Technischen Hochschule München Elektrotechnik. Nach mehrjähriger Tätigkeit als Projektingenieur bei der AEG wurde er innerhalb der Konzern-Bauabteilung der Karstadt AG mit dem Aufbau und der Leitung der Projektabteilung für Technische Gebäudeausrüstung betraut. 1980 promovierte er nebenberuflich an der Universität Essen bei Prof. Dr.-Ing. F.Steimle und Prof. Dr.-Ing. K.Gertis im Themenbereich der Klimatechnik und Bauphysik. 1981 war er Mitbegründer und erster Geschäftsführer der GERTEC GmbH – Ingenieurgesellschaft, Essen. Anfang 1991 übernahm er die Herausgabe des Taschenbuchs. Zu Beginn 1992 nahm er den Ruf als Univ.-Prof. auf den Lehrstuhl für Technische Gebäudeausrüstung der Fakultät Bauwesen an der Universität Dortmund an, den er bis zum 31.Juli 2002 innehatte. Seit 1975 gibt es von ihm mehr als 50 Veröffentlichungen zu Themen der Technischen Gebäudeausrüstung, des rationellen Energieeinsatzes und des Umweltschutzes in Büchern, Zeitschriften und auf Kongressen; im gleichen Zeitraum war er Mitglied in mehr als zehn Ausschüssen und Expertengruppen bei VDI, DIN, Argebau, BDI (Bundesverband der deutschen Industrie) und verschiedenen Bundes- und Landesministerien.

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Zuschriften bezüglich des Textteils sowie Mitteilungen über neue oder verbesserte Erzeugnisse und Verfahren werden erbeten an: Prof. Dr.-Ing. Ernst-Rudolf Schramek Clemens-August-Straße 61, 46282 Dorsten [email protected]

Zuschriften bezüglich des Anzeigenteils werden erbeten an: Oldenbourg Industrieverlag GmbH, Rosenheimer Straße 145, 81671 München

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http:// dnb.d-nb.de abrufbar. © 2009 Oldenbourg Industrieverlag GmbH Rosenheimer Straße 145, D-81671 München Telefon: (089) 45051-0 www.oldenbourg-industrieverlag.de Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Herstellung: Karl Heinz Pantke Satztechnik: abavo GmbH, Buchloe Printed in Germany ISBN 978-3-8356-3134-2

Vorwort zur 1. Auflage.

5 DVD

Vorwort zur 1. Auflage. Der K a l e n d e r f ü r G e s u n d h e i t s t e c h n i k e r verfolgt den Zweck, in erster Linie dem F a c h m a n n e a u f R e i s e n und i m B u r e a u als kurz gefaßtes Nachschlagebuch für Formeln, Koëffizienten und Tabellenwerte zu dienen. Dementsprechend fanden besonders auch Angaben für Ü b e r s c h l a g s r e c h n u n g e n an Ort und Stelle Berücksichtigung. Der Kalender soll außerdem N i c h t f a c h l e u t e n , welche Erfahrungswerte aus dem Heizungs- und Lüftungsfache suchen und kürzere einschlägige Berechnungen selbst durchführen wollen, die nötigen Mittel an die Hand geben. In einigen Abschnitten wurde den besonderen Interessen des A r c h i t e k t e n Rechnung getragen (Grundlagen für die Ausarbeitung von Projekten, Wahl des Heizungssystems, Bautechnische Notizen, Erstellungskosten). In der Bearbeitung des Stoffes ist, soweit möglich, die streng w i s s e n s c h a f t l i c h e Behandlung, außerdem die Fassung in N ä h e r u n g s f o r m e l n und T a b e l l e n durchgeführt. Bei den einzelnen Tabellen wurde darauf Bedacht genommen, die Grundlagen, welche zur Berechnung gedient haben, anzugeben, damit darüber Klarheit herrscht, ob für einen gegebenen Fall der Anwendung auch angenähert die gleichen Vorbedingungen bestehen, bezw. die Größe eventuell notwendiger Zuschläge etc. bemessen werden kann. Numerisch durchgeführte B e i s p i e l e sollen die Anwendung der einzelnen Formeln erleichtern. Für die folgenden Jahrgänge ist eine B e i l a g e beabsichtigt, welche in j ä h r l i c h e m W e c h s e l einen Teil des gesundheitstechnischen Gebietes bildlich darstellt. – 1. Heizkessel, Regulatoren etc. – 2. Heizkörper, Verkleidungen, Heizsysteme. – 3. Ventile, Niederschlagswasserableiter, Rohrleitungen etc. – 4. Ventilationsapparate und Meßinstrumente. – 5. Badeeinrichtungen, Waschanstalten, Desinfektionsapparate etc. Die Einzelheiten dieses Sammelwerkchens, nebst einer Einladung an Fabrikanten um gefl. Unterstützung, beliebe man aus der Anlage zu entnehmen. Die Aufnahme eines V e r z e i c h n i s s e s d e r F i r m e n , w e l c h e C e n t r a l h e i z u n g e n b a u e n , soll die Verbreitung von Fragen gestatten, welche die Fachwelt interessieren und die Offerte heiztechnischer Artikel ermöglichen. Allen Herren, welche mich in der Aufstellung dieses Verzeichnisses unterstützt haben, auch an dieser Stelle besten Dank, und an die Herren Fachgenossen die Bitte um nachsichtige Beurteilung. Angeregte Verbesserungen werden gerne berücksichtigt; geeignete Beiträge finden unter Quellenangabe Verwendung.

W i n t e r t h u r , August 1896.

Hermann Recknagel.

DVD 6

Vorwort zur 74. Auflage

Vorwort zur 74. Auflage Auch heute noch, mehr als 100 Jahre nach dem Ersterscheinen des Kalenders für Gesundheits-Techniker, ist das 1896 von Hermann Recknagel verfaßte Vorwort zur Erstauflage aktuell. Es könnte auch für die vorliegende 74. Auflage des nunmehr zum Standardwerk gewordenen Recknagel, Taschenbuch für Heizung+Klimatechnik geschrieben sein. Allerdings hat der technische Fortschritt bei der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sowie Warmwasserversorgung und Kältetechnik es erforderlich gemacht, von Auflage zu Auflage ständig Anpassungen an den Stand der Technik vorzunehmen, so daß sich der Umfang des Buches gegenüber der Erstausgabe erheblich verändert hat. Um beim Recknagel 09/10 auf eine zweibändige Ausgabe des Buches verzichten zu können, wurde bei der Neuerstellung, im Gegensatz zu den früheren Ausgaben zwischen Kerninhalten und Vertiefungsinhalten unterschieden. Die Kerninhalte werden im Buch publiziert, die Vertiefungsinhalte auf einer beiliegenden CD-ROM. Auf einer zusätzlich zur Verfügung stehenden DVD sind die Inhalte des Buches und der CD-ROM im Zusammenhang dargestellt. Damit nimmt der Verlag einen vielfach geäußerten Wunsch aus der Leserschaft auf. Ein besonderes Problem bei der Aktualisierung des Recknagel stellen weiterhin die immer noch nicht vollständig abgeschlossenen deutschen, europäischen und internationalen Normanpassungen dar, da zwangsläufig in den internationalen Normen (ISO) und in den europäischen Normen (EN) nicht nur Standards bisheriger DIN-Normen oder anderer deutscher Regeln der Technik Verwendung fanden und finden. Beispielsweise werden der Wärmedurchgangskoeffizient (bisher k) mit U, der Wärmeübergangskoeffizient (bisher α) mit h, der Index für · außen (bisher a) mit e, die Temperatur (bisher mit ϑ) mit Θ und der Wärmestrom Q mit Φ bezeichnet. Weiterhin bereitet es nach wie vor Schwierigkeiten, daß verschiedene DIN-Normen und deutsche Regeln der Technik (z.B. VDI-Richtlinien) zurückgezogen wurden, obwohl noch keine entsprechenden internationalen oder europäischen Normen vorliegen. (Bekanntlich ist jedes Mitglied der EU verpflichtet, eine vorhandene nationale Norm zurückzuziehen, die dasselbe Therma wie eine europäische Norm (EN) hat. Auch bei Harmonisierungsdokumenten (HD) müssen entgegenstehende Normen zurückgezogen werden.) Da der Prozeß der deutschen, europäischen und internationalen Normanpassung offensichtlich noch nicht vollständig abgeschlossen ist und damit für ein Fachbuch wie den Recknagel z.Z. keine Planungssicherheit besteht, werden insbesondere bei Formelzeichen und Indizes in Erwartung künftiger abschließender Regelungen sehr häufig bisherige Standards weiter verwendet. Die wichtigsten Änderungen bei Formelzeichen des Wärmeschutzes, der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sind in Abschnitt 6.7.3 aufgeführt. In der vorliegenden Auflage des Fachbuchs wurden wieder Anpassungen, Streichungen und die Behandlung neuer Themen erforderlich. Neben den üblichen Aktualisierungen in nahezu allen Abschnitten wurden folgende wesentliche Änderungen und Ergänzungen vorgenommen: Grundlagen: Die Abschnitte Meteorologische Grundlagen, Basiskennlinien für thermisch aktive Raumumfassungen und Umweltschutz, Luftreinhaltung sind neu geschrieben bzw. wesentlich überarbeitet worden. Heizung: Hervorzuheben als neugeschrieben oder wesentlich überarbeitet sind die Abschnitte Solarthermische Anlagen für Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung und Kühlung, Be- und Entlüfter, Ausdehnungsgefäße und Druckhalteeinrichtungen sowie Geschlossene Warmwasserheizungen. Lüftung und Klimatisierung: Neubearbeitet oder wesentlich überarbeitet wurden die Abschnitte Ventilatoren, Brandschutz, Technische und bauliche Entscheidungen sowie Büro- und Verwaltungsgebäude. Warmwasserversorgung und Kältetechnik: Auch hier erfolgten in den verschiedenenn Abschnitten erforderliche Anpassungen an den aktuellen Stand der Technik.

Vorwort zur 74. Auflage

7 DVD

Anhang: Hier ist die Aktualisierung der Kommentierung der EnEV hervorzuheben sowie Änderungen der Formelzeichen. Englisches Fachvokabular: Im Sachverzeichnis sind, dem Wunsch vieler Leser folgend, für einen noch größeren Teil der dort aufgeführten Fachausdrücke die englischen Begriffe aufgeführt. In bewährter Weise haben sich wieder Fachkollegen bei der Durchsicht, der Überarbeitung oder der völligen Neugestaltung einzelner Abschnitte (wie bei allen vorhergehenden Ausgaben) und bei Übersetzung vieler Fachausdrücke in die englischen Begriffe engagiert. Die Übersicht „Nomina nominanda“ gibt Aufschluss über die den Recknagel beeinflussenden Persönlichkeiten der Branche. Bei der vorliegenden Ausgabe haben durch unmittelbare Beiträge mitgewirkt: Prof. Dr.-Ing. K.-J. Albers, Esslingen:

Dipl.-Ing. Th. Altmüller, Oberhausen: Autorenteam Dipl.-Ing. J. Grodt, Dipl.-Ing. C. Halper, Dipl.-Ing. A. Jeromin, Dipl.-Ing. oec. L. Lucks, Hamburg: Dr.-Ing. Udo Peter Banck, Darmstadt: Dipl.-Ing. Ch. Bremer, München: Prof. Dr.-Ing. U. Busweiler, Darmstadt: Dipl.-Ing. H.-M. Breiden, Dossenheim: Dipl.-Ing. Claus Decker, Emmerich: Dipl.-Ing. F. Dehli, Wald-Michelbach: Prof. Dr. Ursula Eicker, Stuttgart: Dr. rer. nat. J. W. Erning, Berlin: Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Fitzner, Berlin: Dipl.-Ing. U. Flohren, Köln: Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Glück, Jößnitz: Dipl.-Ing. V. Gräff, Essen: Dipl.-Ing. C. Händel, Bönningheim: Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Hauser, München: Dr.-Ing. R. T. Hellwig, Holzkirchen: Dr.-Ing. St. Herrmann, Waiblingen: Dipl.-Ing. K. Höttges, Stuttgart:

Schalltechnische Grundlagen (Abschn. 1.5) Lüftungs- und Klimatechnik, Spezielle Fragen (Abschn. 3) Ventilatoren (Abschn. 3.3.1) Geräuschminderung (Abschn. 3.3.6) Lüftungstechnische Geräte (Abschn. 3.4) Prüfpflicht an HKK-Anlagen (Abschn. 1.11.4-7) (gemeinsam mit Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. M.Schmitz) Öltank und Ölleitungen (Abschn. 2.3.2-2)

Laboratorien (Abschn. 3.6.8-2) Luftbefeuchter (Abschn. 3.3.4-1) Thermisch aktive Raumflächen (Abschn. 3.2.3) Kirchenheizung (Abschn. 2.5.6-3) Adsorptionskälteprozeß (Abschn. 5.2.4) Wärmerückgewinnung (Abschn. 3.3.8) Solarthermische Anlagen (Abschn. 2.2.2-5) Korrosions- und Steinschutz (Abschn. 1.10) Krankenhäuser (Abschn. 3.6.5) Gasheizgeräte (Abschn. 2.2.1-6) Basiskennlinien Anforderungen an Heizanlagen (Abschn. 2.1) Museen (Abschn. 3.6.4-4) Kommentar zur Energieeinsparverordnung (Abschn. 6.1.5-2) (gemeinsam mit Univ.-Prof. Dr.-Ing. A. Maas und Dipl.-Ing. K. Höttges) Hygienische Grundlagen (Abschn. 1.2 z. T. gemeinsam mit Prof. Dr. B. W. Olesen) Brenner (Abschn. 2.3.2) Kommentar zur Energieeinsparverordnung (Abschn. 6.1.5-2) (gemeinsam mit Univ.-Prof. Dr.-Ing. A. Maas und Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Hauser)

DVD 8 Dipl.-Ing. G. Hunnekuhl, Dortmund: Dr.-Ing. K. Jagnow, Wernigerode:

Dr.-Ing. A. Keune, Bargteheide: Dr.-Ing. Bruno Lüdemann, Hamburg Univ.-Prof. Dr.-Ing. A. Maas, München: Dip.-Ing. D. Makulla, Köln: Dr.-Ing. J. Masuch, Benningen: Dr.-Ing. G. Meier-Wiechert, Allendorf: Dr.-Ing. R. Miller, Stuttgart: Dr.-Ing. H. Neumann, Esslingen: Prof. Dr. B. W. Olesen, DK-Lyngby: Dr.-Ing. D. Pfannstiel, Breitenbach a.H.:

Prof. Dr. sc. techn. A. Reinhart, Lindau: Dr.-Ing. M. Renz, Stuttgart: Dr.-Ing. Manfred Riedel, Berlin: Dr.-Ing. J. Röben, Mülheim a.d.R.: Prof. Dipl.-Ing. K. Rudat, Berlin: Dr.-Ing. K. Schiefelbein, Holzminden: Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. M. Schmitz, Essen: Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. Schulz, Weimar: Dr.-Ing. F. Sodec, Bergisch Gladbach: Dr.-Ing. D. Stehmeier, Langenhagen: Dipl.-Ing. T. Tech, Essen: Dipl.-Ing. L. Thien, Steinfurt: Dipl.-Ing. Peter Thiel, Hamburg:

Vorwort zur 74. Auflage Pumpen (Abschn. 2.3.6-1) Heizflächen (Abschn. 2.3.8) Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen (Abschn. 2.4 bis 2.4.2) Auslegung der Raumheizeinrichtungen (Abschn. 2.4.4) Heizungs- und Warmwasserkosten (Abschn. 2.6) (alles gemeinsam mit Prof. Dr.-Ing. D. Wolff) Hygienische Anforderungen an RLT-Anlagen nach VDI 6022 (Abschn. 1.2.5-5) Büro- und Verwaltungsgebäude (Abschn. 3.6.3), (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Peter Thiel) Kommentar zur Energieeinsparverordnung (Abschn. 6.1.5-2) (gemeinsam mit Univ.-Prof. Dr.-Ing. G. Hauser und Dipl.-Ing. K. Höttges) Meßtechn. Grundlagen (Abschn. 1.6) Meteorologische Grundlagen (Abschn. 1.1) Wärmeerzeuger (Abchn. 2.3.1) Grundlagen Facility Management – Planung, Erstellung, Nutzung (z.T. Abschn. 1.11) Elektrische Raumheizung (Abschn. 2.2.1-7) Hygienische Grundlagen (Abschn. 1.2 z.T. gemeinsam mit Dr.-Ing. R. T. Hellwig) Regelungstechnische Grundlagen (Abschn. 1.8) MSR-Anlagen Heizung (Abschn. 2.3.7) MSR-Anlagen Klimatechnik (Abschn. 3.3.7) MSR-Anlagen Kältetechnik (Abschn. 5.4.7) Kältetechnik (Abschn. 5) Reinraumtechnik (Abschn. 3.6.8-6) Indirekte Messverfahren (Abschn. 1.6.6-1.2 Hallenschwimmbäder (Abschn. 2.2.2–4.6.2a, 2.5.6-2 und 3.6.9-1) Warmwasserversorgung (Abschn. 4) Heizsysteme mit Wärmepumpen (Abschn. 2.2.2-4) Prüfpflicht an HKK-Anlagen (Abschn. 1.11.4-7) (gemeinsam mit Dipl.-Ing. Th. Altmüller) Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung (Abschn. 1.11.3) Nutzungskosten (Abschn. 1.11.4-10) Luftverteilung (Abschn. 3.3.5) Abgasführung (Abschn. 2.2.1-6.7) Heizkraftwirtschaft (Abschn. 2.2.3-2) Regenerative Brennstoffe (Abschn. 1.3.6.-4) Technische und bauliche Entscheidungen (Abschn. 3.6.1) Gemeinsam mit Dr.-Ing. Bruno Lüdemann: Büro- und Verwaltungsgebäude (Abschn. 3.6.3)

Vorwort zur 74. Auflage U. Tomaschek, Düsseldorf: Dr.-Ing. P. Vogel, Dresden: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. W.A. Voltz, Hamburg: Dipl.-Ing. M. Werner, Aachen: Karl Willemen, Merksem (Belgien):

Dipl.-Ing. Thomas Winkler, Hamburg: Dr.-Ing. habil. St. Wirth, Karlsruhe: Prof. Dr.-Ing. D. Wolff, Wolfenbüttel:

9 DVD Kupferrohre (Abschn. 2.3.4-2) Umweltschutz, Luftreinhaltung (Abschn. 1.9) Industrielle Absaugungen (Abschn. 3.7) Brandschutz (Abschn. 3.3.9) Simulation (Abschn. 1.11.5) Be- und Entlüfter (Abschn. 2.3.5-6) Ausdehnungsgefäße und Druckhalteeinrichtungen (Abschn. 2.3.5-5) Anlagen zur physikalischen Entgasung (Abschn. 2.3.9-2) Brandschutz (Abschn. 3.3.9-11) Korrosion- und Steinschutz (Abschn. 4.3.6) Wohnungslüftung (Abschn. 3.6.2-1) Heizflächen (Abschn. 2.3.8) Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen (Abschn. 2.4 bis 2.4.2) Auslegung der Raumheizeinrichtungen (Abschn. 2.4.4) Heizungs- und Warmwasserkosten (Abschn. 2.6) (alles gemeinsam mit Dr.-Ing. K. Jagnow)

Ihnen, den zahllosen Lesern, die durch die Eingabe von Verbesserungsvorschlägen mitgewirkt haben, und den Firmen, die Bildunterlagen zur Verfügung gestellt haben, sei herzlich gedankt. Weiterer Dank gilt den Mitgliedern des Beirats Prof. Dipl.-Ing. W. Burkhardt, Gröbenzell, Dr.-Ing. H. Feurich, Berlin, Univ.-Prof. Dr.-Ing. F. Steimle, Essen, für ihre Mithilfe bei redaktionellen und fachlichen Fragen. Der Recknagel, der bei früheren Auflagen z.T. mehrmals in die acht Sprachen Französisch, Griechisch, Serbisch, Polnisch, Slowakisch, Spanisch, Türkisch und Ungarisch übersetzt wurde (zuletzt die 71. Ausgabe ins Französische, die 73. Ausgabe ins Polnische, die russische Ausgabe von der 73. Auflage wird z.Z. vorbereitet), soll weiterhin angehenden und tätigen Ingenieuren als aktuelles Hilfsmittel zur Verfügung stehen. Hierzu werden Anregungen gern entgegengenommen. Aus diesem Grund liegt dem Taschenbuch eine Postkarte bei, um es der Leserschaft zu erleichtern, den Herausgeber auf Fehler, erforderliche Verbesserungen oder Ergänzungen aufmerksam zu machen. Schon im voraus sei allen Einsendern gedankt.

Dorsten, September 2008 Ernst-Rudolf Schramek

DVD 10

Vorwort zur 74. Auflage

Nomina nominanda Wer? Was? Wann? Bei der Bearbeitung der verschiedenen Auflagen des „Recknagel“ waren im Laufe der Jahre folgende Fachkollegen den Herausgebern durch Neubearbeitung, Überarbeitung, Korrektur oder fachliche Ratschläge bei den genannten Themen behilflich (die Vielzahl der in den verschiedenen Auflagen bei den Quellenangaben genannten Fachleute kann hier nicht aufgeführt werden): Dr.-Ing. M. Adam, Remscheid, Gasheizgeräte, 68.; W. Adam, Gießen, Lüftung verschiedener Gebäude, 59. und 60.; Prof. Dr.-Ing Karl-Josef Albers, Esslingen, Schalltechnik, Lüftungstechnische Geräte, seit 68.; Lüftungs- und Klimatechnik, seit 72.; Dipl.-Ing. Thomas Altmüller, Oberhausen, Prüfpflichten, seit 72.; Sicherheitsvorrichtungen, seit 73.; Dr.-Ing. Hans-Ulrich Amberg, Köln, Kältespeicher, seit 69.; Dipl.-Ing. Udo O. Andreas, Allendorf, Heizungsregelung, 63. bis 69.; Dr.-Ing. Gesine Arends, Stuttgart, Brennstoffzellen, seit 70.; Dr.-Ing. Udo Peter Banck, Darmstadt, Wohnungslüftung, 68.–71.; Laboratorien, seit 71.; Dipl.-Ing. Ewald Baron, Köln, Architekt, Bauherr und Lüftung, 67. bis 69.; Architekt, Bauherr und Heizung, 68. und 69.; Dipl.-Ing. Dietmar Bartsch, Dinslaken, Fernheizungen, 67.–71.; Dipl.-Ing. Dietrich Beitzke, Aachen, Meßwerterfassung, 68.; Dipl.-Ing. Horst Biniek, Ebersbach, Öfen, 68.; Dipl.-Ing. Gerd Böhm, Wetzlar, Wärmererzeuger, 63.–71.; D. Bombis, CH-Vilters, Öl- und Gasbrenner, 63. und 64.; Dipl.-Ing. Hans-M. Breiden, Dossenheim, Kirchenheizung, seit 70.; Dipl.-Ing. Christian Bremer, München, Luftbefeuchter, seit 73.; Dr.-Ing. Heinz Brockmeyer, München, Schalltechnik, 59. bis 70.; Lüftungstechnische Geräte, 62. bis 70; Dipl.-Ing. D. Bublitz, Berlin, Fernheizung, Heizkraftwirtschaft, 62. bis 65.; Ing. Jürgen Burger, Essen, Klimatechnik Warenhäuser, 67. bis 69.; Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang Burkhardt, Gröbenzell, Beirat, seit 66.; Prof. Dr.-Ing. Ulrich Busweiler, Darmstadt, Sorptionsgestützte Klimatisierung, Entfeuchtung, seit 67.; Thermisch aktive Raumflächen, seit 73.; Dr. agr. Horst Cielejewski, Münster, Tierställe, seit 72.; Prof. Dipl.-Ing. K. Daniels, München, Architekt, Bauherr und Lüftung, 63.; Dipl.-Ing. Claus Decker, Emmerich, Adsorptionskälteprozeß, seit 70.; Dipl.-Ing. Frank Dehli, Wald-Michelbach, Wärmerückgewinnung, seit 67.; Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Detzer, Hamburg, Klimatechnik in Fertigungsstätten, Küchen, seit 69.; Dr.-Ing. A. Dittrich, Hilden, Warmwasserversorgung, 62. und 63.; Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Jörg Eberhardt, Erlangen, Warmluftheizungen, seit 68.; Dipl.-Ing. Heinz Eickenhorst, Essen, Energiewirtschaft, 65. bis 68.; Prof. Dr. Ursula Eicker, Stuttgart, Solarthermische Anlagen, seit 74.; Dipl.-Ing. Gerhard Eisenhauer, Leimen, Fernheizungen, 69.–71.; Dr. rer. nat. J. Wilhelm Erning, Berlin, Korrosions- und Steinschutz, seit 72.; Dipl.-Ing. Sven Evert, Bremen, Dampf- und Kondensatleitungen, Rohrleitungszubehör, 67.–71.; Dr.-Ing. Hugo Feurich, Berlin, Warmwasserversorgung, 60., 61. und 66.; Beirat, seit 66.; Dr.-Ing. Eckehard Fiedler, NL-Vaals, Luftschleier, seit 68.; Prof. Dr.-Ing. Klaus Fitzner, Berlin, Klimatechnik Krankenhäuser, seit 66.; Dipl.-Ing. Uwe Flohren, Köln, Gas-Infrarotstrahler, GasHeizgeräte, seit 68.; Rechtsanwalt Volker Gasser, Köln, Umweltschutz, 67. bis 69.; Dipl.Ing. Kurt Gehrenbeck, Berlin, Herausgeber, 40.(?) bis 46.; Obering. W. Geldner, Gerlingen, Heizungstechnik, 65.; Dipl.-Ing. Lothar Gerke-Reinecke, Leimen, Fernheizung, 67.; Dipl.-Ing. Otto Ginsberg, Hannover, Herausgeber, 24. bis 39.(?); Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Glück, Jößnitz, Wärmeübertragung, Thermisch aktive Raumflächen, 67. bis 72.; Wärmetechnische Grundlagen, 68. bis 72.; Basiskennlinien, 74.; Dr.-Ing. Markus Görres, Dortmund, Energiewirtschaftliche Grundlagen, 69.–71.; Dipl.Ing Vera Gräff, Essen, Heizsysteme mit Wärmepumpen, 71. bis 72.; Anforderungen an Heizanlagen, seit 73.; Dipl.-Ing. Joachim Grodt, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, seit 73.; Dr.-Ing. habil. Klaus J. Guntermann, Geldern-Kapellen, Luftauslässe, 67. bis 72.; Dipl.-Ing. Claus Händel, Museen, seit 73.; Dipl.-Ing. Klaus Hain, Dortmund, Wärmebedarf, Auslegung der Wärmeerzeuger, 68. bis 72.; Dipl.-Ing. Christian Halper, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, seit 73.; Dr.Ing. Johann Halupczok, Aachen, Reinraumtechnik, 69.–71.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, München, Bauphysik, Energieeinsparverordnung, seit 70.; Dr.-Ing. P. Hayn, Berlin, Luftfilter, 62.; Dipl.-Ing., Dr.-Ing. Manfred Heimann, Dortmund, Sonnenenergienutzung, 67. bis 73.; Dr.-Ing. Runa Tabea Hellwig, Holzkirchen, Hygienische Grundlagen, seit 73.; Dr.-Ing. Stephan Herrmann, Waiblingen, Öl- und Gasbrenner, seit 68.; Dipl.Ing. Günter S. Hilbert, Berlin, Kältetechnik, 56. und 57.; Dipl.-Ing. Steffen Hofmann, Wuppertal, Regenerative Brennstoffe, 71. bis 72.; Dr.-Ing. Winfried Hönmann, Stuttgart, Lüftungs-und Klimatechnik, 59. bis 61.; Herausgeber, 62. bis 65.; Dr.-Ing. Frank Höper, Frankfurt/M., Brennstoffzellen, 68. und 69., Meßtechnik, 68. bis 70.; Dipl.-Ing. Kirsten Höttges, Stuttgart, Kommentar zur Energieeinsparverordnung, seit 71.; Dipl.-Ing. Ger-

Vorwort zur 74. Auflage

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hard Hunnekuhl, Dortmund, Pumpen, seit 67.; Dr.-Ing. Kati Jagnow, Wernigerode, Heizungs- und Warmwasserkosten, seit 70., Raumheizeinrichtungen, Heizlast, Auslegung, seit 72.; Dipl.-Ing. G. Jämmrich, Berlin, Fernheizung, Heizkraftwirtschaft, 62. bis 65.; Dipl.-Ing. Andreas Jeromin, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, seit 73.; Dr.-Ing. Franz Josef Josfeld, Essen, Brennstoffe, Verbrennung, Wärmekraftmaschinen, Heizkraftwirtschaft, 67. bis 73.; Dipl.-Ing. B. Junker, Basel, Regelungstechnik, 59. bis 62.; Dr.-Ing. Herbert Jüttemann, Karlsruhe, Elektr. Raumheizgeräte, Wärmepumpen, Wärmerückgewinnung, 60. bis 66.; Dr.-Ing. Thorsten Kettner, Heizwasserleitungen, seit 73.; Dr.-Ing. Achim Keune, Bargteheide, VDI 6022 (Hygiene bei RLT-Anlagen), seit 71.; Dipl.-Ing. H.-G. Kind, Berlin, Grundlagen der Heizungs- und Klimatechnik, 56.; Dr.-Ing. A. Kollmar, Berlin, Strahlungsheizung, 59. und 60.; Dipl.-Ing. Michael Kopplin, Pinneberg, Garagen, seit 73.; Prof. Dr. med. habil. Peter Kröling, München, Gesundheit, Befindlichkeit, seit 67.; Dr. rer. nat. Carl Ludwig Kruse, Dortmund, Korrosions- u. Steinschutz, 67.–71.; Dipl.-Ing. Werner Lang, Hamburg, Dehnungsausgleicher, seit 70.; Prof. Dr.-Ing. J. Lehmann, Braunschweig, Heizungstechnik, 59. bis 62.; Dipl.-Ing. Hubert Lenz, Frechen, Heizungstechnik, 59. und 60.; Prof. W. Liese, Berlin, Hygienische Grundlagen, 59.; Prof. R. Lochau, Berlin, Lüftungs-und Klimatechnik, 59.; Prof. Dr.-Ing. Harald Loewer, Hamburg, Raumluftqualität, seit 68.; Dipl.-Ing. oec. Lambert Luchs, Hamburg, Öltank und Ölleitungen, seit 73.; Dr.-Ing. Bruno Lüdemann, Hamburg, Büro- und Verwaltungsgebäude, seit 74.; Dipl.-Ing. Horst Lutz, Hamburg, Wärmemengenmessung, 65. und 66.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, Kassel, Energieeinsparverordnung, seit 70.; Dipl.-Ing. Detlef Makulla, Köln, Meßtechn. Grundlagen, seit 73.; Dr.-Ing. Jürgen Masuch, Benningen, Meteorologische Grundlagen, seit 68.; Dr.rer.nat. Erhard Mayer, Holzkirchen, Hygienische Grundlagen, 67.–71.; Dr.-Ing. Gerhard Meier-Wiechert, Allendorf, Wärmeerzeuger, seit 73.; Dr.-Ing. Ronald Miller, Düsseldorf, Klimatechnik Verkaufsstätten, 70.–71.; Facility Management, seit 72.; Dipl.-Ing. H. Mürmann, Sennestadt, Industrielle Absaugung, 60.; Dr.-Ing. Gerhard Nehring, Tamm, Heizungstechnik, 62. bis 65.; Dr.-Ing. Helmut Neumann, Esslingen, Elektrische Heizeinrichtungen, seit 73.; Dipl.-Ing. Harald Nenner, Leimen, Fernheizungen, seit 73.; Dr.-Ing. Jürgen Nickel, DK-Frederiksberg, Volumenstromregler, 68. bis 72.; Dipl.-Ing. Leo Nitsch, Essen, Museumslüftung, 67. bis 72.; Prof. Oezvegyi, CH-Kriens, Heizungstechnik, 65.; Prof. Dr. Bjarne W. Olesen, DK-Lyngby, Hygienische Grundlagen, seit 72.; Dr.-Ing. Paul Paikert, Herne, Lufterwärmer, Luftkühler, 60. bis 65.; Plattenwärmeaustauscher, 65.; Dipl-Ing. R.-D. Paulmann, Alzenau, Warmwassererzeugung (Fernwärme), 64. und 65.; Prof. em. Dr.-Ing. habil. Karl Petzold, Dresden, Wärme- und Schallschutz, 67. bis 69.; Dr.-Ing. Dieter Pfannstiel, Breitenbach a. Herzberg, Regelungstechnik, seit 70.; Dipl.-Ing. Joachim Plate, Wetzlar, Wärmeerzeuger, 68. und 69.; Dipl-Ing. E. Prochaska, Vaihingen/Enz, Regelung Klimatechnik, 62. bis 65.; Prof.Dr.-Ing. Tibor Rákóczy, Köln, Lüftungs-und Klimatechnik, 59. bis 71.; Dipl.-Ing. Hermann Recknagel, München, Berlin, Herausgeber, 1. bis 23.; Prof. Dr. sc.techn. Anton Reinhart, Lindau, Kältetechnik, seit 69.; Oberingenieur Bruno Regenscheit, Aachen, Luftverteilung, Luftauslässe, 62. bis 65.; Dr.-Ing. Manfred Renz, Stuttgart, Reinraumtechnik, seit 72.; Dr.-Ing. Manfred Riedel, Berlin, Heizkostenverteiler, seit 67.; Dr.-Ing. Seonhi Ro, Remscheid, Katalytische Verbrennung, Gasbrenner, 68.; Dr.-Ing. Jürgen Röben, Mülheim a.d. R., Hallenschwimmbäder, seit 72., Prof. Dipl.-Ing. Arch. Armin Rogall, Bochum, Architekt, Bauherr und Lüftung, 67. bis 69.; Architekt, Bauherr und Heizung, 68. und 69.; Peter Rohne, München, Elektrische Heizeinrichtungen, 67. bis 72.; Prof. Dipl.Ing. Klaus Rudat, Berlin, Warmwasserversorgung, seit 67.; Dipl.-Ing. W. Salzwedel, Berlin, Lüftungstechnische Geräte, 59. und 60.; Architekt, Bauherr und Lüftung, 61. und 62.; Dipl.-Ing. Rolf Scharmann, Marbach, Korrosions- und Versteinungsschutz, 62. und 65.; Prof. Dr. med. Martin Schata, Düsseldorf, Gesundheit, Befindlichkeit, 67. bis 72.; DiplIng. Winfried Scheller, Dortmund, Heizwasserleitungen, 67. bis 72.; Dr.-Ing. Kai Schiefelbein, Holzminden, Heizsysteme mit Wärmepumpen, seit 73.; Dr.-Ing. Dietrich Schlapmann, Lollar, Heizungstechnik, 65. bis 71.; Dr.-Ing. Andreas Schleyer, Leimen, Fernheizungen, 72.; Dipl.-Ing. Kurt Schloz, Liebenzell, Lüftungs- und Klimatechnik, 64. bis 67.; Beirat, 66. ; Dr.-Ing. Horst-Georg Schmalfuß, Dortmund, Strömungstechnik, Pumpen, 67. bis 69.; Dipl.-Ing. Heribert Schmitz, Braunfels, Wärmeerzeuger, 62.; Warmwasserversorgung, 64. und 65.; Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Markus Schmitz, Essen, Prüfpflichten, seit 72.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ernst-Rudolf Schramek, Dorsten, Klimatechnik Warenhäuser, 60. bis 62.; Herausgeber, seit 66.; Dipl.-Phys., MBA, Dr.-Ing. Philipp Schramek, Starnberg, Energiewirtschaftliche Grundlagen, 72. bis 73.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marina Schulz, Weimar, Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung; Nutzungskosten, seit 70.; Dipl. Wirtsch.-Ing. Jochen Schütze, Pinneberg, Tunnel, seit 73.; Dr.-Ing. Franc Sodec, Bergisch Gladbach, Meßtechnik, Luftverteilung, seit 68.; Dipl.-Ing.,

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Vorwort zur 74. Auflage

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Werner Solfrian, Essen, Kosten und Wirtschaftlichkeit, seit 68.; Dipl.Ing. Eberhard Sprenger, Berlin, Lüftung, 45. und 46.; Herausgeber, 46. bis 63.; Dipl.-Ing. Edgar Staß, Jülich, Sicherheitsvorrichtungen, seit 73.; Dr.-Ing. Dieter Stehmeier, Langenhagen, Schornsteintechnik, seit 68.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. Fritz Steimle, Essen, Beirat, seit 66.; Reinhard Steiner, Offenbach, Luftbefeuchtung, 68. bis 72.; Dr.rer.nat. H.-J. Strauß, Dortmund, Luftfilter, 59. bis 61.; Dipl.-Ing. Thomas Tech, Essen, Heizkraftwirtschaft, seit 67.; Heizung in Krankenhäusern/Kliniken, seit 71.; Dipl.-Ing. Peter Thiel, Hamburg, Technische und bauliche Entscheidungen, Büro- und Verwaltungsgebäude, seit 74.; Dipl.Ing. Leonhard Thien, Steinfurt, Regenerative Brennstoffe; Uwe Tomaschek, Düsseldorf, Kupferrohre, seit 70.; Dipl.-Ing. Gerhard Trenkowitz, Gorxheimertal, Kältetechnik, 59. bis 68.; Wärmepumpen, 67. und 68.; Strömungstechn. Anlagenkennlinien, 69. bis 73.; Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Heinrich Trümper, Aachen, Warmwasserversorgung, 59.; Heiner Twachtmann, Bremen, Rohrleitungszubehör, Dampf- und Kondensatleitungen, seit 72., Dr.-Ing. Helmut Ulmer, Berlin, Grundlagen der Heizungs- und Klimatechnik, 60. und 61.; Dr.-Ing. Peter Vogel, Dresden, Industrielle Absaugungen, seit 66.; Umweltschutz, seit 67.; Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang A. Voltz, Hamburg, Brandschutztechnik, seit 67.; Ing. Günther Wagner, Allendorf, Wärmeerzeuger, 67. bis 72.; Walter Wagner, St. Leon-Rot, Rohrleitungen, 69. bis 73.; Dipl.-Ing. Peter Wegwerth, Norderstedt, Kunststoffrohre, 71. u. 72.; Prof. Dr.-Ing. Hans Werner, München, DIN EN 832 (Heizenergiebedarf), seit 68.; Dipl.-Ing. Markus Werner, Aachen, Simulation, seit 72.; Dipl.-Ing. Thomas Winkler, Hamburg, Brandschutz, seit 74.; Karl Willemen, Merksem (Belgien), Be- und Entlüfter, Ausdehnungsgefäße und Druckhalteeinrichtungen, Entgasung, seit 74.; Dr.-Ing. habil. Stefan Wirth, Karlsruhe, Wohnungslüftung, 67. und ab 72.; Korrosions- und Steinschutz, seit 72.; Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel, Regelungstechnik, 63. bis 70.; Heizungskosten, seit 63.; Raumheizeinrichtungen, Heizlast, Auslegung, seit 72.; Dr.-Ing. Frank-Hendrik Wurm, Dortmund, Strömungstechnik, Pumpen, 70.; Dr.-Ing. Wolf Ziemer, Nürnberg, Reinraumtechnik, 65. Bisherige Auflagen: 1. bis 30. Auflage jährlich 1897 bis 1926; 31. bis 44. Auflage nahezu jährlich 1927 bis 1942 (unbekannt, in welchen zwei Jahren keine Neuauflage); 45. und 46. Auflage 1943 und 1944. Weiterhin nahezu im Zweijahresrhythmus: 46.(!!) 1952, 47. 1953, 48. 1955, 49. 1956, 50. 1959, 51. 1960, 52. 1962, 53. 1964, 54. 1966, 55. 1968, 56. 1970, 57. 1972, 58. 74/75, 59. 77/78, 60. 79/80, 61. 81/82, 62. 83/84, 63. 86/87, 64. 88/89, 65. 90/91, 66. 92/93, 67. 94/95, 68. 97/98, 69. 99/00, 70. 01/02, 71. 03/04, 72. 05/06, 73. 07/08, 74. 09/10 Lizenzausgaben: Deutschsprachig: DDR 1964 von 53.; Fremdsprachig: Slowakisch 1962 von 52.; 1. Spanisch 1972 von 57.; Griechisch 1. Teil 1978 und 2. Teil 1980 von 59.; 1. Französisch 1980 von 60.; 1. Serbisch 1982 von 61.; 2. Serbisch 1984 von 62.; 2. Französisch 1986 von 63.; 3. Serbisch 1987 von 63.; 2. Spanisch 1993 von 65.; 1. Polnisch 1994 von 66.; 3. Französisch 1. Teil 1995 von 66.; 4. Serbisch 1995 von 67.; 1. Türkisch 2003 von 68.; 1. Ungarisch 2000 von 69.; 5. Serbisch 2002 von 70.; 6. Serbisch von 72.; 4. Französisch 2007 von 71.; 2. Polnisch 2008 von 73.; 1. Russisch von 73. in Vorbereitung

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Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

1

GRUNDLAGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

1.1

Meteorologische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

1.1.1 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4

Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reine Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verunreinigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensationskerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61 61 62 62 65 68 70

1.1.2 -1 -2 -3 -4 -5

Lufttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittelwerte der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Extremwerte der Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizgradtage (Gradtagzahl Gt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungsgradstunden GL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlgradstunden GK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70 70 74 75 78 79

1.1.3 -1 -2 -3 -4 -5 -6

Luftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittlere Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfeuchtungs- und Befeuchtungsgrammstunden . . . . . . . . . . . . . . . . . Extremwerte der Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatur und Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuchte-Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80 80 81 81 83 83 98

1.1.4 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9

Sonnenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarkonstante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linkescher Trübungsfaktor TL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Sonnenstrahlung auf beliebige Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffuse Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Atmosphärische Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonnenstrahlung und Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besonnung im Jahresablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besonnung bei unterschiedlichen geographischen Breiten . . . . . . . . . .

98 99 100 102 102 106 106 109 110 112

1.1.5

Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

113

1.2

Hygienische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

116

1.2.1

Wärmehaushalt des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

116

1.2.2

Wärmeabgabe des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

1.2.3 -1 -1.1 -1.2 -1.3

Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generelle thermische Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinell geheizte oder gekühlte Gebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

118 119 119 120 120

DVD 14

Inhaltsverzeichnis -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -3 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -5 -5.1 -5.2 -5.3 -5.4

Luftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kleidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körperliche Aktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäude ohne maschinelle Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lokale thermische Unbehaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungstemperatur-Asymmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vertikale Lufttemperaturunterschiede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fußbodentemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zugerscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messungen des thermisches Raumklimas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselwirkungen anderer Größen mit der thermischen Behaglichkeit Akustik, Lärm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Licht/Blendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftqualität und Luftfeuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Einflussfaktoren auf die thermische Behaglichkeit . . . . . . . . . Sonstige Einflüsse auf Gesundheit und Wohlbefinden . . . . . . . . . . . . . Staubgehalt der Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innenraumluftschadstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische und magnetische Felder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ionisierende Strahlung und Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

121 121 122 123 124 126 127 128 128 132 132 133 134 134 135 135 135 136 138 139

1.2.4 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11

Raumluftqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CO2-Maßstab nach Pettenkofer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an den Luftzustand in Aufenthaltsräumen . . . . . . . . . Rate der Unzufriedenen und ihre Bedeutung in der Raumlufttechnik Quellen der Luftverunreinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertung der Luftqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Behaglichkeitsgleichung der Raumluftqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung der Raumluftqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der erforderlichen Luftleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Einfluß von Temperatur und relativer Feuchte auf die Luftqualität Luftqualität und menschliche Leistungsfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .

142 142 142 144 144 145 146 148 149 150 152 153

1.2.5 -1 -1.1 -1.2 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -4 -5

Gesundheitliche Maßstäbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung in das Sick-Building-Syndrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sick Building Syndrom (SBS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tight Building Syndrom (TBS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Einflußfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zugerscheinungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermischer Diskomfort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftbefeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tieffrequenter Schall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygienische Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aerogene Infektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrobielle Allergene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrobielle Schadstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geruchsbelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen zur Prophylaxe und Sanierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygiene-Anforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte nach VDI 6022 und VDI 6033 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

154 154 155 156 157 157 157 158 158 158 158 159 159 159 160

1.3

Wärmetechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

164

1.3.1 -1 -2 -3

Thermisch-mechanische Grundgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einheitensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Masse, Kraft und Gewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

164 164 165 165

162

Inhaltsverzeichnis

15 DVD

-4 -5 -6 -7 -8 -9

Dichte und spezifisches Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiearten und Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnung durch Temperaturerhöhung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hauptsätze der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

165 168 169 173 175 177

1.3.2 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9

Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasmischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innere Energie, Enthalpie und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

177 177 178 180 181 182 183 184 185 186

1.3.3 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

Dämpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungen der Dampfzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Nassdampf) . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Heißdampf) . . . . . . . . . . . . . . . . Diagramme für Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsänderungen mit Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188 188 189 190 198 198 199 200

1.3.4 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -7.1 -7.2 -7.3 -7.4 -7.5 -7.6

Feuchte Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relative Feuchte und Taupunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absolute Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichte und spezifisches Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . h,x-Diagramm von Mollier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsänderungen feuchter Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adiabate Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

201 201 201 202 208 208 209 210 210 211 211 211 213 213

1.3.5 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -2 -2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.1.3 -2.2 -2.2.1 -2.2.2 -2.2.3 -2.3 -2.4

Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ebene Wand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zylinderwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontakttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erzwungene Flüssigkeits- oder Gasströmung im Rohr oder Kanal . . . Laminare Strömung im geraden Rohr oder Kanal (Re < 2320) . . . . . . Turbulente Strömung im geraden Rohr oder Kanal (Re > 2320) . . . . . Turbulente Strömung von Flüssigkeiten und Gasen in Rohrwendeln . Erzwungene Flüssigkeits- oder Gasströmung um Platten und Rohre . Längsüberströmte Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Längsüberströmte Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Querüberströmte Rohre und Rohrbündel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser in Behältern und Kesseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Strömung an Platten und Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

214 214 214 215 216 224 225 226 227 227 231 232 232 233 233 236 236

DVD 16

Inhaltsverzeichnis -2.4.1 -2.4.2 -2.4.3 -2.5 -2.6 -2.7 -2.8 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.4.1 -3.4.2 -3.5 -3.6 -3.7 -3.8 -3.9 -4 -5 -5.1 -5.2 -5.3 -5.4 -5.5 -6

1.3.6 -1 -2 -2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.1.3 -2.1.4 -2.2 -2.2.1 -2.2.2 -2.2.3 -2.2.4 -2.2.5 -2.2.6 -2.2.7 -2.2.8 -2.2.9 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -3.6 -4 -4.1

Senkrechte Platten (Wände) und Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Waagerechte Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Waagerechte Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überlagerung freier und erzwungener Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfung von Wasser in Behältern und Kesseln . . . . . . . . . . . . . . . Kondensation von Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdunstung und Stoffübergang von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stefan-Boltzmannsches Gesetz, Emissionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kirchhoffsches Gesetz, Absorptionsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lambertsches Kosinusgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körper mit Umhüllung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zwei Flächen in beliebiger Lage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstrahlzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsaustausch zwischen den Oberflächen geschlossener Räume (Bruttomethode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeübergangskoeffizient beim Strahlungswärmeaustausch . . . . . . Strahlungstemperatur der Umgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtwärmeübergangskoeffizienten (Basiskennlinien) für thermisch aktive Raumumfassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgangskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mittlere Temperaturdifferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeabgabe von Rohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserdampf-Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

236 238 238 239 240 241 242 243 244 244 245 245 245 246 246 246

Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feste Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mineralöle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teeröle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synthetische Öle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizöle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viskosität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verkokungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flammpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stockpunkt, Pourpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwefel und Asche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser und Sedimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasförmige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raffineriegase (Reichgase, Flüssiggase) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spaltgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regenerative Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

269 269 273 273 273 274 274 274 275 277 277 277 278 279 279 279 279 279 280 280 283 283 284 285 286 286 286

251 252 253 254 255 255 256 258 259 262 265

Inhaltsverzeichnis

17 DVD

-4.2 -4.3

Pflanzenöle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biogas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

289 289

1.3.7 -1 -2 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -3.6 -4 -5 -5.1 -5.2 -5.3 -6 -7

Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwert und Brennwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungsluftmenge und Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feste und flüssige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasförmige Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Näherungswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichte der Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Wärmekapazität der Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserdampfgehalt und Taupunkt der Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vollkommene Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unvollkommene Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungsdreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zündtemperatur und Zündgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Katalytische Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

290 290 290 295 295 296 297 300 301 302 302 304 305 306 306 308 311

1.3.8 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.3

Wärmekraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kolbendampfmaschinen und Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungskraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verpuffungsmaschinen (oder Ottomotoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichdruck-Verbrennungsmaschinen (Dieselmotoren) . . . . . . . . . . . Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

313 313 315 315 315 316

1.3.9 -1 -2 -3 -4 -5

Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

318 318 318 319 320 321

1.4

Strömungstechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

323

1.4.1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Strömung ohne Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ideale Flüssigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungsbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impulssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömung durch ein Schaufelgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impulsmomentensatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

323 323 323 323 324 325 325 326 326

1.4.2

Ausfluß aus Öffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

327

1.4.3

Blenden und Düsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

328

1.4.4

Kritischer Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

330

1.4.5

Enthalpie und Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

330

1.4.6

Drosselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

330

1.4.7

Reibungszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

331

1.4.8

Einzelwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

338

1.4.9

Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

341

1.4.10

Anlagenkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

344

DVD 18

Inhaltsverzeichnis

1.5

Schalltechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

346

1.5.1

Allgemeine Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

346

1.5.2

Schallfeldgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

346

1.5.3

Tonspektrum und Klangfarbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

348

1.5.4 -1 -2 -3 -4 -5

Geräuschbewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenzspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lautstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewerteter Schallpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

349 349 350 351 352 353

1.5.5

Schallausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

354

1.5.6 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

Luftschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalldämm-Maß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertetes Schalldämm-Maß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einschalige Wände und Decken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrschalige Wände und Decken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fenster und Türen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammengesetzte Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

356 356 357 357 358 359 360 360

1.5.7

Körperschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

361

1.5.8

Schallabsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

361

1.5.9

Akustik großer Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

363

1.6

Messtechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

364

1.6.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

364

1.6.2 -1 -2 -3 -4

Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U-Rohr-Manometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Federmanometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Manometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

364 364 365 365 366

1.6.3 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnungs-Thermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsthermometer (Infrarotthermometer, Pyrometer) . . . . . . . . Infrarot-Thermographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Globethermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

367 367 368 369 371 372 372 373

1.6.4 -1 -2 -3 -4 -5

Geschwindigkeitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staugeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Anemometer, Hitzdraht-Anemometer . . . . . . . . . . . . . . . Flügelradanemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laser-Doppler-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung der Raumluftgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

373 373 374 375 376 376

1.6.5 -1 -2 -3 -4 -5

Mengen- und Durchflussmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wägung und Ausmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gaszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdrängungszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flügelradzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwebekörper-Durchflussmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

378 378 378 379 379 380

Inhaltsverzeichnis -6 -7 -8 -9 -9.1 -9.2 -9.3 -9.4 -10 -10.1 -10.2 -10.3 -10.4

19 DVD

Drosselgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ultraschallverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrommessung in Kanälen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einlaufdüse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blenden und Düsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staukörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrommessung an Luftdurchlässen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messtrichter-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckmessmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nullmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

380 381 382 382 382 383 383 383 384 384 384 384 384

1.6.6 -1 -1.1 -1.2 -2

Wärmemengenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Messverfahren (Hilfsmethoden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasseranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

385 385 385 388 391

1.6.7 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11

Füllstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schauglasmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Peilstabmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmermethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdrängermethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einperlrohrmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydrostatische Druckmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wägemethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leitfähigkeitsmessmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitive Messmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlungsdämpfungsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reflexionsmessmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

391 391 391 391 392 392 392 393 393 393 393 394

1.6.8

Abgasprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

394

1.6.9 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Feuchtemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorptionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Taupunktmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Haarhygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Psychrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lithiumchlorid-Feuchtemesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leitfilm-Hygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitäts-Hygrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Taupunktsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

397 397 397 397 398 400 400 400 401

1.6.10 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9

Sonstige Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pH-Wert-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rußmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallpegelmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Staubmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasanalysengeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung der Radioaktivität der Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung der Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung des Außenluftwechsels und der Lüftungseffektivität 407 Kombinierte Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

401 401 401 402 402 403 404 406 406

-10

408

DVD 20

Inhaltsverzeichnis

1.7

Regelungstechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

410

1.7.1 -1 -2

Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

410 410 411

1.7.2 -1 -2 -2.1 -2.2

Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statisches Verhalten von Regelstrecken (Kennlinien) . . . . . . . . . . . . . . Dynamisches Verhalten von Regelstrecken (Übergangsverhalten) . . . Regelstrecken mit Ausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelstrecken ohne Ausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

413 413 415 415 418

1.7.3 -1 -1.1 -1.2 -2 -3 -3.1 -3.1.1 -3.1.2 -3.2 -3.2.1 -3.2.2 -3.2.3 -3.2.4 -3.3 -3.4 -3.4.1 -3.4.2 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6

Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikation von Regelgeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler mit Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelgüte von Regelkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analoge Regelsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unstetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proportionale Regler (P-Regler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Integrierende Regler (I- und PI-Regler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenzierende Regler (D-Regler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PID-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quasi-stetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellregeln für analoge Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren nach Ziegler-Nichols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren nach Chien, Hrones, Reswick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Digitale Regelsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau einer digitalen Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Digitale Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwurfsverfahren für digitale Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzfunktionen digitaler Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adaptive Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fuzzy-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

420 420 420 421 421 422 423 423 425 426 426 430 431 431 432 433 433 434 434 435 438 438 439 439 440

1.8

Energiewirtschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

443

1.8.1

Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

443

1.8.2 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5

Primärenergieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Endliche Energieträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Uran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

443 443 443 444 444 445 445 445 445 445 446 446

1.8.3 -1 -2 -3 -4

Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kernkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

446 446 447 447 447

Inhaltsverzeichnis -5 -6 -7 -8 -9 -10

21 DVD

Photovoltaikanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzentrierende Solarkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkraftwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geothermische Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biomassekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

447 447 447 448 448 448

1.8.4

Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

449

1.8.5

Contracting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

450

1.9

Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

452

1.9.1

Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

452

1.9.2

Einwirkung von Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

453

1.9.3

Maßnahmen zur Begrenzung von Schadstoffemissionen im Energiesektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffseitige Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuerungstechnische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatz von regenerativen Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

454 455 456 457 459

-1 -2 -3 -4 1.9.4 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12

Rechtsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bundes-Immissionsschutzgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen . . . . . . . . . . . Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft – (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum BundesImmissionsschutzgesetz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verordnung über Großfeuerungs- und Gasturbinenanlagen . . . . . . . . Smog-Verordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energie-Gesetz – EEG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) . . . . . . Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes (Wasserhaushaltgesetz – WHG –) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umwelthaftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere gesetzliche Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

460 461 461 462 463 463 465 467 467 467 467 467 469

1.10

Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes . .

471

1.10.1 -1 -2 -3

Grundlagen der Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrochemische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserbeschaffenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

471 471 472 474

1.10.2 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Korrosion in Warmwasserheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wanddurchbruch bei Eisenwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlammbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eisenoxid-Beläge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von Kupfer-Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von Aluminium-Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von feuerverzinktem Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosion von nichtrostenden Stählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

475 475 478 479 481 481 482 483 483

DVD 22

Inhaltsverzeichnis -9 -10 -11 -12 -13

Bimetallkorrosion, Mischinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz bei Planung und Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz durch Vermeidung von Unterdruck . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz durch Wasserbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frostschutzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

483 484 486 488 489

1.10.3 -1 -2 -3 -4

Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Beschaffenheit des Speisewassers . . . . . . . . . . . . Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

490 490 491 492 494

1.10.4 -1 -2 -3 -4

Korrosion in Wassererwärmern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmer aus emailliertem Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmer aus kunststoffbeschichtetem Stahl . . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmer aus nichtrostendem Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kathodischer Schutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

495 495 496 496 498

1.10.5 -1 -2 -3

Abgasseitige Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

499 499 500 501

1.10.6 -1 -2 -3

Steinbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steinbildung in Wassererwärmungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steinbildung in Warmwasserheizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen gegen Steinbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

503 504 505 505

1.11

Grundlagen Facility Management – Planung, Erstellung, und Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

508

1.11.1

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

508

1.11.2 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4

Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung . . . . . . . . . Begriffsabgrenzungen und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Kostenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben der Kostenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kostenrechnungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der betrieblichen Kostenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen nach VDI 2067 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben der Wirtschaftlichkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entscheidungskriterien und Randbedingungen der Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechenverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . Statische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeitsberechnungsverfahren nach der VDI 2067 für Wärmeversorgungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

509 509 511 511 511 513

Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauherr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Architekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projektsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fachplaner1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalplaner1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalfachplaner1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fachunternehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

521 521 521 521 521 521 521 522 522 522

-3 -3.1 -3.2 -3.2.1 -3.2.2 -3.3 1.11.3 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -2.6 -2.7

514 515 515 517 517 518 520

Inhaltsverzeichnis

23 DVD

Generalunternehmer1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalübernehmer1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hauptunternehmer1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nebenunternehmer1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachunternehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung und Ausschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsbild nach § 73 HOAI3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagenermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwurfsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Genehmigungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbereitung der Vergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausschreibungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergabe, Ausführung und Abnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsbild nach § 73 HOAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mitwirkung bei der Vergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objektüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergabeunterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen und Werten der Angebote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergabearten3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vertragsinhalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objektüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mängelansprüche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Investitionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumlufttechnik und Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

522 522 522 522 522 523 523 523 523 523 523 523 524 524 526 526 526 527 527 527 527 527 528 528 528 529 530 532 532 532 535

Technisches Gebäudemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relevante Vorschriften, Normen und Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . Definitionen im technischen Gebäudemanagement . . . . . . . . . . . . . . . Ausschreibung, Vergabe, Steuerung und Überwachung von Dienstleistungen im technischen Gebäudemanagement . . . . . . . . . . . . -5 Betreiben von Anlagen der Heizung und Klimatechnik . . . . . . . . . . . . -6 Inspektion, Prüfung und Wartung an Anlagen der Heizung und Klimatechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -7 Prüfpflicht an Anlagen der Heizungs, Kälte- und Klimatechnik . . . . . -7.1 Pflichten für Bauherren bzw. Anlagenbetreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -7.1.1 Sachverständige (anerkannt nach Baurecht des Bundeslandes) . . . . . . -7.1.2 Sachkundige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -7.2 Lüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -7.3 Heizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -7.4 Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -8 Instandsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -9 Informationsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10 Nutzungskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.2 Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.2.1 Kapitalkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.2.2 Energiekosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.2.3 Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.3 Raumlufttechnik und Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

538 538 539 540

-2.8 -2.9 -2.10 -2.11 -2.12 -3 -3.1 -3.2 -3.2.1 -3.2.2 -3.2.3 -3.2.4 -3.2.5 -3.2.6 -3.3 -4 -4.1 -4.2 -4.2.1 -4.2.2 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6 -4.7 -4.8 -5 -6 -6.1 -6.2 -6.3 1.11.4 -1 -2 -3 -4

543 545 546 547 548 548 548 548 549 550 551 551 554 554 555 555 555 560 560

DVD 24

Inhaltsverzeichnis -10.3.1 Kapitalkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.3.2 Energiekosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -10.3.3 Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

560 561 563

1.11.5 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10

Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation als planerisches Hilfsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemtheoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelle zur mathematischen Beschreibung physikalischer Prozesse . Analogien zur Modellerstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Merkmale von Simulationswerkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Belastbarkeit der Simulationsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatz von Simulation im Planungsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatz von Simulation zur Betriebsoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . Wettervorhersage-Steuerung (WVS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hemmnisse zum Einsatz von Simulationsprogrammen . . . . . . . . . . . .

563 563 563 564 565 567 567 568 570 571 573

1.12

Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

574

1.12.1 -1 -2 -3 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -4.4.1 -4.4.2 -4.4.3 -5

Winterlicher Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmissionswärmeverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungswärmeverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Passive Solarenergiegewinne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesamtenergiedurchlassgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Getrennte Bilanzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äquivalente U-Werte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme zur passiven Solarenergiegewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transluzente Wärmedämmung TWD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wintergarten/Verglaste Anbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temporärer Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

574 574 574 580 582 582 583 583 584 584 585 586 587

1.12.2 -1 -2 -3

Sommerlicher Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beurteilungsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflußparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planungsgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

587 587 588 588

1.12.3

Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen . . . . . .

590

2

HEIZUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

595

2.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

595

2.1.1

Anforderungen an Heizanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

595

2.1.2

Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik . . . . . .

596

2.2

Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

602

2.2.1 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -2.6 -3

Einzelheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kamine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kachelöfen (Speicheröfen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schornstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kleinkachelöfen (Keramische Kleinöfen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eiserne Öfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

602 603 606 606 606 607 607 608 609 609

Inhaltsverzeichnis

25 DVD

-3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -4 -5 -6 -6.1 -6.2 -6.2.1 -6.2.2 -6.2.3 -6.2.4 -6.2.5 -6.3 -6.4 -6.5 -6.6 -6.7 -6.8 -7 -7.1 -7.2 -7.2.1 -7.2.2 -7.2.3 -7.2.4 -7.2.5 -7.2.6 -7.2.7 -7.2.8 -7.3 -7.3.1 -7.3.2 -7.3.3 -8

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Großraumöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmluft-Kachelöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas-Infrarotstrahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasraumheizer mit Schornsteinanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Außenwand-Gasraumheizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LAS-Raumheizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas-Kaminöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zündeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung Einzelraumheizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Raumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Direktheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ortsveränderliche Direktheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ortsfeste Strahlungsheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ortsfeste Konvektionsheizgeräte mit natürlicher Konvektion . . . . . . . Ortsfeste Konvektionsheizgeräte mit erzwungener Konvektion . . . . . . Deckenheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fußboden-Direktheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesteuerte Fußboden-Direktheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Elektro-Direktheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Speicherheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fußboden-Speicherheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektro-Zentralspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölbeheizte Öfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

609 609 610 611 611 612 612 614 614 615 615 618 618 619 619 619 620 621 621 623 625 625 625 627 627 628 629 629 630 630 632 632 634 634 638 644 644

2.2.2 -1 -1.1 -1.2 -1.2.1 -1.2.2 -1.2.3 -1.2.4 -1.2.5 -1.2.6 -1.2.7 -1.2.8

Zentrale Gebäudeheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasserheizungen (WWH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwerkraft-Warmwasserheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen-Warmwasserheizungen (PWWH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlzirkulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsregelung der Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zur Auslegung von Rohrnetz und Armaturen sowie hydraulischer Abgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitstechnische Einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Offene und geschlossene physikalisch abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossene, thermostatisch abgesicherte Wärmeerzeugungsanlagen Sicherheitstechnische Ausrüstung von Anlagen mit Zwangsumlauf-Wärmeerzeugern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

648 649 649 650 650 650 658 659 661 662 663

-1.3 -1.3.1 -1.3.2 -1.3.3

665 666 668 669 673

DVD 26

Inhaltsverzeichnis -2 -2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.1.3 -2.1.4 -2.1.5 -2.2 -2.3 -2.3.1 -2.3.2 -2.3.3 -2.3.4 -2.3.5 -2.3.6 -2.3.7 -2.3.8 -2.4 -2.4.1 -2.4.2 -2.4.3 -3 -3.1 -3.2 -3.2.1 -3.2.2 -3.3 -3.4 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6 -4.6.1 -4.6.2 -4.7 -4.8 -4.9 -5

673 673 673 674 676 677 678 678 678 678 679 679 680 680 680 680 681 681 681 681 682 682 683 683 684 684 689 690 690 690 691 692 693 696 696 696 701 703 707 708

-5.1 -5.2 -5.2.1 -5.3 -5.3.1 -5.3.2 -5.3.3 -5.3.4 -5.4

Dampfheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Offene Niederdruckdampfheizungen (NDH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper und Absperrorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossene Niederdruckdampfheizungen (Vaporheizungen) . . . . . Hochdruckdampfheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper und Absperrorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachverdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vakuumdampfheizungen (VDH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die einfache Vakuumdampfheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differential-Vakuumdampfheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizungen (Luftheizungsanlagen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwerkraft-Luftheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilator-Luftheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Großraum-Luftheizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnraum-Luftheizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heißluft-Strahlungsheizung (Dunkelstrahler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkt-Gasluftheizung (Hellstrahler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungssysteme mit Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeträger, Kennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompressions-Wärmepumpen, Antrieb durch Elektromotor . . . . . . . Wärmepumpen zur Heizung von Wohngebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompressions-Wärmepumpen, Antrieb durch Brennkraftmaschine . Absorptions-Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeitsvergleiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarthermische Anlagen für Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung und Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solaranlagensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwassererzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmbadheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3 -1 -1.1 -1.1.1 -1.1.2

Fernwärme und Heizkraftwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heißwasser-Fernwärme mit tυ ≤ 110 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

721 721 724 724 725

710 710 711 714 716 716 717 718 719 720

Unsere Ölfelder von morgen?

Die Zukunft der Ölheizung: hocheffiziente Heiztechnik kombiniert mit regenerativen Energien. Mehr Informationen unter: 040/23 51 13-76 oder www.iwo.de Institut für wirtschaftliche Oelheizung e.V., Süderstraße 73a, 20097 Hamburg

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Inhaltsverzeichnis

27 DVD

-1.1.3 -1.1.4 -1.1.5 -1.1.6 -1.1.7 -1.1.8 -1.2 -1.2.1 -1.2.2 -1.2.3 -1.2.4 -1.2.5 -1.2.6 -1.2.7 -1.3 -1.3.1 -1.3.2 -1.3.3 -1.3.4 -1.3.5 -1.3.6 -1.3.7 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.3.1 -2.3.2 -2.3.3 -2.4 -2.5 -2.6 -2.6.1 -2.6.2 -2.6.3 -2.6.4 -2.7 -2.8 -2.9

Vor- und Rücklauftemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umwälzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverteilung im Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausstationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsvorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heißwasser-Fernwärme mit tu >110∞C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vor- und Rücklauftemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverteilung im Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausstationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernwärmeleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transportmedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlegearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lecküberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkraftwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfturbinen-Heizkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gegendruckbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entnahmebetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasser-Fernwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromkennzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasturbinen-Heizkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blockheizkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebilanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit und Fahrweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Belastungslinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmepreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

726 727 727 728 729 731 732 732 732 733 733 733 734 734 736 736 737 737 741 742 742 743 744 744 745 746 746 746 747 748 750 751 751 751 752 753 756 756 758

2.3

Bestandteile der Heizungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

760

2.3.1 -1 -2 -2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.2 -2.2.1 -2.2.2 -2.2.3 -2.2.4 -2.2.5 -2.2.6 -2.3 -2.3.1

Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel-Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel für Festbrennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizraum/Aufstellraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasheizkessel mit Brennern ohne Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Gas-Spezial-Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regeltechnische Ausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasanlagen für Gasheizkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öl-/Gas-Heizkessel für Gebläsebrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

760 760 763 764 768 769 769 769 770 770 779 780 781 782 782

DVD 28

Inhaltsverzeichnis -2.3.2 -2.3.3 -2.3.4 -2.3.5 -2.4 -2.4.1 -2.4.2 -2.4.3 -2.4.4 -2.5 -2.5.1 -2.5.2 -2.5.3 -2.5.4 -2.6 -2.6.1 -2.6.2 -2.6.3 -2.6.4 -2.6.5 -2.6.6 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4

2.3.2 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.6.1 -1.6.2 -1.6.3 -1.6.4 -1.6.5 -1.6.6 -1.6.7 -1.6.8 -1.6.9 -2 -2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.1.2.1 -2.1.2.2 -2.1.2.3 -2.1.3 -2.1.3.1 -2.1.3.2 -2.1.3.3

Heizkessel – Konstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgradanforderungen an Öl- und Gaskessel nach der Heizkessel-Wirkungsgradrichtlinie (92/42/EWG) der EG 1992 . . . . . . Emissionsgrenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Kessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserrohrkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schnelldampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermoölkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuerungen für feste Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale elektrische Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektro-Zentralspeicher mit Wasser als Speichermedium . . . . . . . . . . . Elektro-Zentralspeicher mit Feststoff als Speichermedium . . . . . . . . . . Elektro-Zentralspeicher mit sonstigen Speichermedien . . . . . . . . . . . . Elektro-Zentralspeicher mit Feststoff als Speichermedium für Luftheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverluste und Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlust durch unverbrannte Gase, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlust durch brennbare Rückstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verluste durch Strahlung und Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselwirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Garantiekurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

783 802

Brenner, Brennstofflagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schichtungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öldruckzerstäubungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckluftzerstäubungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rotationszerstäubungsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstoffaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Düsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölvorwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Zündeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flammenwächter und Flammenfühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheits- und Regeleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öllageranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öltank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufstellung der Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufstellung unterirdischer Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufstellung oberirdischer Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausrüstung der Öltanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überfüllsicherung/Grenzwertgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leckanzeigegerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leckageerkennungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

829 829 829 831 832 843 845 846 846 848 848 850 851 852 855 855 856 859 859 859 860 860 860 862 866 866 867 867

804 806 806 806 807 808 810 811 811 816 817 818 818 819 821 821 821 822 822 824 824 825 827 829

Inhaltsverzeichnis -2.1.3.4 -2.1.3.5 -2.1.3.6 -2.1.3.7 -2.2 -2.2.1 -2.2.2 -2.2.2.1 -2.2.2.2 -2.2.3 -2.2.3.1 -2.2.3.2 -2.2.4 -2.2.5 -2.2.6 -2.2.6.1 -2.2.6.2 -2.2.7 -2.2.7.1 -2.3 -2.3.1 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.3.1 -3.3.2 -3.3.3 -3.4 -3.5 -4 2.3.3 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -1.8 -1.9 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -3 2.3.4 -1 -1.1 -1.2 -1.2.1

29 DVD

Entnahmeeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fülleinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Füllstandsanzeiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstrangsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweistrangsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberirdische Ölleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterirdische Ölleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperreinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtung gegen Aushebern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage und Verlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckprüfung der Ölleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betrieb und Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Worauf muss der Betreiber achten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brenner ohne Gebläse (atmosphärische Brenner) . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasgebläsebrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diffusionsbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vormischbrenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Katalytische Brenner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheits- und Regelungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas-Öl-Brenner (Zweistoffbrenner) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

868 868 868 869 869 869 869 869 870 870 870 870 870 870 872 872 873 874 875 875 875 875 875 878 882 882 884 886 888 891 894

Abgasanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterdruck-Abgasanlagen (Schornsteine und UnterdruckAbgasleitungen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung von Abgasanlagen-Abmessungen nach DIN EN 13384 . . Anpassungsmaßnahmen für bestehende Abgasanlagen bei Anschluss eines neuen Heizkessels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagramme für die Abgasanlagen-Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schornstein- und Unterdruck-Abgasleitungs-Bauarten . . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasanlagenbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Immissionsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überdruck-Abgasanlagen (Überdruck-Abgasleitungen) . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Feuerungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbindungsstücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

894

900 902 905 907 909 910 911 912 912 914 915 915 917

Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abmessungen, Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrverbindungen für Stahlrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formstücke (Fittings, Verbindungsstücke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

919 919 919 928 928

896 896 898

DVD 30

Inhaltsverzeichnis -1.2.2 -1.2.3 -1.3 -2 -3 -3.1 -3.1.1 -3.1.2 -3.1.3 -3.1.4 -3.1.5 -3.2 -4

Flansche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schweißverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrbefestigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kupferrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PE-Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PE-X-Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PP-Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PB-Rohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrschichtverbundrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrverbindungen, Fittings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schläuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

928 928 929 938 942 943 943 943 944 944 944 944 944

2.3.5 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.3.1 -1.3.2 -1.3.3 -1.3.4 -1.3.5 -1.3.6 -1.4 -1.5 -1.6 -1.6.1 -1.6.2 -1.6.3 -1.7 -2 -3 -3.1 -3.1.1 -3.1.2 -3.2 -3.3 -3.3.1 -3.3.2 -3.3.3 -3.4 -3.4.1 -3.4.2 -3.4.3 -3.5 -3.6

Rohrleitungszubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperrorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kugelhähne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperrklappen, dichtschließend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flanschenventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Muffenventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Muffengeradsitzventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper-Regulier- und Absperrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einrohrventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper-Verschraubung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absperrschieber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drosselklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückschlagklappen und -ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückschlagklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückschlagventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung der Rückflußverhinderer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Absperrorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dehnungsausgleicher/Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrschenkel und Rohrbögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrschenkel-Länge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festpunktkräfte an Rohrschenkel/Rohrbogen-Dehnungsausgleichern Stopfbuchsen-Ausgleicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Axialkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Lateralkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlbalg-Angularkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Universalkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Lateralkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gummibalg-Angularkompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungs- und Geräuschdämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungs-Festpunkte an Kompensatoren und Schwingungs-/ Geräuschdämpfern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festpunktkräfte an Axialkompensatoren und Schwingungs-/ Geräuschdämpfern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmerkondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Kondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Düsenableiter (Starre Ableiter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermodynamische Kondensatableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatableiterüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

945 945 945 946 947 947 948 948 948 949 949 950 950 950 951 951 952 953 953 956 956 957 957 959 959 959 960 960 961 961 961 962 962

-3.6.1 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -5

963 964 965 965 966 967 968 968

Inhaltsverzeichnis -6 -7

31 DVD

Be- und Entlüfter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstiges Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

969 972

2.3.6 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -1.8 -1.9 -2 -3 -4 -5 -5.1 -5.2

Maschinen und Apparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proportionalitätsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsanpassung, Steuerung und Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energie-Label für Heizungsumwälzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbau der Pumpen in den Vor- oder Rücklauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserstrahlpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kleindampfturbinen für Pumpenantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatrückspeisegeräte und Wasserstandsregler . . . . . . . . . . . . . . . Kondensat-Sammelbehälter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnungsgefäße und Druckhalteeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . Ausdehnungsgefäße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

973 973 973 974 975 976 977 978 982 983 983 984 985 987 987 988 997

2.3.7 -1 -1.1 -1.2 -2 -2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.2 -2.2.1 -2.2.2 -2.2.3 -2.2.4 -2.2.5 -2.3 -2.3.1 -2.3.2 -2.3.3 -2.4 -2.4.1 -2.4.2 -2.4.2.1 -2.4.2.2 -2.5 -2.6 -2.6.1 -2.6.2

Meß-, Steuer- und Regelgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzelraum-Temperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler mit Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler für Kessel und Thermen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselwassertemperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung mit unstetigem Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulierende Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung nach der Raumtemperatur – Testraumregelung . . . . . . . . . . Unstetige Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stetige Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelkreisverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzelraumregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnungsweise Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung nach der Außentemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prinzip der außentemperaturgeführten Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzfunktionen ohne Raumtemperatursensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzfunktionen mit Raumtemperatursensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung nach dem Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebedarfsgeführte Regelung ohne Außentemperatursensor . . . . . Wärmebedarfsgeführte Regelung mit Außentemperatursensor . . . . . . Auswertung der Heizungsrücklauftemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswertung des Heizkörperwärmebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselfolgeschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kommunikationsfähige Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernüberwachung und Fernbedienung von Heizungsanlagen . . . . . . . Direktanbindung der Heizungsregelung an verschiedene Bus-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler für Brennstoffzellenheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventile im Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchgangsventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiwegeventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulische Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung mit Heizungsmischern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zonenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhebung der Kesselrücklauftemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1000 1001 1001 1004 1009 1009 1009 1010 1012 1012 1012 1013 1013 1013 1015 1015 1019 1020 1020 1021 1022 1022 1023 1025 1027 1028

-3 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6

1029 1030 1031 1031 1032 1034 1036 1037 1037

DVD 32

Inhaltsverzeichnis -5 -5.1 -5.2 -6 -7 -8 -8.1 -8.2

Regler bei Umformern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie (Ausdehnungsregler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler mit Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rücklauftemperaturregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strangregulierventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist Haus-Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausautomationssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1039 1039 1040 1040 1041 1042 1043 1044

2.3.8 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10

Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plattenheizkörper (Flachheizkörper) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Guss- und Stahlradiatoren (Gliederheizkörper) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohr- und Rippenrohrheizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere freie Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fußbodenheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wandheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1047 1047 1049 1053 1056 1061 1063 1067 1068 1072 1076

2.3.9 -1 -2 -3 -4 -5 -6

Anlagen zum Korrosions- und Steinschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur physikalischen Entgasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur chemischen Sauerstoffbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur elektrochemischen Sauerstoffbindung . . . . . . . . . . . . . . . . Ionenaustauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur Umkehrosmose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1077 1077 1077 1078 1080 1080 1081

2.3.10

Wärmeverluste von Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1081

2.3.11

Schallschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085

2.4

Berechnung und Auslegung der Heizungsanlagen . . . 1088

2.4.1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10

Berechnung der Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurzer Rückblick auf bisherige Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überblick EN 12831 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Änderungen mit der EN 12831 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verknüpfung zwischen EN 12831 und nationalem Beiblatt . . . . . . . . . Schema des Rechengangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formelsammlung zum ausführlichen Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formblätter zum ausführlichen Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vereinfachtes Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kritische Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizlast für Räume und Gebäude im Bestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4.2

Auslegung der Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106

2.4.3 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.3.1 -2.3.2

Auslegung und Berechnung der Rohrnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwasserleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampf- und Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckabfall in Dampfleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nennweitenbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1088 1088 1088 1089 1090 1092 1092 1098 1100 1101 1102 1109 1109 1110 1112 1115 1121 1121 1124 1125 1125 1127

Inhaltsverzeichnis -2.3.3 -2.3.4 -3

33 DVD

Berechnung des Entspannungsdampfes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1127 Kondensatleitungsnennweiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128 Gasleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1131

2.4.4 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4

Auslegung der Raumheizeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörperheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörpergleichungen, Heizkörperexponent, Heizkörperdiagramm . Einflüsse auf die Leistungsabgabe von Raumheizkörpern . . . . . . . . . . . Korrekturen der Leistungsabgabe von Raumheizkörpern . . . . . . . . . . . Anordnung von Heizflächen und Behaglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung von Raumheizkörpern in Neuanlagen . . . . . . . . . . . Raumheizkörper in bestehenden Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenstrahlungsheizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenstrahlplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlrohr- und Kupferrohr-Deckenheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Al-Lamellen-Deckenheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hohlraum-Deckenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fußboden- und Wandheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines zur Fußbodenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung der Fußbodenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverlust in den Rohrregistern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wandheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1132 1132 1133 1133 1135 1136 1139 1140 1141 1143 1143 1145 1147 1147 1148 1148 1148 1151 1152

2.5

Ausführung der Heizung in verschiedenen Gebäudearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1153

2.5.1 -1 -1.1 -1.2 -1.2.1 -1.2.2 -1.2.3 -1.3 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -2.6

Technische und bauliche Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wahl der Heizungsart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stockwerksheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentralheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bautechnische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufstell- und Heizräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brennstofflagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilerraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1153 1153 1154 1154 1154 1154 1155 1155 1156 1156 1159 1159 1161 1162 1163

2.5.2 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -3

Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfamilienhäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Örtliche Heizung (Zimmerheizung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrzimmer-Kachelofenheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasser-Zentralheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Heizmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrfamilienhäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Örtliche Heizung (Zimmerheizung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Speicherheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stockwerkswarmwasserheizung (Etagenheizung) . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasserzentralheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Heizmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Niedrigenergiehäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1163 1165 1165 1166 1166 1167 1167 1167 1167 1167 1168 1169 1170

2.5.3

Büro- und Verwaltungsgebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1170

DVD 34

Inhaltsverzeichnis -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6

Bürogebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkessel- und Apparateraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwassererzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung der einzelnen Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1170 1170 1171 1176 1176 1176 1177

2.5.4 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4

Schulen u.ä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kesselraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1178 1178 1178 1178 1178 1178

2.5.5 -1 -2 -3 -4 -4.1 -4.2

Krankenhäuser/Kliniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeversorgungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeerzeuger im Krankenhaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besondere Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1179 1179 1179 1181 1182 1182 1182

2.5.6 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -3.6

Gebäude für Sport- oder Versammlungszwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sporthallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangshalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hallenschwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximaler Wärmeverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jährlicher Wärmeverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Privatschwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beheizungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kirchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumklimatische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jährlicher Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1183 1183 1183 1183 1183 1185 1185 1185 1186 1186 1186 1187 1188 1189 1191 1191 1191 1191 1193 1195 1195

2.5.7 -1 -2 -3 -4 -5

Freiflächenbeheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebedarf im Beharrungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1196 1196 1196 1197 1198 1198

2.6

Verbrauchsgebundene Kosten der Heizung und Warmwasserbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1199

2.6.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1199

2.6.2

Grundgleichungen des Jahresheizenergiebedarfs . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1201

2.6.3

Heizwärmebedarf und Nutzwärmebedarf der Warmwasserbereitung .

1202

Inhaltsverzeichnis -1

35 DVD

-2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Heizzeit, Heizperiode, Gradtagszahl sowie mittlere Innen- und Außentemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmissionswärmebedarf QT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungswärmebedarf QV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solare Strahlungswärme QS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innere Fremdwärme QI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzwärmebedarf für die Warmwasserbereitung Qw . . . . . . . . . . . . . . Regenerative Energien Qr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrzonengebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1202 1203 1204 1204 1205 1206 1206 1206

2.6.4 -1 -2 -3 -4

Jahresenergiebedarf der Heizung und Warmwasserbereitung . . . . . . . Wärmeübergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1206 1207 1207 1209 1210

2.6.5

Eingeschränkter Heizbetrieb, Einfluß der Regelung der Wärmeabgabe 1217

2.6.6

Jahresenergiekosten, Jahresbrennstoffverbrauch und Jahresprimärenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1219

2.6.7

Übersicht der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1221

3

LÜFTUNGS- UND KLIMATECHNIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223

3.1

Grundlagen der Lufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223

3.1.1

Aufgaben der Lufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223

3.1.2

Einteilung der Lufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224

3.1.3 -1 -2 -3

Terminologie bei RLT-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sinnbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1225 1225 1226 1227

3.2

Lüftungs- und Klimatisierungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 1228

3.2.1 -1 -2 -3 -4

Freie Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fugenlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fensterlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schachtlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dachaufsatz-Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1228 1228 1228 1230 1230

3.2.2 -1 -2 -3 -3.1 -3.1.1 -3.1.2 -3.2 -3.3 -4 -4.1 -4.1.1 -4.1.2 -4.1.3 -4.2 -4.3 -5

RLT-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nur-Luft-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einkanalanlagen mit konstantem Luftvolumenstrom (KVS-Anlagen) Einzonen-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrzonen-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einkanalanlagen mit variablem Luftvolumenstrom(VVS-Anlagen) . . Zweikanalanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Wasser-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweirohr-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreirohr-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vierrohr-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLT-Anlagen mit Gebläsekonvektoren (Fan-Coil-Anlagen) . . . . . . . . Fassadenlüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Kältemittel-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1233 1233 1236 1237 1237 1237 1238 1239 1240 1241 1241 1244 1244 1244 1245 1246 1248

DVD 36

Inhaltsverzeichnis

3.2.3 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -2 -3 -4 -5 -6 -7

Thermisch aktive Raumflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestaltungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Behaglichkeitsanforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse von Behaglichkeitsuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieeinsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühldecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlkonvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massivdeckenkühlung (Betonkernaktivierung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierte Kühl- und Heizdecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierte Kühl- und Heizwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierter Kühl- und Heizboden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1250 1250 1250 1254 1255 1257 1258 1265 1267 1273 1275 1275

3.3

Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276

3.3.1 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -2 -2.1 -2.2 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5

Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschwindigkeitsdreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eulersche Strömungsmaschinengleichung für Ventilatoren . . . . . . . . . Dimensionslose Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proportionalitätsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebspunkt des Ventilators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatorbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radialventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Axialventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten von Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parallel- und Serienbetrieb von Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anfahrbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl eines Ventilators1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbau des Ventilators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1276 1276 1276 1277 1278 1280 1281 1282 1284 1284 1287 1289 1289 1290 1292 1292 1293

3.3.2 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -2 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5

Lufterwärmer und Luftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufterwärmer für Dampf und Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl der Lufterwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrechnung auf Garantiewerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Lufterwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühler-Kennbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühler mit Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umrechnung auf Garantiewerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1294 1294 1294 1295 1296 1296 1298 1299 1302 1304 1306 1306 1306 1308 1310 1310

3.3.3 -1 -2 -3 -4 -4.1 -4.2 -4.3

Luftfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filtertheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filterprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckdifferenzen, Standzeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filterbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metallfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faserfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktivkohlefilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1311 1311 1313 1315 1316 1316 1317 1319

ATEX Die ATEX-Richtlinien verpflichten Planer, Errichter und Betreiber zum Personenund Sachschutz vor Explosionsgefahren. Wir bieten Lösungen für RLT-Geräte. Auch wetterfest oder in Hygiene-Ausführung. Inklusive ATEX-konformer MSR-Technik.

Robatherm_125x205_4c 1

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Inhaltsverzeichnis

37 DVD

-4.4 -4.5 -4.6 -4.7

Elektrofilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automatische Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrstufige Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige und Spezialfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1320 1321 1323 1324

3.3.4 -1 -1.1 -1.1.1 -1.1.1.1 -1.1.1.2 -1.1.2 -1.1.2.1 -1.1.2.2 -1.1.2.3 -1.1.2.4 -1.1.2.5 -1.2 -1.2.1 -1.2.2 -1.2.3 -1.2.4

Luftbefeuchter und Luftentfeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftbefeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adiabate Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdunstungs-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umlauf-Sprühbefeuchter (Luftwäscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontaktbefeuchter (Rieselbefeuchter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zerstäubungs-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Düsenzerstäuber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Zerstäuber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ultraschall-Zerstäuber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochdruck-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hybrid-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampf-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Dampf-Luftbefeuchter mit Elektrodenheizung . . . . . . . . . . Elektrische Dampf-Luftbefeuchter mit Widerstandsheizung . . . . . . . . Gasbeheizte Dampf-Luftbefeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampf-Luftbefeuchter für vorhandenen Dampf (Druckdampf-Luftbefeuchter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtungsstrecken bei Dampf-Luftbefeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtungsstrecken bei adiabaten Luftbefeuchtern . . . . . . . . . . . . . . Hygieneanforderungen an die Luftbefeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biofilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser-Aerosole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Luftbefeuchtungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Dampf-Luftbefeuchtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raum- bzw. Abluft-Feuchteregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluft-Feuchteregelung mit stetiger Zuluft-Feuchtebegrenzung . . . . . Zuluft-Feuchteregelung mit stetiger Leistungsvorgabe . . . . . . . . . . . . . Regelung von adiabaten Luftbefeuchtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Taupunkt-Feuchteregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enthalpie-Feuchteregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftentfeuchter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfeuchtungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adsorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftentfeuchtungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1325 1325 1326 1326 1326 1327 1328 1328 1329 1329 1329 1330 1330 1330 1331 1332 1332 1334 1336 1337 1337 1337 1338 1338 1338 1339 1340 1340 1340 1340 1341 1341 1341 1342 1342 1344

Luftverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlblech und Al-Blech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mauerwerk und Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plattenkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexible Rohre, Schläuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverluste von Luftleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftauslässe (Zuluft-Durchlässe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gliederung der Luftführungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ähnlichkeitstheorie der Raumluftströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1346 1346 1346 1346 1348 1348 1348 1348 1349 1356 1357 1357 1357 1360

-1.2.5 -1.2.6 -1.3 -1.3.1 -1.3.2 -1.4 -1.4.1 -1.4.1.1 -1.4.1.2 -1.4.1.3 -1.4.2 -1.4.2.1 -1.4.2.2 -2 -2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.1.3 -2.2 3.3.5 -1 -1.1 -1.1.1 -1.1.2 -1.1.3 -1.1.4 -1.1.5 -2 -3 -4 -4.1 -4.1.1 -4.1.2

DVD 38

Inhaltsverzeichnis -4.1.3 -4.2 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6 -4.7 -5

1361 1366 1370 1373 1375 1380 1381

-5.1 -5.1.1 -5.1.2 -5.2 -5.3 -6 -7 -7.1 -7.2 -7.3

Strahlgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deckenluftauslässe für turbulente Mischlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wandluftauslässe für turbulente Mischlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bodenluftauslässe für turbulente Mischlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quellüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stuhl- und Stufenauslässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstromregler, Variable Volumenstrom-(VVS-), Einkanal-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstromregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selbsttätige Volumenstromregler ohne Fremdenergie . . . . . . . . . . . . . . Volumenstromregler mit Fremdenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Variable Volumenstrom-Geräte (Einkanalgeräte) . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelungsmöglichkeiten VVS-Anlagen und Raumdruckregelung . . . . Sonstiges Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung von Luftleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftverteilung in einem Kanalstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilung des Luftstromes im verzweigten Kanalsystem . . . . . . . . . . . Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.6 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -2 -2.1 -2.2 -3 -4 -4.1 -4.1.1 -4.1.2 -4.1.3 -4.1.4 -4.1.5 -4.1.6 -4.2 -4.2.1 -4.2.2 -4.2.3 -4.2.4 -4.2.5 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6 -5 -6 -6.1 -6.2 -6.3 -7 -8

Geräuschminderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräuschentstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatorgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kanal- und Luftdurchlassgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorgeräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drosselklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräuschfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körperschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräuschniveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschalldämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natürliche Schalldämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . In geraden Kanälen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kanalumlenkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kanalverzweigungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Querschnittssprünge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftdurchlässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Schallpegelabnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Künstliche Schalldämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorptionsschalldämpfer, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Telefonieschalldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resonanz- und Relaxationsschalldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktive Schalldämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallpegel im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akustische Anlagenberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalldämpferauslegung zum Berechnungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Körperschalldämmung und Schwingungsisolierung . . . . . . . . . . . . . . . Grundsätzliche Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauelemente zur Körperschalldämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauelemente zur Schwingungsisolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entdröhnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauakustische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1395 1396 1396 1401 1403 1403 1403 1403 1404 1404 1406 1406 1406 1407 1409 1409 1410 1411 1411 1411 1416 1417 1417 1419 1420 1422 1423 1427 1428 1431 1431 1432 1436 1438 1439

3.3.7

Mess-, Steuer- und Regelgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1439

1384 1384 1386 1386 1387 1387 1388 1391 1391 1392 1394

Inhaltsverzeichnis -1 -1.1 -1.1.1 -1.1.2 -1.2 -1.3 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -9.1 -9.2 -9.3 -9.3.1 -9.3.2 -9.4

39 DVD

Regler (Regelgeräte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler ohne Hilfsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unmittelbare Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanisch-elektrische Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pneumatische Regler (Druckluftregler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturfühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuchtefühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckfühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enthalpie-Fühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Fühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stellantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stellventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stellklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstiges Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frostschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikroelektronik (DDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DDC-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Leittechnik (ZLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DDC-Einzelraumregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Möglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzwerke für die Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1440 1440 1440 1441 1443 1449 1450 1450 1451 1453 1455 1455 1455 1459 1469 1470 1471 1476 1477 1477 1483 1486 1486 1489 1489 1492 1492

-3 -4 -5 -6 -7 -8

Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regenerativ-Wärmeaustauscher mit umlaufender Speichermasse (Rotationswärmeaustauscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreislaufverbundsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapillarventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Platten-Wärmeaustauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umschalt-Wärmerückgewinner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3.9 -1 -2 -3 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -5 -5.1 -5.2 -5.3 -6 -7 -8 -8.1 -8.1.1 -8.1.2 -8.1.3 -8.1.4

Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Richtlinien und Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baustoffe und Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungszentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungsleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuerwiderstandsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführung feuerwiderstandsfähiger Lüftungsleitungen . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brandschutz-Absperrvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wartung von Absperrvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz vor Rauchübertragung durch lufttechnische Anlagen . . . . . . . . Besondere Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagen zur Rauch- und Wärmefreihaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natürlich wirkende Rauchabzugsanlagen (NRA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung der NRA in Dächern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NRA in Bauten besonderer Art und Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NRA in außenliegenden Treppenräumen und Aufzugschächten . . . . .

1509 1509 1511 1517 1518 1518 1519 1521 1523 1523 1525 1530 1530 1532 1534 1534 1534 1536 1539 1539

3.3.8 -1 -2

1497 1501 1503 1503 1505 1507 1508

DVD 40

Inhaltsverzeichnis -8.1.5 -8.2 -8.2.1 -8.2.2 -9 -10 -10.1 -10.2 -10.2.1 -10.2.2 -10.2.3 -10.3 -10.3.1 -10.3.2 -10.3.3 -10.3.4 -10.3.5 -10.3.6 -10.3.7 -10.3.8 -10.4 -10.5 -10.6 -11 -11.1 -11.2 -11.2.1 -11.2.2 -11.2.3 -11.3 -11.3.1 -11.3.2 -11.4

Wartung von NRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinelle Rauchabzugsanlagen (MRA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung, Anforderungen und Einbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestandteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rauchfreihaltung innenliegender Treppenräume . . . . . . . . . . . . . . . . . Rauch- und Wärmefreihaltung innenliegender Räume mit Differenzdrucksystemen – DIN EN 12101-6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines, Aufgaben, Anlagen-Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Merkmale eines Differenzdrucksystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäudekonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Zu- und -Abführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überdruckentlastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bereiche, die druckbelüftet werden müssen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nur Treppenräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenräume und Vorräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenraum und Vorraum mit Luftabführung über Korridor . . . . . Treppenraum, Vorraum und Korridor als geschützter Rettungsweg . . Treppenraum und Aufzugsschacht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenräume und Korridore mit Luftabführung aus dem Nutzbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Treppenräume und Luftabführung aus Korridoren/Vorraum . . . . . . . Treppenraum, Vorräume und Aufzugsschächte . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckbelüftung von zu schützenden Räumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckentlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Bauteile von Druckbelüftungs- und Druckentlüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ingenieurverfahren zur Bemessung von Anlagen zur Rauchableitung aus Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung und Anwendungsgrenzen der Verfahren . . . . . . . . . . . . Zonenmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CFD-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vereinfachtes zonenmodellbasiertes Berechnungsverfahren nach VDI 6019-2 zur Dimensionierung von Anlagen zur Rauchabfuhr . . . . Natürliche Rauchabzugsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinelle Rauchabzugsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusätzliche Hinweise für die Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1540 1540 1540 1548 1551 1553 1553 1556 1556 1556 1557 1557 1557 1557 1558 1558 1558 1558 1559 1559 1559 1560 1561 1561 1561 1562 1562 1564 1565 1566 1566 1570 1570

3.4

Lüftungstechnische Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1571

3.4.1 -1 -1.1 -1.2 -1.2.1 -2 -3 -3.1 -3.2 -3.3

Zentrale Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau der Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte in Kastenbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte in Kammerbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte in Schrankbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplettgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für besondere Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygienegeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Bereiche) . . . . . . . . . . . Wetterfeste Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1573 1573 1573 1575 1576 1579 1579 1579 1581 1586

3.4.2 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -2

Dezentrale Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für Wassersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebläsekonvektoren (Fan Coils) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fassadenlüftungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für Direktverdampfungssysteme – Splitgeräte . . . . . . . . . . . . . .

1587 1587 1587 1588 1589 1591

Inhaltsverzeichnis

41 DVD

-2.1 -2.1.1 -2.1.2 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5

Leistungsregelung der Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Non Inverter Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Invertersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einraumgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrraumgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für komplexe Systeme (VRF-Systeme) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte für Sonderanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1592 1592 1593 1593 1593 1594 1594

3.4.3 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.2.1 -2.2.2 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -4

Sondergeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sorptionsgestützte Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftheizgeräte für Wasser und Dampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direktbefeuerte Luftheizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbefeuerte Warmlufterzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölbefeuerte Warmlufterzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschleier (Lufttüren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ozongeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1595 1595 1597 1597 1601 1601 1604 1607 1607 1607 1607 1608 1609 1611

3.5

Berechnung der Lüftungs- und Klimaanlagen . . . . . . . . 1612

3.5.1 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.5.1 -1.5.2 -1.5.3 -2 -3 -4

Lüftungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftstrom (Luftvolumenstrom) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung nach dem stündlichen Außenluftwechsel . . . . . . . . . . . . . Bestimmung nach der Außenluftrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung nach der Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung nach der Luftverunreinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gütegrade der Lüftung (Lüftungseffektivität) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schadstoffabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhänge mit deutscher Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufterwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.2 -1 -2

Luftheizanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1622 Luftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1622 Lufterwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1622

3.5.3 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -6.1 -6.2 -6.3 -6.4 -7 -8 -8.1 -8.2 -8.3

Luftkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Von Menschen abgegebene Wärme Q·P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Von Maschinen abgegebene Wärme Q·M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmissionswärme durch Wände Q·w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmedurchgang durch Fenster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beleuchtungswärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherung der Sonnenwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherung der Beleuchtungswärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Abkühlwärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiel einer Kühllastberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wahl der Berechnungszeitpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1612 1612 1612 1612 1613 1613 1617 1618 1619 1621 1621 1621 1621

1623 1623 1623 1625 1630 1640 1644 1644 1645 1652 1653 1654 1654 1654 1654 1655

DVD 42

Inhaltsverzeichnis -8.4 -8.4.1 -8.4.2 -8.4.3 -8.5 -8.6 -9

Durchführung der Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Juli, 10 Uhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Juli, 17 Uhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . September . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnis der Kühllastberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkanäle und Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1655 1655 1657 1658 1659 1660 1661

3.5.4 -1 -2 -3

Luftbefeuchtungsanlagen mit Luftwäscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischung von Außenluft und Umluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorerwärmung der Außenluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wassererwärmung durch Gegenstromapparat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1662 1662 1663 1663

3.5.5 -1 -2

Luftentfeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665 Kühlmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665 Adsorptionsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1667

3.5.6 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5

Klimaanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sommerbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trocknungslast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufteintrittszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nacherwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Winterbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtungslast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lufteintritt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Befeuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nacherwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.6

Ausführung der Lüftung in verschiedenen Gebäude- und Raumarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675

3.6.1 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -2.6 -2.7 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5

Technische und bauliche Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsgebiete / Gebäudenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungs- und Luftbehandlungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftdurchlässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerung, Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygiene und Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inbetriebnahme und Abnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bautechnische Entscheidungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumlufttechnische Zentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftleitungen (Kanäle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Montage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1675 1675 1676 1676 1676 1677 1680 1681 1681 1681 1681 1681 1682 1686 1686 1687

3.6.1 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4

Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fensterlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnungslüftung ohne Ventilator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1687 1687 1687 1687 1688 1689

1668 1668 1668 1668 1669 1669 1669 1669 1669 1670 1670 1670 1670 1670 1670

WIR KÖNNEN AUCH NOCH KLEINER! Das weltweit kleinste VRF-Innengerät.

WER PASSGENAU PLANT … … reduziert Investitions- und Energiekosten! Schluss mit Überdimensionierungen: Jetzt bietet Mitsubishi Electric das einzige VRF-Innengerät weltweit mit nur 1,7 kW Kälte- und 1,9 kW Heizleistung an – somit die ideale Wahl für kleine Räume. Das neue Kanaleinbaugerät benötigt gerade mal 200 mm Einbauhöhe und zählt mit 22 dB(A) zu den leisesten Geräten überhaupt. Wer dann noch weiß, dass bis zu 50 Kanaleinbaugeräte an nur eine Außeneinheit angeschlossen werden können, für den kommt es nicht überraschend, dass die Kunden es einfach lieben.

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26.09.2008 8:45:59 Uhr

Inhaltsverzeichnis -1.5

43 DVD

Mechanische Wohnungslüftungsanlagen ohne Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung . . . . . . . . Wärmerückgewinner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauaufsichtliche Zulassung und Übereinstimmungs-Zeichen . . . . . . . Energiebedarf und Leistungskennzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieeinsparung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wohnungslüftung in Mehrfamilienhäusern mit WRG . . . . . . . . . . . . .

1689 1689 1690 1690 1691 1691 1691 1691 1692

3.6.2 -1 -2 -3 -4 -4.1 -4.1.1 -4.1.1.1 -4.1.2 -4.1.2.1 -4.1.2.2 -4.1.2.3 -4.1.2.4 -4.1.2.5 -4.1.3 -4.1.3.1 -4.2 -4.2.1 -4.2.2 -4.2.3 -5 -6 -7 -8

Büro- und Verwaltungsgebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen aus der EnEV 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klima- und Lüftungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systembeschreibungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Luftaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nur-Luft-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einkanalanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Wasser-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühldecke mit Grundlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauteilaktivierung mit Grundlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Passive Kühlkonvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fan-Coil-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luft-Kältemittel-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VRF-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dezentrale Luftaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fassadenlüftungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PCM-Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hybridsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühllastansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahresenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bau- und Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1693 1693 1695 1697 1700 1700 1700 1701 1703 1703 1706 1710 1715 1717 1719 1720 1723 1725 1727 1729 1729 1731 1738 1739

3.6.3 -1 -2 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -3.6 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6 -4.7

Schulen, Museen u.ä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Größere Schulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hörsäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Museen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klimaanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energetische Bewertung von Klimaanlagen für Museen . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1742 1742 1743 1743 1743 1743 1744 1745 1746 1746 1746 1746 1746 1748 1749 1750 1751 1752

3.6.4 -1 -2

Krankenhäuser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1752 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1752 DIN 1946-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1753

-1.6 -1.6.1 -1.6.2 -1.6.3 -1.6.4 -1.6.5 -1.6.6 -1.6.7

DVD 44

Inhaltsverzeichnis -3 -4 -4.1 -4.2 -5 -5.1 -5.2 -5.3 -5.4 -5.5 -5.6

Verwaltungsräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bettenstationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bettenräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nebenräume (Betriebsräume) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operationsräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgabe der RLT-Anlage im Operationsraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prinzipien der Raumströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keimzahl und Infektionshäufigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontaminationsgrade verschiedener OP-Decken . . . . . . . . . . . . . . . . . RLT-Gerät und Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1754 1757 1757 1759 1759 1759 1760 1762 1762 1765 1766

3.6.5 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6

Gebäude des Hotelgewerbes u.ä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hotels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Örtliche Heizung mit zentraler Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilatorkonvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumklimageräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsgeräte unter Fenstern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionsgeräte mit variablem Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1767 1767 1767 1767 1768 1768 1768 1769

3.6.6 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13

Verkaufsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschriften, Richtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftvolumenströme und Raumlufttemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . Reinigung der Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zugfreiheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschleier an den Eingängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLT-Anlagensysteme für Verkaufsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Planungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenverbund in besonderen Fällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiebedarf für Lüftungsanlagen in Verkaufsstätten . . . . . . . . . . . . . Einkaufszentren (EKZ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1770 1770 1770 1770 1772 1772 1772 1772 1772 1773 1774 1775 1775 1775

3.6.7 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.3.1 -1.3.2 -1.3.3 -1.4 -1.4.1 -1.4.2 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -2.6 -2.7 -3 -3.1 -3.2

Betriebsgebäude und -anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fertigungsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Belüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen für die Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stofflasten und Stoffgrenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmelasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Behaglichkeit – Erträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung der Zu- und Abluftströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schichtlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laboratorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumluftzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitswerkbänke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akkumulatorenräume (Batterieräume) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1776 1776 1776 1776 1777 1777 1778 1779 1780 1780 1781 1787 1787 1787 1788 1789 1789 1790 1790 1791 1791 1791

Inhaltsverzeichnis -3.3 -3.4 -3.5 -3.6 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6 -5 -6 -6.1 -6.2 -6.3 -6.4 -6.5 -6.6 -7 -7.1 -7.2 -7.3 -7.4 -7.5 -7.6 -7.7 -8 -8.1 -8.2 -8.3 -8.3.1 -8.3.2 -8.3.3 -8.3.4 -8.4 -8.4.1 -8.4.2 -8.4.3 -8.4.4 -8.4.5 -8.4.6 -8.4.7 -8.4.8 3.6.8 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -1.7 -1.8 -2 -2.1

45 DVD

Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Säureabscheider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahl-Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . EDV-Anlagen, Telefonvermittlungssysteme, CAD-Arbeitsplätze . . . . . Klimageräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendung der freien Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rückgewinn der Verflüssigungswärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Kühlung von Computereinheiten mit Kaltwasser . . . . . . . . . . Kleine Computersysteme im Kühllastbereich von ca. 2…20 kW . . . . . Verflüssiger luft- oder wassergekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klimaprüfkammern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reinraumtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Partikelquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reinraumklassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwebstofffilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lackieranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzstände (Spritztische) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzkabinen (Spritzkammern) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Automatische Spritzkabinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zuluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Textilbetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben der Textillufttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RLT-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersättigungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konventionelle Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitszonen-Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischtes Klimatisierungssystem für Webereien . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Textilluft-Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trommelfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paneel-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ModulDrumfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vliesdrehfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftwäscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wanderreiniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faserkompaktor, Ballenpresse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brikettierpresse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1792 1792 1792 1792 1793 1794 1795 1795 1796 1796 1796 1796 1798 1798 1799 1800 1800 1802 1805 1808 1808 1808 1809 1809 1810 1810 1810 1811 1811 1812 1813 1813 1813 1814 1815 1816 1816 1817 1817 1818 1818 1818 1819 1819

Gebäude für Sport- und Versammlungszwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hallenschwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdunstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Privatschwimmbäder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umkleideräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Theater, Saalbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1819 1819 1819 1819 1820 1821 1822 1822 1823 1823 1824 1824

DVD 46

Inhaltsverzeichnis -2.2 -2.3 -2.4 -2.5 -2.6 -2.7

Kühlmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagenschema und Luftführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftvolumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1824 1824 1826 1826 1827 1827

3.6.9 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.4.1 -1.5 -1.6 -1.7 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5

Sonstige Gebäude und Gebäudeteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Garagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasmengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Lüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impuls Ventilations Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CO-Warnanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nebenräume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brandfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten verschiedener Lüftungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tierställe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stallklima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1827 1827 1827 1827 1828 1828 1828 1829 1830 1831 1831 1831 1832 1832 1833 1833 1836 1841 1841 1841

3.6.10 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.4.1 -1.5 -1.5.1 -1.5.2 -1.6 -1.6.1 -1.6.2 -1.6.3 -1.6.4 -1.6.5 -1.6.6 -1.7 -1.8 -1.8.1 -1.8.2

Sonstige Räume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Küchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schadstoffsituation in Küchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freisetzungsprozesse von Schadstoffen und Wärme . . . . . . . . . . . . . . . Ablufterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Küchenlüftungsdecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Varianten der Luftzuführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mischströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schichtströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung Raumlufttechnischer Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermikluftstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfassungsluftstrom für Küchenlüftungshauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zuluftstrom/Abluftstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abluftströme in Verbindung mit Küchenlüftungshauben . . . . . . . . . . Abluftströme in Verbindung mit Küchenlüftungsdecken . . . . . . . . . . . Kontrollrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abschätzen der Luftströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Behaglichkeit – Erträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygiene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1842 1842 1842 1842 1842 1843 1843 1844 1844 1844 1846 1846 1846 1846 1849 1849 1849 1850 1850 1850 1850

3.7

Industrielle Absaugungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1851

3.7.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1851

3.7.2 -1 -2 -3 -4

Erfassungseinrichtungen und Absauganlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Saugöffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Saugöffnungen mit Flansch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saughauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugschlitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1852 1852 1852 1853 1853

Inhaltsverzeichnis -5 -6 -7

47 DVD

Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854 Brand- und Explosionsgefahr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854 Geschwindigkeiten in Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1854

3.7.3 -1 -2 -3 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -5

Geschwindigkeitsfelder bei Saugöffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie Saugöffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugöffnung mit Flansch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saughauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberhauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seitenhauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterhauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugschlitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1855 1855 1856 1857 1858 1858 1859 1859 1859

3.7.4 -1 -2 -3 -4

Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberhauben über Tischen, Behältern, Bädern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seitenhauben auf Arbeitstischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterhauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugschlitze bei Bädern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1860 1860 1861 1862 1862

3.7.5 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -2 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -4 -5 -6 -7

Ausführung der Erfassungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absaugen mittels Hauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oberhauben für Bäder, Herde, Abkühlflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schlitzabsaugung bei Bädern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Badabsaugung mit Luftschleier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trockenöfen, Backöfen, Verbrennungsöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Putz- und Schleiftische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinenabsaugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schleif-, Polier- und Schwabbelscheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölnebelabsaugung bei Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Holzbearbeitungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sack- und Fassfüllung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transport und Bearbeitung von Schüttgütern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentrale Staubsauganlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ortsveränderliche Erfassungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1864 1864 1864 1866 1867 1867 1868 1868 1871 1871 1872 1872 1875 1875 1876 1876

4

WARMWASSERVERSORGUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879

4.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879

4.1.1

Aufgabe der Warmwasserversorgung (WWV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879

4.1.2

Anforderungen an die WWV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879

4.1.3

Einteilung der WWV-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1879

4.1.4

Graphische Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1880

4.1.5

Bestimmungen zur Sicherheit und Energieeinsparung . . . . . . . . . . . . . 1882

4.2

Wasser-Erwärmungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1883

4.2.1 -1 -2 -2.1 -2.2 -2.2.1 -2.2.2 -2.3 -2.4

Einzel- und Gruppenversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kohle- und ölbeheizte Speicherwassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrowassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tauchsieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrowarmwasserspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Offene Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossene Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrodurchflußwassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrodurchlaufspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1883 1883 1883 1883 1883 1883 1885 1886 1887

DVD 48

Inhaltsverzeichnis -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -3.6

Gas-Wassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchflußgaswassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas-Vorratswasserheizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regel- und Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierte Geräte für Wassererwärmung und Heizung . . . . . . . . . . Gasverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1888 1888 1888 1889 1890 1892 1892

4.2.2 -1 -2 -3 -3.1 -3.2 -4 -4.1 -4.2 -4.3 -4.4 -5 -6

Zentrale Wasser-Erwärmungsanlagen (ZWE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasser-Erwärmungsanlagen nach dem Speichersystem . . . . . . . . . . . . Warmwassererzeugungsanlagen nach dem Durchfluß-System . . . . . . Warmwasser-Temperaturbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innere Warmwasser-Temperaturbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äußere Warmwasser-Temperaturbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anschluß des Warmwassererzeugers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zentralheizungen mit einem Kessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sommer- und Winterkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zirkulationsleitung, Begleitheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1892 1893 1895 1897 1898 1898 1899 1899 1899 1900 1900 1904 1904

4.2.3

Wärmepumpen zur Warmwassererzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1906

4.3

Bestandteile der Wasser-Erwärmungsanlagen . . . . . . . 1908

4.3.1

Wärmeerzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1908

4.3.2

Speicher-Wassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1912

4.3.3

Ladespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1913

4.3.4

Durchfluss-Wassererwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1915

4.3.5

Mischapparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916

4.3.6

Korrosions- und Steinschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1918

4.3.7

Hygiene-Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1919

4.4

Berechnung der Wasser-Erwärmungsanlagen . . . . . . . . 1922

4.4.1

Warmwasserbedarf und Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1922

4.4.2 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -3

Wärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung mit dem Gleichzeitigkeitsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speichersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchflußsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernwärmeversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung nach der Leistungskennzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einheitswohnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Warmwasserbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungskennzahl des Wassererwärmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung nach der Verbrauchskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1926 1926 1926 1927 1928 1929 1930 1931 1931 1932

4.4.3

Kesselleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1932

4.4.4 -1 -2 -3

Speicherinhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speichersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchflusssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfahrungsformeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4.5

Speicherheizfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1936

4.4.6

Ausdehnungsgefäß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1937

1934 1934 1935 1935

Inhaltsverzeichnis

49 DVD

4.4.7 -1 -2 -2.1 -2.2 -3 -4

Rohrnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasser- und Warmwasserleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zirkulationsleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umwälzpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überschlagswerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1937 1938 1942 1943 1946 1947 1947

4.4.8

Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1947

5

KÄLTETECHNIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1951

5.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1951

5.2

Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1952

5.2.1 -1 -2 -3 -4

Kaltdampf-Kompressionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisprozess der Kaltdampfmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiebilanz, Temperaturdifferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit, Leistungszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2

Kaltluft-Kompressionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1963

5.2.3 -1 -2 -3 -4

Absorptionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiebilanz, Temperaturdifferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit, Wärmeverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisprozess der Absorptionsmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1964 1964 1965 1965 1966

5.2.4 -1 -2 -3 -4

Adsorptionskälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreisprozess der Adsorptionskältemaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmeverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1967 1967 1969 1970 1971

5.2.5

Dampfstrahlkälteprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1971

5.2.6

Thermoelektrische Kälteerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1972

5.2.7

Primärenergie-Nutzungszahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1973

1952 1952 1953 1958 1960

5.3

Betriebsmittel für Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1974

5.3.1

Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1974

5.3.2

Arbeitsstoffpaare für Absorptionsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1983

5.3.3

Kältemaschinenöl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1984

5.3.4

Sole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1985

5.4

Bauelemente für Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1988

5.4.1 -1 -2 -3 -4 -5

Verdrängungsverdichter (-kompressoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hubkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schraubenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rollkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spiral-(Scroll)-Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1988 1988 1993 1995 1995 1996

5.4.2

Turboverdichter (-kompressoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1996

5.4.3 -1

Verflüssiger (Kondensatoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1999 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1999

DVD 50

Inhaltsverzeichnis -2 -3 -4

Wassergekühlte Verflüssiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2000 Luftgekühlte Verflüssiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2003 Verdunstungsverflüssiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2004

5.4.4 -1 -2 -2.1 -2.2 -3 -4

Verdampfer (Kühler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfer zur Kühlung von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrbündelverdampfer mit trockener Verdampfung . . . . . . . . . . . . . . Rohrbündelverdampfer für überfluteten Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühler für direkte Verdampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plattenwärmeaustauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2004 2004 2006 2006 2007 2008 2010

5.4.5 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

Sonstige Bauteile im Kältemittelkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemitteltrockner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemittelschaugläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemittelsammler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölabscheider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überhitzer (Wärmeaustauscher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2011 2011 2011 2011 2011 2011 2012 2012

5.4.6

Verdichterantriebsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012

5.4.7 -1 -1.1 -1.2 -1.3 -1.4 -1.5 -1.6 -2 -2.1 -2.2 -2.3 -3 -3.1 -3.2 -3.3 -3.4 -3.5 -4 -5 -5.1 -5.1.1 -5.1.2 -5.2 -5.3 -5.4 -5.5 -5.6 -5.7 -5.8 -5.9 -6

Mess-, Steuer- und Regelgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältemittelmengenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapillarrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermostatisches Expansionsventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronisches Expansionsventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrfacheinspritzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwimmerregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expansionsturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltende Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturschalter (Thermostate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckschalter (Pressostate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbundsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regler im Kältemittelkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdampfungsdruckregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Startregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsregler (Heißgasbeipassregler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlwasserregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheit gegen Überdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitsschalteinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckentlastungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unterdruckschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öldifferenzdruckschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Überstromauslöser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wicklungsthermostate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorvollschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckrohrthermostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frostschutzthermostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungswächter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensat-Abführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.4.8 -1 -2

Wasserrückkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2022 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2022 Ausführung offener Rückkühlwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2025

2013 2013 2013 2013 2015 2015 2016 2016 2016 2016 2016 2016 2016 2017 2017 2018 2018 2018 2018 2019 2019 2019 2020 2020 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2021 2022

Inhaltsverzeichnis -3 -4

51 DVD

Betrieb offener Rückkühlwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2027 Geschlossene Rückkühlwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2029

5.5

Ausführung von Kälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2031

5.5.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2031

5.5.2 -1 -2 -3 -4

Direkte Kühlung – Luftkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kältesätze für Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kälteanlagen für Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftkühlung mit Absorptionsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2032 2032 2033 2034 2034

5.5.3 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7

Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Hubkolbenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Schraubenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Turboverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Absorptionsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung mit Dampfstrahlmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkühlung thermoelektrisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2035 2035 2037 2041 2043 2044 2048 2050

5.5.4 -1 -2 -3 -4 -5

Thermische Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Benzin- und Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2050 2050 2050 2051 2051 2051

5.5.5 -1 -2 -3 -4 -5

Fernkälteanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fernkältezentralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heiz-Kraft-Kälte-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwassernetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlwassernetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2052 2052 2053 2054 2054 2054

5.5.6

Kältemittel-Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2055

5.5.7

Kaltwasser-Rohrnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2058

5.6

Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung . . . . . . 2060

5.6.1 -1 -2

Dimensionierung der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2060 Luftkühlanlagen für direkte Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2060 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2060

5.6.2 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Teillastverhalten von Kältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfluß der Verflüssigungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfluß der Wärmeaustauschflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Turboverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Schraubenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Hubkolbenverdichtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten von Absorptionskältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . Teillastverhalten im Wärmepumpenbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aussagen zum Teillastverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2061 2061 2062 2062 2065 2065 2068 2068 2069

5.6.3 -1 -2 -3 -4

Auslegung der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Investitionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsaufteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahres-Energieverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2069 2070 2070 2072 2072

DVD 52

Inhaltsverzeichnis

5.6.4 -1 -2 -3 -4 -5

Kältespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherdichte = Speicherkapazität (Kältespeicher) . . . . . . . . . . . . . . . Eisspeicher, Funktion, Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auslegung des Kältespeichers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung und optimales Zeitprogramm (Eisspeicher) . . . . . . . . . . . . . Kosten, Wirtschaftlichkeit (Eisspeicher) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2073 2074 2074 2076 2078 2078

5.6.5 -1 -2 -3 -4

Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizung mit Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschlossener Kühlwasserkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusätzlicher Heizwasserkreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2080 2081 2082 2082 2083

5.7

Regelung von Luftkühlanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2085

5.7.1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Regelung bei direkter Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein-/Aus-Schaltung des Verdichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Saugdruckregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturregler im Kältekreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsregler im Kältekreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftseitige Beipass-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung mit Verdampfer-Unterteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsgeregelte Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung von Temperatur und Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2085 2085 2086 2086 2086 2087 2088 2088 2089

5.7.2 -1 -2 -3

Regelung bei indirekter Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasser-Mengenregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasser-Beimischregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftseitige Beipass-Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2090 2090 2090 2090

5.7.3 -1 -2

Regelung des Kaltwasserkreislaufes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasserkreislauf mit einer Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kaltwasserkreislauf mit mehreren Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2091 2091 2092

5.7.4

Regelung der Wasserkühlsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2092

5.8

Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2094

5.8.1

Aufstellungsbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2095

5.8.2

Kälteübertragungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2096

5.8.3

Kältemittelgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2096

5.8.4

Aufstellungsvorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2097

5.8.5

Maschinenraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2099

5.8.6

Geräuschentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2101

6

ANHANG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2103

6.1

Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2103

6.1.1 -1 -2 -3 -4 -5

Rechtsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauordnungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauplanungsrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheits- und Gewerberecht1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Immissions- und Umweltschutzrecht1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Natur-, Wald-, Wasser- und Straßenrecht sowie ähnliche Rechtsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2103 2103 2104 2104 2104 2105

Inhaltsverzeichnis -6 -7

53 DVD

Sonstige Rechtsgebiete1)2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2105 Verfahren- und Gebührenrecht1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2105

6.1.2

Honorarordnung (HOAI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2105

6.1.3

Verdingungsordnungen für Leistungen (VOL und VOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107 Verdingungsordnung für Leistungen – ausgenommen Bauleistungen – (VOL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107 Verdingungsordnung für freiberufliche Leistungen (VOF) . . . . . . . . . 2107

-1 -2 6.1.4

Verdingungsordnung für Bauleistungen (VOB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107

6.1.5 -1 -2 -2.1 -2.2 -3 -3.1 -3.2 -3.2.1 -3.2.2 -3.2.3 -3.2.4 -3.3 -3.3.1

Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007 . . . . . . . . . . Inhaltsübersicht der EnEV 2002 in Kurzform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsübersicht der EnEV 2007 in Kurzform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inhaltsübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die wichtigsten Aspekte und Forderungen der neuen EnEV 2007 . . . . Kommentar zur EnEV 2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe nach EnEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizwärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Endenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primärenergiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen für Wohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jahres-Primärenergiebedarf und spezifischer Transmissionswärmeverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sommerlicher Wärmeschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäudebestand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heizungstechnische Anlagen, Warmwasseranlagen und Wärmeverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Raumluftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieausweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs für Wohngebäude . . . . . . . . Wärmebrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berücksichtigung des Luftdichtheitsgrades der Außenhülle . . . . . . . . . Teilbeheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausnutzungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lüftungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trinkwasserwärmebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung des Jahresprimärenergiebedarfs für Wohngebäude . . . . . Berechnungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlagentechnische Einflussgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispielhafte Variationen baulicher und anlagentechnischer Ausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflussgrößen auf den Primärenergiebedarf von Wohngebäuden . . . Ausführungsempfehlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen für Nichtwohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsverfahren für Nichtwohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispielrechnungen für Nichtwohngebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vereinfachtes Nachweisverfahren für Nichtwohngebäude . . . . . . . . . .

-3.3.2 -3.3.3 -3.3.4 -3.3.5 -3.3.6 -3.4 -3.4.1 -3.4.2 -3.4.3 -3.4.4 -3.4.5 -3.5 -3.6 -3.6.1 -3.6.2 -3.7 -3.8 -3.9 -3.10 -3.11 -3.12 -3.13 6.1.6

2108 2108 2111 2111 2112 2113 2113 2114 2114 2114 2114 2114 2115 2115 2116 2117 2118 2118 2119 2120 2120 2121 2123 2123 2124 2124 2125 2125 2126 2128 2133 2135 2137 2137 2138 2139

DIN EN 832 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden Berechnung des Heizenergiebedarfs von Wohngebäuden . . . . . . . . . . . 2140

DVD 54

Inhaltsverzeichnis

6.2

Europäische Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2145

6.3

Deutsche, europäische und internationale Normung

6.3.1

Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2146

6.3.2

Zugang zu DIN-Normen und anderen technischen Regeln . . . . . . . . .

6.4

Regeln und Richtlinien verschiedener Institutionen . . 2148

6.5

Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2156

6.5.1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hygiene (thermische Behaglichkeit/Wärmephysiologie) . . . . . . . . . . . Wärmetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strömungslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meßtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosions- und Steinschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung bis Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.5.2

Heizungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2163

6.5.3

Lüftungs- und Klimatechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2166

6.5.4

Wärmepumpen, Sonnenenergie, Wärmerückgewinnung u.a. (Umweltenergienutzung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2168

6.5.5

Kalt- und Warmwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2170

6.5.6

Kältetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2171

6.5.7

Technische Gebäudeausrüstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.5.8

Zeitschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2172

6.6

Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute . . . . 2177

6.6.1 -1 -2

Technisch-Wissenschaftliche Vereinigungen und Institute . . . . . . . . . 2177 Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2177 Ausland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2180

6.6.2 -1 -2

Wirtschaftliche Vereinigungen und Verbände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2182 Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2182 Ausland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2184

6.6.3

Staatliche, kommunale und internationale Institutionen . . . . . . . . . . .

2186

6.6.4 -1

Lehranstalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Hochschulen und Universitäten sowie Gesamthochschulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fachhochschulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technikerschulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2188

-2 -3

2146 2147

2156 2156 2156 2157 2158 2159 2159 2160 2161 2162 2162 2162 2162 2163

2172

2188 2189 2190

6.7

Einheiten und Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2192

6.7.1

Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2192

Inhaltsverzeichnis

55 DVD

6.7.2

Formelzeichen nach früheren Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2193

6.7.3

Formelzeichen nach neueren Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2194

6.8

Umrechnungstabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2196 Diagramm-Einschlagtafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2237

Abkürzungen

57 DVD

Abkürzungen (Abkürzungen physikalischer Größen s. Abschn. 6.7) AD AGW AMEV Argebau ASR ASHRAE AGFW ATV BAM BDA BDI BGA BGBl BGV BHKS BHKW BImSchG BMA BMBF

Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter im DDA Arbeitsplatzgrenzwert Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen Arbeitsgemeinschaft der für das Bauwesen zuständigen Minister, Bonn Arbeitstätten-Richtlinien American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engeneers, Inc. Arbeitsgemeinschaft Fernwärme, Frankfurt a. M. Abwassertechnische Vereinigung, St. Augustin

BWK

Bundesanstalt für Materialprüfung, Berlin Bund Deutscher Architekten, Bonn Bundesverband der Deutschen Industrie, Köln Bundesgesundheitsamt, Berlin Bundesgesetzblatt Berufsgenossenschaftliche Vorschriften Bundesverband Heizung – Klima – Sanitär, Bonn Blockheizkraftwerk Bundesimmissionsschutz-Gesetz Bundesministerium für Arbeit und Sozialordnung Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie Bundesministerium für Forschung und Technologie (jetzt BMBF) Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Bundesministerium für Wirtschaft Bundesverband Solarenergie, Essen Bundesverband Öl- und Gasfeuerung (Energie – Umwelt – Feuerungen) Brennstoff – Wärme – Kraft (Zeitschrift)

CCI CEN CENELEC

Clima – Commerce – International (Zeitung) Europäisches Komitee für Normung Europäisches Komitee für Elektrotechnische Normung

DAI DDA DDC DEK DGS DIN DK

Deutscher Ingenieur- und Architektenverband, Bonn Deutscher Dampfkesselausschuß, Essen Direct Digital Control (Mikroelektronische digitale Regelung) Deutsche Elektrotechnische Komission im DIN und VDE Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, München Deutsches Institut für Normung Dezimal-Klassifikation

BMFT BMU BMWi BSE BVOG

DVD 58

Abkürzungen

DKV DVGW

Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein, Stuttgart Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches, Eschborn

EDV EFTA EG EIB EN EnEG EnEV ETA EVU FGK FLT

Elektronische Datenverarbeitung Europäische Freihandelszone Europäische Gemeinschaft(en) European Installation Bus Europäische Norm Energieeinsparungsgesetz Energieeinsparverordnung Elektrowärme im Technischen Ausbau (Zeitschrift) Elektrizitäts-Versorgungsunternehmen Fachinstitut Gebäude-Klima, Stuttgart Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik, Frankfurt a.M. Fachnormenausschuß Heizung und Lüftung Feuerungstechnik (Zeitschrift) Förderungsgemeinschaft Technischer Ausbau – Autorengemeinschaft, Bonn Fernwärme International (Zeitschrift)

FNHL FT FTA FWI GET GEFMA GFHK GI GWF HBR HEA

VDI-Gesellschaft Energietechnik Deutscher Verband für Facility Management e.V. Gesellschaft zur Förderung der Heizungs- und Klimatechnik, Hilden Gesundheits-Ingenieur (Zeitschrift) Gas- und Wasserfach (Zeitschrift)

HKI HKK HKW HLH HLK HOAI HR HVBG

Heizölbehälter-Richtlinien Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendungen, Frankfurt a.M. Heiz- und Kochgeräte-Industrie, Frankfurt a.M. Heizung – Klimatechnik – Kälte Heizkraftwerk Heizung – Lüftung – Haustechnik (Zeitschrift) Heizung – Lüftung – Klimatechnik Honorarordnung für Architekten und Ingenieure Haustechnische Rundschau (Zeitschrift) Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften, Bonn

IEA IEC IFMA IKZ ISO

International Energie Agentur (Paris) Internationale Elektrotechnische Kommission International Facility Management Association Zeitschrift für Sanitär – Heizung – Klima (Zeitschrift) Internationale Normenorganisation

Ki KKT

Klima – Kälte – Heizung (Zeitschrift) Kälte- und Klimatechnik (Zeitschrift)

LBO LKT LON

Landesbauordnung Luft- und Kältetechnik (Zeitschrift) Local Operative Network

Abkürzungen MAK

59 DVD

MPA MSR

Maximale Arbeitsplatzkonzentration (seit 2005 abgelöst durch AGW) Material-Prüfungsanstalt Meß-, Steuer-, Regeltechnik

NA NHRS

Normen-Ausschuß Normenausschuß Heizung- und Raumlufttechnik

PTB

Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig

RAL

RLT RWA

Ausschuß für Lieferbedingungen und Gütesicherung früher: Reichsausschuß für Lieferbedingungen Rationalisierungskuratorium der Deutschen Wirtschaft, Frankfurt a.M. Raumlufttechnische Anlage Rauch- und Wärmeabzugsanlagen

SBZ SHT SKE StLB

Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik (Zeitschrift) Sanitär- und Heizungstechnik (Zeitschrift) Steinkohlen-Einheit Standard-Leistungsbuch

TAB TA-Luft TGA TRD TRF TRGI TÜV

Technik am Bau (Zeitschrift) Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft Technische Gebäudeausrüstung Technische Regeln für Dampfkessel Technische Regeln für Flüssiggas Technische Regeln für Gasinstallationen Technischer Überwachungsverein

UVV VbF VDE VDEW VDI VDKF VDMA VdTÜV VDZ VO VOB VVS

Unfallverhütungsvorschriften Verordnung über brennbare Flüssigkeiten Verband Deutscher Elektrotechniker, Frankfurt a.M. Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke, Frankfurt a.M. Verband Deutscher Ingenieure, Düsseldorf Verband Deutscher Kälte-Klima-Fachleute (Fellbach) Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau, Frankfurt a.M. Vereinigung der technischen Überwachungsvereine, Essen Vereinigung der Deutschen Zentralheizungswirtschaft, Hagen Verordnung Verdingungsordnung für Bauleistungen Variables Volumen System

WHG WP WRG WSVO WWE WWV

Wasserhaushaltungsgesetz Wärmepumpe Wärmerückgewinnung Wärmeschutzverordnung Warmwassererwärmer Warmwasser-Versorgung

ZDH ZfG ZLT

Zentralverband des Deutschen Handwerks, Bonn Zentrale für Gasverwendung, Frankfurt a.M. Zentrale Leittechnik

RKW

DVD 60 ZTA ZVH ZVSHK

Abkürzungen Zusammenstellung Technischer Anforderungen Zentralverband Heizungskomponenten, Ennepetal-Voerde Zentralverband Sanitär – Heizung – Klima, St. Augustin

1.1.1 Luft

61 DVD

1

GRUNDLAGEN

1.1

Meteorologische Grundlagen Überarbeitung von Dr.-Ing. Jürgen Masuch, Benningen

1.1.1 -1

Luft Reine Luft

Die Luft umgibt die Erdkugel allseitig in Form einer Hülle. Die untere der Erdoberfläche anliegende Schicht nennt man Troposphäre, die in unseren Breiten bis etwa 11 km reicht. Darauf folgen die Stratosphäre (11 bis 75 km) und Ionosphäre (75 bis 600 km). Der durch das Gewicht der Luft verursachte Druck an der Erdoberfläche beträgt im Mittel p = 1,013 bar. Bei gleichmäßiger Dichte der Luft würde sich hieraus rechnerisch eine Höhe der Atmosphäre von 5

1 ,013 ⋅ 10 p h = ------ = ----------------------------- = 7990 m 1 ,293 ⋅ 9 ,81 ρg

ergeben, wobei ρ = 1,293 die Dichte der trockenen Luft bei 0 °C in kg/m3 und g = 9,81 m/s2 die Fallbeschleunigung ist. In Wirklichkeit nimmt jedoch die Dichte und die Temperatur der Luft mit der Höhe ab (Tafel 1.1.1-1), vgl. auch DIN ISO 2533:1979-12. Tafel 1.1.1-1

Abnahme des Luftdrucks und der Temperatur mit der Höhe (Norm-Atmosphäre, DIN ISO 2533:1979-12)

Abnahme der Temperatur mit der Höhe: 6,5 K je km bis 11 km Höhe. Von 11 km bis etwa 20 km Temperatur annähernd gleichbleibend bei etwa –55 °C. In 20 bis 47 km Höhe Temperaturanstieg durch Ozonbildung bis etwa 0 °C, dann wieder Temperaturabfall.

DVD 62

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.1-2

Zusammensetzung trockener reiner Luft

Chemisch gesehen ist die Luft ein Gemisch verschiedener im normalen Temperaturbereich permanenter Gase, unter denen Stickstoff, Sauerstoff, Argon und CO2 überwiegen, die zusammen ungefähr 99,99% des Gewichts ausmachen (Tafel 1.1.1-2). Die Zusammensetzung ändert sich an der Erdoberfläche örtlich und zeitlich nur sehr wenig, während in großen Höhen die leichten Gase Wasserstoff und Helium überwiegen. Anteilige Sauerstoffabnahme 0,3% je km. Außer den permanenten Gasen ist in der Luft noch Wasserdampf in wechselnden Mengen vorhanden. Geringster Anteil fast 0% (bei tiefen Temperaturen), höchster Anteil etwa 3 Gew.-% ≈ 4 Vol.-%.

-2

Verunreinigungen Siehe auch Abschn. 1.9 s. S. 452: Umweltschutz

-2.1

Gase und Dämpfe1)

In gewissen Mengen finden sich in der freien Luft abhängig von Gegend, Klima, Jahreszeit, Wetter und anderen Faktoren noch eine Anzahl weiterer Gase und Dämpfe, deren Quellen in der Hauptsache Industrie, Kraftwerke, Haushalt und Verkehr sind und von denen die wichtigsten folgende sind: Ozon – O3 – entsteht bei elektrischen Entladungen, Oxidations- und Verdunstungsvorgängen, in sehr geringen Mengen in der Atmosphäre nachweisbar, etwa 0,02 bis 0,1 mg/ m3. Stechender Geruch. Bei Konzentration >0,2 mg/m3 bereits Reizungen. Ozonreiche See- oder Bergluft ist ein Indikator für hohen Reinheitsgrad der Luft, da Ozon schnell mit Luftverschmutzungen reagiert. Ozonmangel in der Atmosphäre – vor allem über der Antarktis, neuerdings auch über der Arktis – wird auf Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) aus Spraydosen und Kältemitteln zurückgeführt (s. auch Abschn. 5.3.1 s. S. 1974). Dadurch dringt UV-Strahlung der Sonne in stärkerem Maße bis zur Erdoberfläche durch mit Auswirkungen auf das Klima. Gefahr von Hautkrebs. Wasserstoffsuperoxid – H2O2 – entsteht wie Ozon, jedoch in größeren Mengen, in Niederschlägen nachweisbar, etwa 200 mg/m3. Kohlenmonoxid – CO – entsteht durch unvollkommene Verbrennung bei Feuerungen und anderen Verbrennungsvorgängen, daher namentlich in Städten und Industriegegenden nachweisbar, geruchlos, sehr giftig. Hauptquellen Kraftfahrzeuge und Hausbrand. In Abgasen von Otto-Motoren bis 8 Vol.-% nachweisbar, zulässig im Leerlauf 3,5 Vol.-%. Auch im Tabakrauch enthalten. Besonders gefährlich, da nicht wahrnehmbar. Vorkommen in Straßen mit normalem Verkehr 25 ppm = 30 mg/m3 Vorkommen in Straßen mit starkem Autoverkehr 50 ppm = 60 mg/m3 Vorkommen in Abgasen und Brandgasen bis 3,0 Vol.-% = 36000 mg/m3

1)

VDI-Handbuch: Reinhaltung der Luft. Düsseldorf, VDI-Verlag 1959/2007. 6 Bände (Mehr als 500 Richtlinien), Met. Grundlagen in Band 1, Umweltmeteorologie. Lahmann, E.: Ges.-Ing. 5/75. S. 121/6 und 1/2-79. S. 17/22. Fanger, P. O.: Ki 2/82. S. 437/8. Baumüller, J., u. U. Reuter: Wärmetechn. 5/82. S. 185/8 und KKT 11/82. S. 486. Kremer, H.: VDI-Bericht 486. S. 25/9 (1983).

1.1.1 Luft

63 DVD

Auch in Wohnungen können, namentlich wenn geraucht wird, Konzentrationen von 50 und mehr mg/m3 vorkommen. Kohlendioxid – CO2. Sein an sich geringer Anteil in der Luft erhöht sich langsam durch Verbrennungsprozesse fossiler Brennstoffe, jährlich um etwa 1 ppm. Gegenwärtiger Gehalt rd. 340 ppm. Einfluß auf das Klima wird befürchtet. Anstieg der Lufttemperatur (Treibhauseffekt) durch Verhinderung der Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche infolge CO2-Zunahme in der Atmosphäre (verstärkte Absorption von Wärmestrahlung). Mögliche Abhilfe: Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe durch Energie-Einsparung (Wärmerückgewinnung), Substitution durch Kernenergie oder WasserstoffVerbrennung. Bei Smogwetterlagen (Smog aus dem Englischen: Zusammensetzung aus Smoke und fog) Anstieg bis auf 450 ppm im Tagesmittel1). Schwefeldioxid – SO2 – entsteht bei Verbrennung von Kohle und Heizöl, daher ebenfalls namentlich in Industriegegenden nachweisbar. Durchschnittlicher Schwefeldioxidgehalt bei Feuerungen s. Tafel 1.9.2-1. Stadt- und Ferngase sowie Erdgase enthalten praktisch keinen Schwefel und sind daher die saubersten Brennstoffe. Sie erzeugen bei der Verbrennung wegen des hohen Wasserstoffanteils auch relativ wenig CO2. Bei den Heizölen werden mehr und mehr schwefelarme Rohöle verarbeitet. Bei der Verbrennung von Heizöl El mit 0,3% Schwefel enthalten die Abgase ca. 0,5 g SO2 je m3, Kohlekraftwerk ohne Entschwefelung 1…3 g SO2 je m3. SO2 wird in der Luft allmählich zu SO3 oxidiert, das sich mit der Luftfeuchte zu Schwefelsäure (H2SO4) umsetzt. Vorkommen in der Luft etwa 0,1 bis 1 mg/m3 (0,04…0,4 ppm), räumlich und zeitlich sehr unterschiedlich, im Winter wesentlich höher als im Sommer. Schädlich für Pflanzenwelt bereits bei 0,5 mg/m3, bei manchen Pflanzen auch noch weniger. Wirkung auf Menschen bereits ab 0,5 mg/m3 (Vgl. VDI 2310)2). Unangenehmer Geruch, Reizung der Schleimhaut, gesundheitsschädlich. Ammoniak – NH3 – entsteht bei Fäulnis- und Zersetzungsvorgängen sowie Verschwelungen. Leichter als Luft, steigt bei Freiwerden sofort nach oben. Vorkommen in freier Luft etwa 0,02 bis 0,05 mg/m3. Nitrose Gase – NOx (N2O, NO, NO2) – entstehen durch Kraftverkehr und Feuerungsanlagen mit hohen Verbrennungstemperaturen über 1300 °C. Gelblich-rotbraune Farbe, stechender Geruch. Vorkommen in freier Luft 0,1…0,5 mg/m3 (NO2). Giftig, mit Wirkung ähnlich wie SO2. Blei als Aerosol in der Atmosphäre stammt überwiegend aus den Abgasen der Kraftfahrzeuge. Als Antiklopfmittel früher im Benzin enthalten. Mittlere Konzentration in der Luft entsprechend hoch: 1…3 µg/m3, in Hauptverkehrszeiten 25…30 µg/m3, sehr giftig. Begrenzung durch das Benzinbleigesetz. Nach Reduzierung des zulässigen Bleigehaltes nach TA Luft ≥ 2 µg/m3 sofort entsprechende Reduzierung der Konzentration in der Luft. (Daten zur Umwelt. Der Zustand der Umwelt in Deutschland 2000. Umweltbundesamt.) E. Schmidt, Berlin (2000). Benzinbleigesetz, Änderung vom 18.12.87. Nationales Verbot bleihaltigen Normalbenzins. WHO-Empfehlung: ≤ 0,5–1 µg/m3. Nach neuer TA Luft (2001): ≤ 0,5 µg/m3. Weitere nicht regelmäßig in der Luft nachweisbare Gase und Dämpfe entstehen durch Ausdünstungen und Riechstoffe der Tiere und Pflanzen sowie durch Arbeitsvorgänge in Fabriken, namentlich chemischen Fabriken, Gießereien u.a. Bei Smog-Wetterlagen hat man Konzentrationen von mehr als 4 mg/m3 an Staub und SO2 gemessen. Beim Vergleich von Umweltverschmutzungen müssen sowohl die verschiedenen Quellen wie CO, SO2, NOx usw. als auch die verschiedenen Gebiete wie Stadtkern, Industriegegend u.a. in Betracht gezogen werden. Allerdings zeigen sich in den letzten Jahrzehnten deutliche Veränderungen im Hinblick einer lokalen Vergleichmäßigung in 1) 2)

Lahmann, E.: SchrReihe Verein WaBoLu 52, 1981. S. 251ff. VDI 2310. Maximale Immissionswerte. Detaillierte Zuammenstellung, ständig aktualisiert und ergänzt. Bl. 1 bis Bl. 46. Neuere Ausgaben: Bl. 6, Ozon zum Schutz der Vegetation, 06. 02, Bl. 12, Zum Schutz des Menschen (NO2) 12. 04, Bl. 15, Ozon zum Schutz des Menschen, 12. 01, Bl. 26, 11. 01 (Fluoride) Bl. 27, 9. 98 (Blei), Bl. 28, 3. 96 (Cd), Bl. 29, 11. 00 (Thallium), Bl. 30 (Ni) E 01. 05, Bl 31 (ZN), E 01. 05, Bl. 37, 4. 98 (Mo), Bl. 46 (Dioxin), 05. 04, diese Blätter vor allem zum Schutz landwirtschaflicher Nutztiere.

DVD 64

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

der Ausbreitung der Verunreinigungen. Die Industriegebiete sind entscheidend besser in der atmosphärischen Qualität geworden (Staubfilter, Entschwefelungs- und Entstickungsanlagen bei Kraftwerken, sehr hohe Schornsteine verteilen die Restemissionen weiter). An sich emissionsärmere ländliche Gebiete haben sich verschlechtert.1)2) In der Regel zeigt die Schadstoffbelastung der Luft einen tages- und jahreszeitlichen Verlauf. So wird SO2 aus Heizungen hauptsächlich im Winter emittiert. Im Laufe der Zeit kann eine Absorption der Schadstoffe durch Regen, Schnee, Ozon und Filterwirkung der Vegetation u.a. erfolgen. In Wohnräumen lassen sich außer den erwähnten Bestandteilen gelegentlich noch andere Beimengungen der Luft nachweisen. Aus Spanplatten und Aminoplast-Ortsschäumen kann Formaldehyd austreten. In Wohnungen tolerierbar 0,12 mg/m3 = 0,1 ppm. Messungen3) ergaben bis 0,6 mg/m3. Ferner wird aus Holzfarben herrührend Pentachlorphenol (PCP) gefunden. In mehreren Ländern wurden in Häusern radioaktive Teilchen in der Luft nachgewiesen. Quellen sind die radioaktiven Edelgase Radon und Thoron, die als Zerfallsprodukte aus Uran/Radium bzw. Thorium entstehen und überall in der Natur vorkommen. Radon und Thoron gelangen aus dem Boden, Baustoffen oder Wasser in die Luft, zerfallen weiter in Blei und Pollonium, die sich an Staubpartikel in der Luft anlagern und durch Inhalation lungengängig sind. Dadurch kann Lungenkrebs auftreten, wie an besonders exponierten Bergarbeitern nachgewiesen wurde. Neuerdings liegen besonders aus den USA Erkenntnisse vor, dass der Grad der Gefährdung durch Radon erheblich größer ist als früher angenommen. Zweitstärkste Ursache für Lungenkrebs nach dem Rauchen. Gemessene Mittelwerte für Radon-Konzentration in der Raumluft von Wohnungen 50 Bq/m3, jedoch mit breiter Streuung. Als kritischer Wert wird derzeit 500 Bq/m3 angesehen. Hauptquelle der Radonzufuhr aus dem Boden. Beseitigung durch Lüften vorzugsweise im Bodenbereich (Keller).4) In gewerblichen Betrieben treten je nach der Art des Arbeitsprozesses häufig weitere Gase und Dämpfe, manchmal in gefährlicher Menge auf, so dass die in solchen Räumen arbeitenden Personen durch besondere gewerbehygienische Vorschriften geschützt werden. Siehe auch Tafel 1.2.3-12. Außerdem existieren für Anlagen eines Gewerbebetriebs die Arbeitsstättenverordnung und die Arbeitsstättenrichtlinien (ASR), die Anforderungen an die einzuhaltenden Bedingungen am Arbeitsplatz enthalten (s. Abschn. 6.1.1-3). Das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeitssicherheit (BIA) hat in der „Grenzwerteliste 2003“ 5) die wichtigsten Grenzwerte zu chemischen, biologischen und physikalischen Einwirkungen zusammengestellt, die für die Sicherheit der Gesundheit am Arbeitsplatz von Bedeutung sind. TRGS 900 „Grenzwerte in der Luft am Arbeitsplatz“ TRGS 903 „Biologische Arbeitsplatztoleranzwerte“ TRGS 905 „Verzeichnis krebserzeugender, erbgutverändernder oder fortpflanzungsgefährdender Stoffe“ TRGS 906 „Verzeichnis krebserzeugender Tätigkeiten und Verfahren“ sowie Grenzwerte für sämtliche heute bekannte Belastungen in Innenräumen (Lärm, Vibration, therm. Belastungen, Strahlung, Elektrizität, biomechan. Belastungen und Hinweise zu biologischen Einwirkungen). Wesentliche Aspekte zu Risiken sind in der „Gefahrstoff-Verordnung“ zusammengestellt. Diese umfassenden Kataloge werden bereits hier angesprochen, obwohl nicht alle dieser inzwischen erforschten Problempunkte über die Außenluft und daher meteorologisch einwirken. Gerüche s. Abschn. 1.2.3-5.2 s. S. 136. Die wesentlichen gesetzlichen Vorschriften sind in der TA Luft zusammengefaßt.3) 1) 2) 3) 4)

5)

Kasten, F., u.a.: BMFT – Forsch.ber. T84–125. VDI 2078:1996-07 (in Überarbeitung). Wanner, H. U.: TAB 8/83. S. 645/8. Urban, M.: Ki 12/84. S. 507/512.Empfehlung der Strahlenschutzkommission, Bundesanzeiger vom 8.1.86 und CCI 2/86. Indoor Air. An Integrated Approach. Elsevier London (1995), dort u.a.: S. 123: Atzmüller, Steinhäusler: Radon … in Indoor Environments. S. 178: Steinhäusler: Radon. BIA-Report 2/2003: Grenzwerteliste 2003. Neuerscheinung Apr. 2008 Hauptverband der Berufsgenossenschaften (Apr. 2003). Dort detaillierte weitere Literaturstellen.

1.1.1 Luft

-2.2

65 DVD

Staub1)

Definition Unter Staub versteht man in der Luft verteilte, disperse Feststoffe beliebiger Form, Struktur und Dichte, die nach Feinheit unterteilt werden können (Grobstaub >10 µm, Feinstaub 1…10 µm, Feinststaub 20…30 µm. Tafel 1.1.1-3

Fallgeschwindigkeiten von Staubteilchen in Luft von 20 °C nach dem Gesetz von Stokes

Weitere Definitionen Ruß: Fein verteilter, meist geflockter fast reiner Kohlenstoff, der bei unvollkommener Verbrennung entsteht; lästig durch Schmutzbildung. Korrosiv, Größe etwa 1 µm und mehr. Rauch: Aus Verbrennungen herrührende luftfremde Stoffe, enthaltend Asche, Ruß, teerige und flüssige Bestandteile, Metallverbindungen, Wasser, Gase und Dämpfe. Durchmesser der Teilchen 0,01…1,0 µm (Charakteristikum: Rückkondensation aus der Gasphase und nachträgliche Agglomeration). Aerosole: Feste oder flüssige Stoffe in feinster Verteilung (dispers) in einem Gas, Größe 10–4 bis 102 µm2). (Von Kleinionen bis Pflanzenpollen). Dunst: Sichtvermindernde Anhäufung feinster Teilchen in der Luft.Sichtweite < 1 km. Korngröße meist < 1 µm. Flugstaub: Feste Bestandteile des Auswurfs aus Schornsteinen (sollten heute praktisch nur noch bei Einzelfeuerstellen mit festen Brennstoffen zeitweise auftreten). Nebel: Fein verteilte Wassertröpfchen in der Luft, Größe ca. 1 bis 50 µm. Sichtweite 6 Zehnerpotenzen mit UV-Dosen von 13…16 mJ/m2 erreicht1). Bekämpfung der Staubkeime durch 1. UV-Strahler, z.B. Lüftungsgeräte mit eingebauten Strahlern, oder direkte Anordnung der Strahler im Raum; Strahlenschäden möglich, daher letzte Lösung vermeiden. 2. Vernebelung oder Verdampfung von Chemikalien wie Triaethylenglykol (TAG). 3. Hochwirksame Schwebstoffilter bei der Luftzuführung, evtl. in Verbindung mit Elektrofiltern. Verwendung jedoch nur in Sonderfällen wie Operationssälen, sterilen Laboratorien u.a.

-2.4

Kondensationskerne

Unter Kondensationskernen versteht man kleine in der Luft enthaltene Teilchen mit einem Durchmesser von etwa 0,01…0,1 µm, an denen sich der Wasserdampf bei Übersättigung der Luft niederschlägt. Diese Kerne gehorchen infolge ihrer Kleinheit nicht mehr dem Stokesschen Fallgesetz. Man faßt sie als in der Luft gelöste oder suspendierte Körper auf und bezeichnet das Ganze als ein kolloidales System. Entstehung der Kondensationskerne nicht mehr durch mechanische Zerkleinerung, sondern durch chemische oder physikalische Vorgänge: Kondensation und Sublimation. Rauch und Nebel sind solche kolloidale Systeme. Man erklärt den Rauch als eine kolloidartige Verteilung von festen Körpern und den Nebel als eine ebensolche Verteilung von flüssigen Körpern in der Luft. Manchmal sind auch in der Luft Salzkerne aus dem Salz des Meerwassers enthalten, namentlich Kochsalz. Zahl der Kerne außerordentlich groß und veränderlich, größenordnungsmäßig etwa bei reiner Luft 100 Mio. je m3 (108/m3), bei Stadtluft das Mehrfache. Häufig sind die Kondensationskerne elektrisch positiv oder negativ geladen. Man spricht dann von Ionen und unterscheidet der Größe nach Klein-, Mittel- und Großionen. Kleinionen entsprechen in ihrer Größe den Molekülen (etwa 0,1 nm = 10–8 cm), während die Großionen bereits unter den Begriff des Staubes (etwa 1 µm = 10–4 cm) fallen, von dem sie sich jedoch durch ihre elektrische Ladung unterscheiden.

1.1.2

Lufttemperatur

Durch das Zusammenwirken der verschiedenen klimatischen Elemente wie Lufttemperatur, Feuchte, Niederschläge, Sonnenstrahlung, Wind usw. entsteht das „Wetter“. Über einen längeren Zeitraum betrachtet, nennt man es „Klima“.

-1

Mittelwerte der Temperatur

Die an einem Ort herrschende Temperatur zeigt über der Zeit als Maßstab aufgetragen einen täglichen und jährlichen wellenförmigen Gang, der durch den wechselnden Sonnenstand verursacht ist2). Einen recht genauen Überblick über die Wetterverläufe gibt die DIN 4710 im Hinblick auf Energiebedarfsrechnungen. Die 1. Ausgabe von 1982 wurde inzwischen durch die 2. Ausgabe 1. 2003 ersetzt. Alle weiteren Erläuterungen sind in dieser Ausgabe auf die neue Norm bezogen. Hinweis: Die beispielhaft hier herangezogene Station Potsdam wird auch als repräsentativ für Berlin angesehen. Um die Temperaturen miteinander zu vergleichen, bildet man Temperaturmittel und unterscheidet dabei: 1) 2)

Martiny, H., u.a.: Zentralblatt für Hygiene 188 (1989). S. 35/46. Verl. G. Fischer, Stuttg. Kryschi, R.: Ges.-Ing. 4. 88. S. 190/195. Jurksch, G.: HLH 1/76. S. 5/9. Christoffer, J., Dehne, K. u. Masuch, J.: Erläuterungen zur DIN 4710, HLH Bd. 54 (2003) H. 12, Bd. 55 (2004) H. 1/2. DIN 4710:2003-01. Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland.

1.1.2 Lufttemperatur

71 DVD

a) die mittlere Tagestemperatur, die aus stündlichen Ablesungen der Temperatur zu ermitteln ist. Praktisch bestimmt man allerdings das Mittel tm häufig durch drei Ablesungen um 7, 14 und 21 Uhr nach der empirischen Formel t 7 + t 14 + 2 ⋅ t 21 -. t m = ------------------------------------4

Der tageszeitliche Verlauf ist hauptsächlich durch die Bewölkung beeinflußt. Bild 1.1.2-1 zeigt den Verlauf an heiteren, bewölkten und bedeckten (frühere Bezeichnung: trüb)1) Tagen sowie den Mittelwert über alle Tage, der etwa zwischen bedeckt und bewölkt liegt. An heiteren Tagen liegen die Temperaturen im Sommer höher, im Winter tiefer. Die Wertein Bild 1.1.2-4 beziehen sich auf alle Tage unabhängig von der Bewölkung. DIN 4710:2003-01 gibt die Daten als Mittelwerte 1961–1990 an. Temperaturmaxima Mai/ Sept, Apr/Okt ähnlich, Temperaturspitzen in Sept und Okt kürzer.

Bild 1.1.2-1. Tagesgang der Lufttemperatur im Januar bzw. Juli an bedeckten, bewölkten und heiteren Tagen in Potsdam. Weitere Monate und Orte für Deutschland s. DIN 4710:2003-01.

Bild 1.1.2-2. Jahresgang der mittleren Monatstemperatur in Potsdam (DIN 4710).

Bild 1.1.2-3. Mittlere Temperaturverteilung für verschiedene Höhenlagen. 100jähriges Mittel für Österreich. (Quelle: H. Felkel u. H. Herbsthofer)

1)

Neue Bezeichnung „bedeckt“ für mittleren täglichen Bedeckungsgrad des Himmels >7/8 gemäß DIN 4710:2003-01.

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DVD 72

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Abnahme der Temperatur mit der Höhe ≈ 6,5 K je 1000 m (s. Abschn. 1.1.1-1 s. S. 61). Genauere Werte für Österreich s. Bild 1.1.2-3. Beispiel: Ende August liegt in 500 m üM die Temperatur bei 15 °C, in 1500 m Höhe bei 10 °C. b) die mittlere Monatstemperatur, die sich als Mittelwert für alle Tage abhängig von der Bewölkung errechnet (Bild 1.1.2-2 mit Beispiel Potsdam) sowie die mittlere Monatstemperatur für verschiedene Städte (Bild 1.1.2-5), (Tafel 1.1.2-1). c) die Jahrestemperatur als Mittelwert der zwölf mittleren Monatstemperaturen (Tafel 1.1.2-1).

Bild 1.1.2-4. Mittlerer täglicher Temperaturverlauf in Potsdam (aus DIN 4710).

Tafel 1.1.2-1

Bild 1.1.2-5. Jährlicher Gang der mittleren Monatstemperatur in verschiedenen Städten.

Mittlere Monats- und Jahreswerte der Temperatur in °C sowie der Feuchte (Wassergehalt) in g/kg trockener Luft Mai

Jun

Jul

Aug

Sep

Okt

1

Ort Bremerhaven

1,0 3,8

1,5 3,8

4,0 4,3

7,4 5,0

12,1 6,6

15,2 8,3

16,7 9,4

16,8 9,3

14,2 8,3

10,3 6,8

5,6 5,1

2,4 4,2

9,0 6,2

°C g/kg

2

Rostock-Warnemünde

0,2 3,6

0,7 3,6

3,1 4,0

6,3 4,8

11,3 6,4

14,9 8,3

16,7 9,4

16,7 9,4

13,9 8,1

9,9 6,6

5,2 4,9

1,9 4,0

8,4 6,1

°C g/kg

3

Hamburg-Fuhlsbüttel

4

Potsdam

5

Essen

6

Bad Marienberg

7

Kassel

8

Braunlage

9 10

Jan

Feb

Mrz

Apr

Nov

Dez

Jahr

0,3 3,6

0,9 3,6

3,6 4,0

7,1 4,7

11,9 6,2

15,2 7,8

16,5 8,9

16,5 8,9

13,5 7,9

9,6 6,4

5,0 4,8

1,7 4,0

8,5 5.9

°C g/kg

–2,0 3,0

–0,4 3,2

3,3 3,6

8,4 4,6

13,6 6,3

17,3 8,2

18,5 8,9

17,7 8,8

14,1 7,8

9,4 6,2

3,8 4,4

–0,3 3,4

9,5 6,0

°C g/kg

2,7 3,9

2,8 3,8

5,2 4,3

7,3 5,0

11,1 6,5

13,9 8,2

15,3 9,1

15,6 9,1

13,6 8,2

10,5 6,7

5,8 5,0

3,6 4,2

8,1 6,2

°C g/kg

–1,6 3,5

–0,9 3,4

2,2 4,0

5,8 4,6

10,5 6,3

13,4 7,9

15,2 8,8

15,0 8,8

12,0 7,8

7,9 6,3

2,6 4,6

–0,3 3,8

6,8 5,8

°C g/kg

0,1 3,5

1,1 3,5

4,2 4,0

8,1 4,8

12,7 6,4

15,8 8,0

17,3 8,8

17,1 8,8

13,9 7,9

9,5 6,3

4,4 4,6

1,4 3,8

8,8 5,9

°C g/kg

–2,3 3,2

–1,8 3,1

0,8 3,6

4,6 4,4

9,5 5,9

12,7 7,5

14,2 8,2

14,2 8,3

11,1 7,4

7,3 5,9

2,0 4,3

–1,1 3,5

6,0 5,4

°C g/kg

Chemnitz

–1,2 3,1

–0,6 3,1

3,5 4,0

6,5 4,6

12,0 6,3

14,6 7,9

16,3 8,6

16,5 8,7

13,1 7,6

9,4 6,0

3,6 4,4

1,0 3,7

7,9 5,7

°C g/kg

Hof

–3,0 3,1

–2,0 3,2

1,4 3,8

5,5 4,6

10,4 6,2

13,6 7,8

15,3 8,5

14,9 8,5

11,8 7,5

7,3 5,9

1,8 4,2

–1,6 3,4

6,3 5,6

°C g/kg

1.1.2 Lufttemperatur Tafel 1.1.2-1

73 DVD

Mittlere Monats- und Jahreswerte der Temperatur in °C sowie der Feuchte (Wassergehalt) in g/kg trockener Luft (Forts.)

Ort

Jan

Feb

Mrz

Jul

Aug

Nov

Dez

11

Fichtelberg

–5,1 2,8

–4,8 2,8

–2,4 3,4

Apr 1,3 4,1

Mai 6,3 5,6

Jun 9,5 7,0

11,2 7,7

11,2 7,8

Sep 8,2 6,8

Okt 4,5 5,1

–0,9 3,7

–3,9 3,0

Jahr 3,0 5,0

°C g/kg

12

Mannheim

1,1 3,7

2,5 3,7

6,0 4,3

9,9 5,1

14,3 6,8

17,4 8,5

19,3 9,3

18,8 9,4

15,4 8,3

10,4 6,6

5,2 4,8

2,2 3,9

10,2 6,2

°C g/kg

13

Passau

–2,5 3,1

–0,5 3,3

3,4 4,0

8,0 5,0

12,7 6,8

15,6 8,6

17,3 9,5

16,8 9,6

13,5 8,3

8,4 6,2

2,7 4,4

–1,1 3,4

7,9 6,0

°C g/kg

14

Stötten

–2,2 3,3

–1,1 3,4

2,1 3,9

5,9 4,7

10,3 6,3

13,4 8,0

15,6 8,8

15,3 8,9

12,5 7,8

7,9 6,1

2,3 4,3

–1,0 3,5

6,8 5,8

°C g/kg

15

Garmisch-Partenkirchen

–2,9 3,0

–1,1 3,2

2,3 3,7

6,4 4,7

10,9 6,4

13,9 8,1

15,9 9,2

15,4 9,3

12,7 8,0

8,0 6,0

2,0 4,1

–2,4 3,2

6,8 5,8

°C g/kg

8,6 5,2

9,4 5,3

11,9 6,1

15,3 7,3

20,0 9,3

24,4 10,9

27,3 11,1

26,9 10,6

23,5 10,4

19,4 9,3

14,1 8,0

10,5 6,0

17,6 10,0

°C g/kg

Europa Athen London

3,4 4,5

4,3 4,2

5,6 4,7

8,9 5,1

12,1 6,3

15,7 7,5

17,3 8,3

16,7 8,5

14,2 7,8

9,9 6,8

6,1 5,2

4,0 4,5

9,9 6,2

°C g/kg

Madrid

4,5 4,7

6,3 4,5

8,5 4,6

11,7 5,8

15,9 6,8

20,4 7,7

24,7 8,3

24,2 8,6

19,1 8,2

13,2 7,0

8,2 5,5

4,3 4,6

13,4 6,3

°C g/kg

Moskau

–11,0 1,2

–9,6 1,4

–4,8 2,0

3,4 2,0

12,0 5,8

15,2 7,5

18,6 9,3

15,7 8,5

10,4 6,2

3,6 4,1

–2,4 2,7

–8,2 1,7

3,6 4,5

°C g/kg

2,5 3,8

3,9 3,8

6,2 4,5

10,3 5,0

13,4 6,8

16,9 7,8

18,6 9,3

18,0 9,1

15,0 8,2

10,3 6,8

6,0 4,8

2,9 4,2

10,3 4,7

°C g/kg

Paris

7,0 5,0

8,2 5,3

10,4 5,6

13,7 7,0

17,9 8,5

21,8 10,5

24,5 11,6

24,1 11,8

20,8 10,8

16,6 8,7

11,6 6,5

8,1 5,3

15,4 7,7

°C g/kg

Warschau

Rom

–4,2 2,7

–2,8 2,7

0,8 3,0

7,0 4,7

12,9 6,3

16,9 8,8

18,4 9,7

17,5 9,8

13,4 7,5

7,9 6,2

–1,6 4,5

–2,3 3,7

7,3 5,8

°C g/kg

Wien

–1,0 2,8

1,0 3,1

5,1 3,8

9,9 4,8

14,5 6,8

18,0 8,5

19,6 9,3

18,9 9,3

15,4 7,8

9,9 6,0

4,9 4,1

1,1 3,3

9,8 5,8

°C g/kg

Buenos Aires

23,1 13,2

22,5 12,6

20,4 12,1

16,3 9,6

12,8 8,0

9,8 6,8

9,4 6,8

10,6 7,1

12,8 7,6

15,5 8,8

18,8 10,5

21,6 12,2

16,1 9,6

°C g/kg

Übrige Welt

Djakarta

25,4 17,6

25,4 17,8

25,8 18,1

26,2 18,5

26,4 18,1

26,0 17,7

25,8 17,1

25,9 16,3

26,2 16,8

26,3 17,2

26,0 17,3

25,7 17,3

25,9 17,6

°C g/kg

Havanna

22,0 12,3

22,5 12,3

23,5 12,7

24,9 14,2

26,0 15,8

27,5 17,6

28,0 18,3

27,9 18,5

27,3 18,1

26,1 16,5

24,2 14,2

22,5 12,5

25,2 15,2

°C g/kg

New York

–0,8 2,2

–0,5 3,0

2,9 4,3

9,4 4,5

15,5 6,8

20,1 9,9

22,8 11,9

22,5 11,4

19,1 9,8

13,3 6,8

6,7 4,6

1,5 3,0

11,1 6,5

°C g/kg

Rio de Janeiro

25,2 15,5

25,7 15,7

24,9 15,5

23,2 14,0

21,8 12,7

20,4 11,8

19,2 11,3

20,4 11,3

20,5 11,9

21,5 12,5

22,8 13,6

24,8 14,6

22,7 13,4

°C g/kg

9,7 6,0

10,8 6,2

11,8 6,6

12,2 7,2

13,3 7,3

14,1 8,3

14,0 9,0

14,4 9,2

15,3 9,3

15,1 8,3

13,0 7,3

10,5 5,8

12,8 7,6

°C g/kg

Santiago

San Francisco

20,4 8,2

19,5 8,0

16.9 7,5

13,7 6,7

10,6 6,1

7,6 5,2

7,9 5,2

9,2 5,5

11,0 5,8

13,8 6,7

16,8 7,0

19,2 7,5

13,9 6,6

°C g/kg

Sydney

22,0 11,3

21,8 11,4

20,7 11,1

18,2 10,0

14,8 8,1

12,6 7,0

11,5 5,8

12,8 6,7

15,1 7,2

17,6 8,0

19,4 9,0

21,1 10,3

17,3 8,8

°C g/kg

Tokio

3,0 3,0

3,8 3,1

6,9 4,0

12,5 6,5

16,6 8,8

20,5 12,0

24,2 15,3

25,4 16,3

21,9 13,5

16,8 9,0

10,3 5,8

5,2 3,7

13,8 8,3

°C g/kg

*) Aus

DIN 4710:2003-01 Tab. 4.x.4, und 5.x.4 und anderen Quellen.

d) Für manche Berechnungen ist die Frage wichtig, an wieviel Tagen oder Stunden im Jahr die Tagestemperatur über oder unter einem bestimmten Wert liegt. Hierzu werden die Summenhäufigkeitskurven (oder Jahresdauerlinien)1) verwendet, Beispiel Bild 1.1.2-6. Das Bild enthält auch die Häufigkeit bezogen auf die Tageszeit von 6 bis 18 Uhr. Dieser Verlauf ist wichtig bei zeitlich eingeschränkter Betriebsdauer von Heizungs- oder Klimaanlagen. DIN 4710 enthält in Tabelle 3 für die 15 Stationen Deutschlands die t, xKorrelationen sowohl für 24 h als auch für die 12 h von 6–18 Uhr.

1)

DIN 4710:2003-01. Statistiken meteorologischer Daten zur Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland. Siehe auch: H. Felkel und H. Herbsthofer; Klimadaten für Österreich, Herausgeber s. Abschn. 6.5.1-1 s. S. 2156.

DVD 74

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.2-6. Summenhäufigkeit der Außentemperaturen in Berlin. Beispiel: Zahl der Stunden unter 15 °C bezogen auf 24 h: 6400 h bezogen auf 6…18 h (12 Stunden/Tag): 2900 h.

-2

Extremwerte der Temperatur

Man unterscheidet die absoluten und die mittleren Extremwerte der Temperatur. Absolutes Temperatur-Maximum bzw. -Minimum ist die höchste bzw. geringste jemals gemessene Temperatur eines Ortes. Mittleres Maximum bzw. Minimum ist der Mittelwert der Maxima oder Minima in einer längeren Reihe von Jahren. Extremwerte im Stadtkern von Großstädten infolge Dunsthaube im Winter 2…4 K höher als am Stadtrand, im Sommer 1…2 K. Mittelwerte etwa die Hälfte. Außerdem je nach Bebauung erhebliche Temperaturunterschiede. Über Straßen kann die Lufttemperatur in 2,5 m Höhe bei Sonnenstrahlung durchaus um 8 bis 10 K höher liegen als über Grasflächen (Mikroklima)1). Bei den Angaben der Wetterstationen ist auch deren Höhenlage zu berücksichtigen. In USA werden durch ASHRAE2) Prozentwerte der Häufigkeit angegeben. Eingebürgert haben sich Meßpunkte auf der Summenhäufigkeitslinie, die zu 99%, 97,5% oder 95% der Zeit (Winter) bzw. 5%, 2,5% oder 1% der Zeit (Sommer) überschritten werden. Neuerdings werden diese Daten für 4.422 Stationen weltweit auf CD ROM mitgeteilt. Während die mittleren Temperaturen in der Heizungs- und Klimatechnik für den Wärme- und Kälteverbrauch bestimmend sind, sind die mittleren Extremwerte für die Bemessung der Apparate wie Heizkörper, Kühler usw. maßgebend (Tafel 1.1.3-3). Für manche Zwecke sind auch Angaben über Zahl der warmen und kalten Tage (Über- bzw. Unterschreitung von Grenzwerten) erwünscht (Tafel 1.1.2-5 und Tafel 1.1.2-6). Für Deutschland sind die winterlichen Auslegungswerte der Temperatur nunmehr für alle Orte mit mehr als 20000 Einwohnern im Beiblatt 1 zu DIN EN 128313) festgelegt. Sie entsprechen den früher in DIN 4701-2 festgegten Werten. (Niedrigster Zweitagesmittelwert, der im Zeitraum von 20 Jahren 10mal erreicht oder unterschritten wurde). Lediglich der Hinweis auf „windstarke Lage“ ist entfallen. Die sommerlichen Auslegungswerte sind in VDI 2078 (Kühllastregeln) für die dort definierten 4 Klimazonen (Küste, Binnenland 1, Binnenland 2, südwestdeutsche Flußtäler) mit 29, 31, 32, 33 °C festgelegt (Richtlinie in Überarbeitung). Da diese Richtlinie sich bisher nur mit der sensiblen Kühllast befasst, wird dort nur ein grober Hinweis für die Festlegung der Feuchte gegeben (xmax = 12 g/kg tr.L.). S. zur weiteren Präzisierung 1.1.3-5 s. S. 83.

1) 2) 3)

Gertis, K., u. U. Wolfseher: Ges.-Ing. 1/2-1977. S. 1/10. ASHRAE-Fundamentals 2005. DIN EN 12831. Heizungsanlagen in Gebäuden. 8-2003. Beibl. 1: 4-2004.

1.1.2 Lufttemperatur

75 DVD

Bild 1.1.2-7. Darstellung der Heizperiode für Berlin-Dahlem.

Heizgradtage (Gradtagzahl Gt)1)

-3

Um den Wärmeverbrauch in einer Heizperiode zu ermitteln, zu kontrollieren und zu vergleichen, hat man in der Heizungstechnik den Begriff der Gradtagzahl Gt eingeführt. Diese ist das Produkt aus der Zahl der Heiztage und dem Unterschied zwischen der mittleren Raumtemperatur und der mittleren Außentemperatur, also z

Gt =

∑ ( ti – tam ) 1

worin Gt = Gradtagzahl der Heizperiode in Kd/a z = Zahl der Heiztage in der Heizperiode vom 1.9. bis 31.5. ti = mittlere Raumtemperatur = 20 °C tam = mittlere Außentemperatur eines Heiztages Heiztage sind Tage, an denen das Tagesmittel der Außentemperatur unter 15 °C liegt. Tafel 1.1.2-2

Heiztage und Gradtagzahlen für deutsche Städte

Graphisch wird die Heizperiode eines Jahres durch die schraffierte Fläche in Bild 1.1.2-7 dargestellt, wobei als mittlere Raumtemperatur ti = 20 °C (früher 19 °C) und als Grenztemperatur für Beginn und Ende der Heizung tam = 15 °C (früher 12 °C) angenommen sind. Bei neuen Gebäuden mit Vollwärmeschutz wird die Tendenz wieder umkehren.

1)

Jurksch, G.: HLH 2/75. S. 63/5 und 1/76. S. 5/9.

DVD 76

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Die Heizgrenze kann wegen der niedrigen spezifischen Bedarfswerte auf 12 oder sogar 10 °C sinken. Inzwischen sind zu den Gradtagen neue Richtlinien erschienen, einmal eine Grundsatzrichtlinie DIN EN ISO 15927-6, 2007-111), in der lediglich die Regeln zur Datenzusammenstellung auf europäischer Ebene fixiert wurden – vom CEN TC 89.WG9, der meteorologischen Arbeitsgruppe der Bauphysik, in der auch der Deutsche Wetterdienst mitarbeitet. Für deutsche Belange in der Tagesarbeit wichtiger ist die VDI-Richtlinie VDI 4710,2, 2007-52), die auf Basis der vom Deutschen Wetterdienst (DWD) erarbeiteten 15 Stationsdaten der DIN 4710-2003 präzisiert wurde. Hier wurde von der bisherigen Festlegung einer einheitlichen Heizgrenztemperatur und Raumtemperatur (s. Fußnote 1 auf S. 75) abgewichen und eine flexible Grenze eingeführt, um auf die heute sehr unterschiedlichen Bauten reagieren zu können. Eine ausführliche Erläuterung zur Entwicklung der Gradtagsdefinitionen findet man in3). Hier sei nur darauf hingewiesen, dass man von der Winterbetrachtung zu einer Ganzjahresbetrachtung gekommen ist und nur noch eine Heizgrenze betrachtet. Da der DWD in seinen Analysen nach wie vor die klassischen Grenzen 15/20 °C auswertet, wurde klargestellt, dass diese Interpretation der neuen Jahresheizgrenze von 19,4 °C entspricht. Die Auswertungen der meteorologischen Unterlagen, die an der Universität Stuttgart (Prof. Bach, Dr. Dipper) durchgeführt wurden, geben für die 15 Stationen der DIN 4710 (Datensatz 1961–1990) den Zusammenhang zwischen den Gradtagszahlen und der variabel zu verstehenden Heizgrenze an. Diese neue notwendige Variabilität hängt zusammen mit der Entwicklung der Bautechnik, die es erforderlich macht, so unterschiedliche Bauten wie ein Passivhaus, einen Standard-Neubau nach EN-EV oder auch ein Schwimmbad zu bewerten. Bei einem Passivhaus kann die Heizgrenze sehr tief angesetzt werden. Die Daten der VDI 4710,2 geben die Gradtagszahlen für Heizgrenzen zwischen +6 °C und +28 °C an, letztere z.B. für eine Schwimmbadanwendung. Welche Heizgrenze jeweils sinnvoll einzusetzen ist, bedarf noch einiger Erfahrung. In Tafel 1.1.2-2 und Tafel 1.1.2-3 sind auch die Heiztage eingetragen. Anwendung zur Berechnung des Wärmeverbrauchs von Heizungsanlagen. Die niedrigsten Gradtagzahlen unter 3400 treten am Nieder- und Oberrhein auf, die höchsten (> 4500) auf Berghöhen. Tafel 1.1.2-3

1)

2) 3)

Heiztage und Gradtagzahlen für Österreich, Heizgrenz-/Raum-Temperatur 16/22 °C

DIN EN ISO 15927-6, Nov. 2007: Wärme- und feuchteschutztechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung und Darstellung von Klimadaten – Teil 6: Akkumulierte Temperaturdifferenzen (Gradtage) VDI 4710, Blatt 2, Mai 2007: Meteorologische Daten in der technischen Gebäudeausrüstung, Gradtage Masuch, J.: Eine neue Definition von Heizgradtagen nach VDI 4710,2. HLH 57 (2006) Nr. 12, S. 52/54

1.1.2 Lufttemperatur

77 DVD

Tafel 1.1.2-4

Mittlere Jahrestemperatur tm, Jahresmaxima tmax und -minima tmax für außerdeutsche Städte

Tafel 1.1.2-5

Zahl der warmen und kalten Tage im Jahr

Tafel 1.1.2-6

Zahl der jährlichen Stunden mit einer Temperatur über t in °C*)

Ort 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 *)

t

Bremerhaven Rostock-Warnemünde Hamburg-Fuhlsbüttel Potsdam Essen Bad Marienberg Kassel Braunlage Chemnitz Hof Fichtelberg Mannheim Passau Stötten Garmisch-Partenkirchen

berechnet nach DIN 4710:2003-01

22

24

26

28

207 148 279 490 345 179 403 142 298 238 26 682 473 191 350

106 73 152 291 185 80 227 61 150 119 8 413 276 81 184

48 33 73 158 87 30 111 19 62 49 2 228 137 25 76

18,8 14,4 30,1 75,0 35,5 8,7 48,8 3,4 20,4 14,2 1,6 111,9 52,4 6,8 22,9

30

32

5,5 0,8 4,8 0,8 9,7 1,6 30,2 8,0 10,7 1,8 1,0 – 16,8 3,9 0,1 – 4,1 1,0 2,6 0,1 – – 46,8 13,8 14,5 2,4 1,3 0,3 5,9 1,3

34 °C – – 0,1 1,2 0,1 – 0,6 – 0,1 – – 2,8 0,3 – 0,4

h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a h/a

DVD 78

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

-4

Lüftungsgradstunden GL

Bei der Ermittlung des Wärmebedarfes von Lüftungsanlagen kann man ebenfalls den Begriff der Gradtage verwenden. Um die Betriebszeiten einer Lüftungsanlage (z.B. Theaterlüftung in den Abendstunden) korrekt mit der zugeordneten Außentemperatur in Beziehung zu setzen, sollte man aber besser Lüftungsgradstunden einführen. Lüftungsgradstunden GL sind das Produkt der Lüftungsstunden mit der Differenz von Zulufttemperatur zur zugehörigen momentanen Außenlufttemperatur. Z

GL =

hH

∑ ( tzu – ta ) ≈ z

hH ·

(tzu–tam)

1

mit GL = Lüftungsgradstunden in Kh/a zhH = Zahl der Lüftungsstunden im Heizfall tzu = Zulufttemperatur ta = momentane Außentemperatur für alle Lüftungsstunden mit tzu >ta tam = mittlere Außentemperatur im Zeitbereich „Heizung“. Die für die Heizung vorgesehene Grenztemperatur (z.B. 15 °C) kommt hier nicht zum Tragen, da eine Lufterwärmung stets auf die gewünschte Zulufttemperatur (oder Raumtemperatur) erforderlich ist. Aus Tafel 1.1.2-7 können für Berlin die jährlichen Lüftungsgradstunden bei beliebigen Tageszeiten entnommen werden. Die Werte wurden aus der in DIN 4710 gegebenen Definition für drei Tagesgänge ermittelt. Bedingt durch die Mittelwertbildung in DIN 4710 ergeben sich insbesondere bei kleinen Zulufttemperaturen geringe Fehler (< 5%). Für die Betriebszeit 6–18 Uhr (12 Stunden) oder durchgehend können die Lüftungsgradstunden auch direkt über die Temperatur-Einzelhäufigkeitsdarstellung in DIN 4710 ermittelt werden. Bei durchgehendem 24stündigem Betrieb können monatsweise Analysen mittels des Beiblatts 1 aus DIN 4710 erfolgen1). Tafel 1.1.2-7

Jährliche Lüftungsgradstunden GL in Kh/a für Potsdam in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Zulufttemperatur*)

Betriebszeit von 0.00 bis ...

18

19

20

21

22

23

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00

4136 8379 12731 17172 21664 26114 30262 34158 37708 40910 43932 46640

4502 9110 13826 18633 23491 28305 32818 37076 40945 44443 47744 50728

4867 9840 14922 20094 25317 30497 35375 39996 44223 48024 51621 54894

5232 10571 16018 21555 27143 32688 37932 42917 47504 51705 55545 59115

5597 11301 17114 23016 28969 34880 40489 45839 50789 55348 59525 63400

5963 12032 18209 24477 30796 37071 43045 48761 54076 58996 63531 67749

1)

Zulufttemperatur in °C

Beiblatt 1 zu DIN 4710:2003-01. (Korrelation Lufttemperatur – Luftfeuchte nach Monatssummen).

1.1.2 Lufttemperatur Tafel 1.1.2-7 Betriebszeit von 0.00 bis ... 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00 *)

79 DVD

Jährliche Lüftungsgradstunden GL in Kh/a für Potsdam in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Zulufttemperatur*) (Forts.) Zulufttemperatur in °C 18

19

49205 51703 54224 56842 59626 62618 65824 69212 72830 76614 80528 84586

53547 56282 59038 61896 64940 68211 71709 75425 79398 83544 87821 92243

20 57990 61000 64032 67166 70489 74053 77859 81918 86253 90762 95404 100191

21 62505 65806 69127 72522 76171 80033 84171 88591 93289 98163 103169 108321

22 67087 70683 74299 78020 81937 86119 90601 95384 100445 105684 111056 116573

23 71757 75654 79568 83591 87840 92365 97208 102354 107781 113385 119122 125004

Berechnet nach DIN 4710:2003-01

Multipliziert man GL mit der spez. Wärmekapazität der Luft cp = 1,0 kJ/kg K, so erhält man den zur Erwärmung von 1 kg/h Luft erforderlichen jährlichen Wärmebedarf Q: Q = GL · cp in kJ/a = GL · cp/3600 in kWh/a. Auf 1 kg/s Luft bezogen lautet die Formel Qs = GL · cp ≈ GL in kWh/a. Beispiel: Die Zahl der jährlichen Lüftungsgradstunden für eine täglich von 8 bis 18 Uhr in Betrieb befindliche Lüftungsanlage mit einer Zulufttemperatur von 22 °C ist nach Tafel 1.1.2-7: GL = 86119–45839 = 40280 Kh/a. Jährlicher Wärmebedarf je kg/s: Qs = 40280 kWh/a.

-5

Kühlgradstunden GK

Lüftungsgradstunden für höhere Außentemperaturen (Kühlfall) werden Kühlgradstunden genannt. Unter Kühlgradstunden GK versteht man das Produkt aus der Zahl der Kühlstunden und der Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Außentemperatur und einer bestimmten Zulufttemperatur. Auch hier ist es zweckmäßig, die Kühlgradstunden auf bestimmte Tageszeiten zu beziehen. Man erhält dann die Werte von Tafel 1.1.2-8. Es handelt sich nur um die sensible Luftkühlung. Mit Rücksicht auf die Mittelwertbildung der Temperaturen pro Stunde über 30 Jahre in DIN 4710 ergibt sich durch das Tagesgangverfahren ein Fehler, der mit höherer Zulufttemperatur in Tafel 1.1.2-8 ansteigt. Der Fehler für GK ist bei tzu  16 °C kleiner als 10 %, bei tzu = 18 °C etwa 20 %. Die tatsächlichen Werte sind entsprechend größer. Es sei darauf hingewiesen, dass auch hier für 24stündigen Betrieb der Anlagen das Beiblatt 1 der DIN 4710 die monatsweisen Angaben enthält und dass für Betrieb von 6–18 Uhr und 24stündigen Betrieb die Jahreswerte in den Einzelhäufigkeitsdarstellungen der DIN 4710 vorliegen (dort Tab. 3.x.1 und 3.x.2).

DVD 80

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.2-8

Jährliche Kühlgradstunden GK in Kh/a für Potsdam in Abhängigkeit von der Betriebszeit und der Zulufttemperatur*)

Betriebszeit von

Zulufttemperatur in °C

0.00 bis ...

14

16

18

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00

52 76 83 85 86 95 189 453 883 1507 2294 3203

1 1 1 1 1 1 2 92 315 671 1166 1772

0 0 0 0 0 0 0 7 80 251 518 861

13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 24.00

4205 5273 6352 7407 8373 9195 9818 10237 10521 10725 10871 10972

2463 3215 3982 4727 5390 5931 6316 6534 6641 6689 6713 6722

1276 1750 2238 2708 3111 3413 3611 3681 3698 3703 3706 3708

*)

Berechnet nach DIN 4710:2003-01

Die latente Last ergibt sich aus den Entfeuchtungs- und Befeuchtungs-Grammstunden. Vorteilhafter und in der Praxis eingebürgert hat sich allerdings für energetische Berechnungen die Verwendung von Enthalpiedifferenzen. Auf Wunsch stellen die Meteorologen die entsprechenden Auswertungen zur Verfügung. Grundsätzlich lassen sie sich für 24 h oder die Zeit von 6–18 Uhr aus den Einzelhäufigkeiten der DIN 4710 berechnen.

1.1.3

Luftfeuchte

Während der in der Luft enthaltene Wasserdampf in der Heizungstechnik kaum eine Rolle spielt, hat er desto größere Bedeutung in der Klimatechnik.

-1

Bezeichnungen

Die Größe des Wasserdampfgehaltes der Luft kann man auf vier verschiedene Arten angeben, nämlich a) durch die relative Luftfeuchte ϕ (%) b) durch die Feuchtkugeltemperatur tf (°C) c) durch den Teildruck pD des Wasserdampfes in der Luft (mbar) d) durch den Wassergehalt x bezogen auf 1 kg trockener Luft (kg/kg tr.L. oder g/kg tr.L.). Angaben über den Wasserdampfgehalt nach a) oder b) sind für viele Anwendungen unzweckmäßig, da ohne Angabe der dazugehörigen Lufttemperatur die Zahlen wenig sagen. ϕ und tf ändern sich mit der Lufttemperatur, auch wenn der absolute Wassergehalt der Luft gleich bleibt. Besser ist es, den Feuchtegehalt nach c) oder d) anzugeben. Allerdings gibt es eine Reihe von Fällen (z.B. Bearbeitung von organischen Materialien wie Textilien, Holz, Papier, Tabak), in denen die Einhaltung einer bestimmten relativen Feuchte gefordert wird. In den meteorologischen Tafeln wird meist der Dampfdruck an-

1.1.3 Luftfeuchte

81 DVD

gegeben, während in den Rechnungen der Klimatechnik am besten der Wert von x (meteorologisch: Mischungsverhältnis) zu verwenden ist. Beide Werte sind leicht nach den in Abschn. 1.3.4 s. S. 201 gemachten Angaben miteinander zu überführen. Im Bereich von 0 bis 40 °C ist dem Zahlenwert nach: Wasserdampfgehalt x ≈ 0,62 pD.

-2

Mittlere Feuchte

Ebenso wie die Außentemperatur unterliegt auch die absolute Feuchte der Außenluft einer jährlichen und, wenn auch geringen, täglichen Periode. Die Schwankung im Tagesdurchschnitt ist so gering, dass man praktisch den mittleren täglichen Dampfdruck als konstant während des ganzen Tages annehmen kann, wenn sich nicht gerade das Wetter (die Luftmasse) ändert. Die relative Feuchte zeigt natürlich eine Periode, da sie von der Lufttemperatur abhängig ist (Bild 1.1.3-1). Im jährlichen Verlauf zeigen sowohl der Dampfdruck und Wassergehalt der Luft wie die relative Feuchte deutliche Schwankungen, ähnlich denen der Temperatur. Dabei erscheint das mittlere Maximum des Dampfdruckes im Gebiet von ganz Deutschland im Juli mit etwa 14 bis 16 mbar (x = 8,7…9,9 g/kg tr.L.), das mittlere Minimum im Januar mit etwa 4 bis 5 mbar (2,5…3,1 g/kg), s. Bild 1.1.3-1 und Bild 1.1.3-2 sowie Tafel 1.1.2-1. Aus Bild 1.1.3-3 ersieht man, dass der Mittelwert des Wassergehaltes der Luft xm = 5,8 g/ kg tr.Luft beträgt. Dieser Wert gilt annähernd für ganz Deutschland. In DIN 4710 erkennt man die betreffenden Werte für 15 Stationen. Die Schwankungsbreite auch unter Berücksichtigung extremer Stationen beträgt 5,0 (Fichtelberg) bis 6,2 g/kg tr.L. (Bremerhaven, Essen, Mannheim) Nimmt man an, dass ein Wassergehalt von 8 g/kg entsprechend etwa 22°/50% rel. F. für die Behaglichkeit am günstigsten ist, so muss also in Klimaanlagen die Luft an 71 Tagen des Jahres entfeuchtet und an 294 Tagen befeuchtet werden, sofern in den Räumen selbst keine Feuchtequellen vorhanden sind. Allerdings reduziert man in der Praxis diesen Aufwand durch Ausnutzung eines relativ breiten Toleranzbandes zwischen etwa 5 und 10 g/kg tr.L.

-3

Entfeuchtungs- und Befeuchtungsgrammstunden

Wie bei der Heizung und Kühlung die Begriffe Heiz- und Kühlgradtage bzw. -stunden verwendet werden, kann man sinngemäß bezüglich des Wassergehaltes der Luft die folgenden Ausdrücke verwenden: Befeuchtungsgrammtage sind das Produkt aus der Zahl der Befeuchtungstage und dem Unterschied zwischen einem Wassergehalt der Raumluft von x = 8 g/kg und dem mittleren Wassergehalt der Außenluft. Sinngemäß sind die Befeuchtungsgrammstunden definiert.

Bild 1.1.3-1. Mittlerer Tagesgang der Feuchte im Januar und Juli in Berlin-Dahlem.

Bild 1.1.3-2. Jährlicher Gang des Dampfdruckes der Luft in verschiedenen Städten.

DVD 82

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Aus Bild 1.1.3-4 ergeben sich durch Planimetrieren die Befeuchtungsgrammstunden zu Gf = 20580 gh/kg tr.L/a = 20580/24 = 858 Befeuchtungsgrammtage pro Jahr. Entfeuchtungsgrammtage sind sinngemäß das Produkt aus der Zahl der Entfeuchtungstage und dem Unterschied zwischen dem Wassergehalt der Raumluft von x = 8 g/kg und dem mittleren Wassergehalt der Außenluft. Aus Bild 1.1.3-4 ergeben sich die Entfeuchtungsgrammstunden: Gtr = 3445 gh/kg tr.L/a = 3445/24 = 144 Entfeuchtungsgrammtage pro Jahr. Diese Berechnung lässt sich für die 15 Stationen der DIN 4710 problemlos durchführen, wobei doch markante Unterschiede auftreten. Potsdam zeigt gegenüber dem alten Bezug Berlin höhere Entfeuchtungsstunden.

Bild 1.1.3-3. Mittlerer Wassergehalt der Luft in Berlin. Der Wert 8 g/kg entspricht dem Luftzustand 22 °C/50% rel. Feuchte.

Bild 1.1.3-4. Häufigkeitskurve des Feuchtegehalts der Luft in Potsdam (DIN 4710: 2003-01).

Beispiel: Bei 10 h Betrieb pro Tag an 250 Tagen im Jahr 10 250 G tr = 3445 ⋅ ------ ⋅ --------- = 3445 ⋅ 0 ,285 = 982 gh/kg tr.L./a 24 365 10 250 G f = 20580 ⋅ ------ ⋅ --------- = 20580 ⋅ 0 ,285 = 5865 gh/kg tr.L./a 24 365 ------------ = 0,7kWh/kg wird Mit der Verdampfungswärme von hD = 2500 kJ/kg Wasser = 2500 3600 je kg/h Luft die jährliche Entfeuchtungsleistung (latente Kühlleistung) Q = 982 · 0,7/1000 = 0,687 kWh/kg/a Befeuchtungsleistung (latente Heizleistung) Q = 5865 · 0,7/1000 = 4,106 kWh/kg/a Für anderen Feuchtegehalt können die Werte für Gtr und Gf aus Tafel 1.1.3-1 entnommen werden.

1.1.3 Luftfeuchte Tafel 1.1.3-1

83 DVD

Entfeuchtungsgrammstunden Gtr und Befeuchtungsgrammstunden Gf in gh/kg tr.L./a für Potsdam in Abhängigkeit vom Zuluftfeuchtegehalt bei 24-h-Betrieb nach DIN 4710:2003-01 Zuluftfeuchtegehalt x in g/kg tr.L.

24 h Gtr Gf

-4

5

6

7

8

9

10

11

12

– 4375

9210 8740

5860 14185

3445 20580

1870 27825

925 35700

425 –

185 –

Extremwerte der Feuchte

Die Minimalwerte des Dampfdruckes treten an besonders kalten Tagen auf. Bei einer Außentemperatur von –20 °C stellt sich der Dampfdruck, selbst wenn die Luft voll gesättigt ist, nur auf etwa 0,6 mbar ein. Demgegenüber treten die Maximalwerte der Feuchte an regnerischen Tagen im Sommer auf, namentlich an Tagen mit Gewitterregen. Zahlenmäßig erreicht bei uns der Dampfdruck dabei Werte bis etwa 23 mbar. In tropischen Gegenden treten Werte von etwa 35 bis 40 mbar auf.

-5

Temperatur und Feuchte1)

Wesentlich für die Lufthygiene und Klimatechnik ist die bei einer bestimmten Temperatur gleichzeitig auftretende Feuchte (s. Tafel 1.1.3-2 s. S. 84/25). Genaue Korrelationen zwischen Luftfeuchte und Temperatur für 15 deutsche Städte gibt DIN 4710:2003-01 Tab.3 (s. Tafel 1.1.3-3 s. S. 86/27). Man benötigt diese Angaben, wenn die Luft infolge zu hoher Feuchte getrocknet werden soll oder auch bei der Errechnung der Verdunstungskühlung. Prüft man daraufhin die gleichzeitig gemessenen Werte der Temperatur und Feuchte nach, so zeigt sich, dass an den Tagen maximaler Temperatur die Feuchte sich meist in normalen Grenzen hält, während die Maximalwerte der Feuchte an solchen Tagen auftreten, an denen sich die Temperatur in normalen Grenzen hält. Der maximale Wärmeinhalt der Luft (Enthalpie), d.h. die Summe der trockenen und feuchten Anteile, ist in beiden Fällen annähernd gleich. Es ist also nicht zutreffend, dass an besonders heißen Tagen die Luft auch einen besonders hohen Feuchtegehalt hat.

1)

Jüttemann, H., u. G. Schaal: HLH 10/82. S. 355/60.Masuch, J.: HLH 11/82. S. 387/93.

DVD 84 Tafel 1.1.3-2

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen Auslegedaten Temperatur und Feuchte für verschiedene Orte der Erde*) (tr = Trockenkugeltemperatur, tf = Feuchtkugeltemperatur)

1.1.3 Luftfeuchte

85 DVD

DVD 86

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.3-3

t/x 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 –0 –1 –2 –3 –4 –5 –6 –7 –8 –9 –10 –11 –12 –13 –14 –15 –16 –17 –18 –19 –20 –21 –22 –23 –24 SUM

Korrelation Lufttemperatur t / Wasserdampfgehalt x für das Jahr; Potsdam; Meßwerte: 24 Stunden/Tag. Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in Zehntel); stündliche Messungen des Zeitraumes 1961 bis 1990 (Tabelle 3.4.1 aus DIN 4710:2003-01) 0

1

2

3

0

1 1 0 1 2 1 3 2 4 5 8 11 17 23 37 51 59 63 74 85 112 139 161 229 276 360 513 664 947 1375 2073 3091 1996 1350 451

1 1

1 0 0 1 1 0 0 2 2 3 2 3 6 11 23 34 26 24 7 6 1 0 2 1 156

0 0 3 4 3 4 7 7 6 12 10 19 28 36 42 62 79 101 139 175 272 395 446 302 181 219 156 117 76 38 4

3045

0 0 1 1 2 5 3 5 10 11 16 27 28 36 53 66 76 93 103 133 174 207 270 392 515 848 1308 1230 894 620 427 152 8

7715

14195

4

5

6

7

1 1 1 1 2 2 3 3 7 16 15 19 29 33 56 69 100 107 136 170 189 222 244 323 364 515 700 961 1476 2164 2522 1910 990 24

1 0 2 3 7 10 8 14 23 31 51 55 71 98 121 153 166 214 239 269 330 416 470 603 710 979 1347 1908 1559 753 20

1 2 4 8 10 16 19 30 42 69 86 101 143 173 214 271 295 376 421 485 577 716 818 1027 1391 1602 1044 134

1 5 6 11 19 33 45 63 72 101 139 167 209 238 302 367 413 485 574 698 810 936 1277 1489 749 62

13373

10629

10074

9270

8 3 1 4 7 15 19 32 40 65 81 96 119 157 178 218 268 323 362 456 525 630 702 946 1338 686 42

9 1 3 2 8 20 29 33 46 66 77 105 124 149 197 210 248 303 340 390 495 643 945 839 109

7311

5381

Beispiel: t = 6 °C; x = 5 g Wasserdampf (WD)/kg trockener Luft (tr.L.) Der Zustand t = 6 bis 6,9 °C Lufttemperatur und x = 5 bis 5,9 g WD/kg tr.L. tritt im Mittel 1908 Zehntel Stunden oder 190,8 Stunden/Jahr auf.

1.1.3 Luftfeuchte

87 DVD

10 1 1 5 9 17 19 33 44 61 87 92 116 129 147 185 202 257 263 357 454 641 264 1

11

12

13

1 3 6 6 14 21 29 42 58 64 86 94 110 120 131 163 195 315 313 38

1 3 3 7 12 16 18 26 28 41 45 54 58 72 76 94 170 113 8

0 2 4 8 9 9 12 16 15 21 24 26 28 29 42 56 25

3385

1808

845

326

14

15

2 3 3 2 7 12 5 8 9 9 10 13 19 4

0 2 1 2 2 1 3 5 4 3 3 2

106

27

16

17

18

0

1 2 1 1 1 1 1

0 0 1 0

8

2

0

0

19

SUM 5 7 21 47 90 132 186 262 369 464 578 748 916 1079 1311 1542 1909 2244 2647 3033 3391 3606 3781 3849 3638 3663 3431 3457 3450 3462 3658 3726 3672 3513 3361 3543 2553 2260 1839 1339 1033 795 699 547 456 304 283 221 159 122 87 61 38 26 24 7 6 1 0 2 1 87656

DVD 88

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.3-4

t/x 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 SUM SUMH

Korrelation zwischen Lufttemperatur t in °C und Wassergehalt x in g WD/kg tr. Luft für das Jahr. Potsdam, Zeitraum 1991 bis 2005

Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in Zehntelstunden), 24 stündliche Messwerte je Tag 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 2 1 3 1 4 5 1 7 2 4 1 4 9 9 15 1 9 10 23 16 2 11 12 18 31 34 11 25 43 36 41 3 21 32 46 61 61 1 11 21 40 67 71 64 13 29 57 78 99 79 1 14 33 67 87 111 129 5 27 37 89 99 128 139 3 15 45 91 139 156 169 3 19 53 94 171 180 198 3 13 32 63 107 237 247 220 5 14 41 73 148 244 318 267 3 17 58 86 187 279 348 325 1 4 25 53 109 217 340 438 389 2 33 77 143 265 407 517 426 13 42 69 181 303 455 575 475 1 13 55 89 204 332 558 702 545 1 7 55 99 226 361 663 752 713 1 15 66 127 281 489 764 850 1041 1 24 83 163 314 612 922 1311 358 3 29 95 196 399 738 1039 1157 1 3 29 116 257 539 824 1497 214 1 43 165 361 737 1027 1018 6 50 203 462 963 1436 171 10 71 221 696 1280 1169 8 88 267 953 1857 333 11 105 399 1311 1780 8 143 582 1815 1001 14 166 819 2543 17 17 175 1145 2215 19 225 1870 1243 23 301 3269 86 21 453 2203 36 699 1374 39 1025 547 3 72 1089 15 2 99 796 1 121 599 2 174 363 1 294 109 3 280 1 249 5 156 6 125 2 72 4 58 1 35 10 12 10 13 2 68 1975 6645 13704 13051 10516 9076 9373 8344 5717 68 2043 8688 22392 35443 45959 55035 64408 72752 78469

SUM := Summe; SUMH := Summenhäufigkeit

10

1 1 3 10 13 21 38 42 71 77 103 122 152 152 205 241 271 329 347 431 717 638 24

4011 82480

1.1.3 Luftfeuchte

89 DVD

Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in Zehntelstunden), 24 stündliche Messwerte je Tag 11 12 13 14 15 16 17 18 19

1 4 4 13 19 20 25 31 52 56 64 96 103 141 159 185 215 249 288 501 219

1 2 2 4 3 13 19 27 35 37 44 57 73 83 100 127 131 192 300 35

1 2 1 3 10 8 16 15 19 30 33 41 45 58 39 67 92 103

1 1 1 5 6 3 7 11 16 11 15 11 22 16 34 25

2445 84925

1287 86212

582 86794

187 86981

1 1 1 1 1 5 1 3 5 2 4 7 7

37 87018

SUM := Summe; SUMH := Summenhäufigkeit

1 1 1 1 1

3 87021

1 87022

87022

1 87023

SUM 2 3 5 11 23 25 69 110 177 259 347 468 573 701 861 1005 1179 1448 1771 2037 2450 2805 3080 3436 3515 3658 3788 3656 3480 3351 3291 3447 3505 3607 3549 3559 3553 3357 3679 2677 2109 1611 1179 897 722 539 405 283 251 161 131 74 62 37 22 10 13 2 87021

SUMH 2 5 10 21 44 69 138 248 425 684 1031 1499 2072 2773 3634 4639 5818 7266 9037 11074 13524 16329 19409 22845 26360 30018 33806 37462 40942 44293 47584 51031 54536 58143 61692 65251 68804 72161 75840 78517 80626 82237 83416 84313 85035 85574 85979 86262 86513 86674 86805 86879 86941 86978 87000 87010 87023 87025

DVD 90

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Für Deutschland ergibt sich mit Ausnahme der Küstengegend eine weitgehend homogene Situation, die in VDI 20781) durch die konstante absolute Feuchte x = 12 g/kg tr.L. beschrieben ist. Analysiert man die t,x-Diagramme (Tabellen 3 der DIN 4710:2003), so erkennt man, dass sowohl für das Binnenland- als auch für das Flusstalklima hinsichtlich der Enthalpie nur geringe Überschreitungen (6–7 h/a) auftreten, so dass der diesbezügliche Auslegungsvorschlag zunächst beibehalten werden kann: Zone (VDI 2078) 2 Binnenland 1 3 Binnenland 2 4 Flusstäler SW

tmax

tmax

tf max

x

ϕ

°C

kJ/kg

°C

g/kg tr.L.

%

31 32 33

62 63 64

21,4 21,7 22,0

12 12 12

43 40 38

Natürlich ist bei der Kühlerauslegung abhängig von der Konstruktion zu prüfen, ob dieser „trockene“ Auslegungszustand für den Kühler den kritischen Zustand darstellt, denn abhängig vom Rippenabstand kann der Kondensatablauf behindert sein und Leistungseinbußen ergeben. Dann muss ein feuchterer Auslegungspunkt gewählt werden, bevorzugt auf der Linie h = const. Für ϕ = 75% ergeben sich dann folgende Auslegungswerte: Zone 2 3 4

tmax

hmax

x

ϕ

°C

kJ/kg

g/kg tr.L.

%

24,8 25,0 25,2

62 63 64

14,6 14,8 15,1

75 75 75

Es gibt neuere Arbeiten2), die die in den letzten Jahren beobachtete Erwärmung der Atmosphäre beachten und auf Basis der letzten 10 Jahre noch höhere Auslegungswerte empfehlen. Inzwischen hat eine Initiative von VDI und VBI dazu geführt, dass der DWD die t,x-Korrelationen für die 15 Stationen der DIN 4710/2003 neu ausgewertet hat, und zwar für die 15 Jahre von 1991 bis 2005. Diese werden demnächst veröffentlicht. Sie zeigen keine starken, doch immerhin spürbare Veränderungen. Tafel 1.1.3-4 zeigt das am Beispiel von Potsdam. Vergleicht man Tafel 1.1.3-3 und -4, so sieht man zunächst: Die Höchsttemperatur steigt von 35 auf 38 °C, die Tiefsttemperatur steigt von –24 auf –18 °C, die Maximalfeuchte steigt vonf 18 auf 19 g/kg tr.L. Eine Analyse sämtlicher Stationen nicht mit den einzelnen Extremwerten, sondern bei einer zugelassenen geringen Überschreitung von ca. 10 bis 15 h/a (ca. 1–1,5% aller Stunden) führt auf Werte, die sich bei der Auslegung nur unwesentlich von den bisher anerkannten unterscheiden. Festlegungen dazu werden im Rahmen von DIN- oder VDIArbeitskreisen demnächst getroffen. Tafel 1.1.3-5 zeigt die Größenordnung sommerlicher und winterlicher Auslegungspunkte nach obiger Definition für Temperatur, Wasserdampfgehalt und Enthalpie. Die Tabelle s. S. 91 oben ist nach wie vor gültig. Das Enthalpie-Niveau passt. Nur Mannheim weicht nach oben ab (h = 66 kJ/kg), die Bergstationen nach unten (Fichtelgebirge mit h = 54 kJ/kg).

1) 2)

VDI 2078:1996-07, S. 25. Albers, K.-J., u. N. Eyrich: TAB 3:2006.

1.1.3 Luftfeuchte Tafel 1.1.3-5

Vorschlag zur Definition von Auslegungspunkten für Außentemperatur und -feuchte sowie Enthalpie abhängig von einem genau definierten Risiko 0,1 % = 8,8 ~ 9 h/a (Überarbeitete Fassung einschließlich Mühldorf/Inn)

Sommerfall Nr. Ort 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

91 DVD

Bremerhaven Rostock Hamburg Potsdam Essen Bad Marienb. Kassel Braunlage Chemnitz Hof Fichtelberg Mannheim Mühldorf/Inn Stötten Garmisch-P.

Temp. tAusl. ˚C 30 29 31 32 31 29 31 27 30 30 24 34 32 29 30

Über- Wasserdampf- Enthal- Überschreigehalt xAusl. pieAusl. schreitung h/a gWd/kg tr.L. kJ/kg tung h/a 14 13.2 64 10 13 12.8 62 9 11 12.3 63 10 14 12.4 64 12 11 12.8 64 10 9 12.0 60 12 14 12.0 62 15 15 12.1 58 11 14 12.4 62 11 14 12.4 62 8 9 11.7 54 11 12 12.4 66 10 15 12.4 64 15 13 12.0 60 14 16 12.4 62 9

Winterfall tAusl. Unter˚C schreitung h/a -10 9 -10 12 -12 8 -14 8 -10 10 -12 11 -12 11 -14 16 -14 10 -16 9 -16 15 -12 10 -18 12 -14 10 -16 19

Bezüglich der Wasserdampf-Extremwerte ist zu beachten, dass in Tafel 1.1.3-5 nur die den Maximaltemperaturen zugeordneten x-Werte angegeben sind. Bei konstanter Enthalpie steigt x bei kleinerem t und höherem ϕ. Für die Prüfung von Werkstoffen und Geräten in verschiedenen Gebieten der Erde unterscheidet man 4 Freiluftklimate: Kaltes Klima . . . . . . . . . . . Niedrigstes Monatsmittel Grönland, Sibirien unter –15 °C Gemäßigtes Klima . . . . . . Monatsmittel zwischen –15 °C Nord- und Mitteleuropa, und +25 °C Nordstaaten der USA Trockenes Klima . . . . . . . . höchstes Monatsmittel Nordafrika, Arabien, Südüber 25 °C staaten der USA Feuchtwarmes Klima . . . . mindestens 1 Monatsmittel Indien, Mittelafrika, über 20 °C und 80% rel. F. Amazonas-Gebiet Ausländische Klimabeispiele s. Bild 1.1.3-5, s.u. Hinweise zur VDI 4710,1

DVD 92

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.3-5. Beispiele von Klimatypen.

Für Wirtschaftlichkeitsrechnungen in der Klimatechnik ist die Häufigkeit der Enthalpiewerte im Jahresverlauf wichtig. Bild 1.1.3-6 zeigt die Summenhäufigkeitskurve für Deutschland, Bild 1.1.3-7 den Jahresgang der mittleren Monatsenthalpie. Bild 1.1.3-8 zeigt weitere zeitlich detaillierte Angaben, wie sie zur Energieverbrauchsberechnung bei der Luftbehandlung benötigt werden. Beispiel: Die Enthalpie h = 33 kJ/kg entsprechend einem Taupunkt von 11,5 °C von Raumluft bei 22 °C/50% rel. Feuchte wird bei 24-h-Betrieb der Anlage an 6300 Stunden im Jahr unterschritten und an 2460 Stunden überschritten (Bild 1.1.3-6).

Bild 1.1.3-6. Summenhäufigkeit (Jahresdauerlinie) der Enthalpie in Deutschland.

1.1.3 Luftfeuchte

93 DVD

Bild 1.1.3-7. Jahresgang der mittleren Monatsenthalpie für Deutschland*). *) aus VDI 2071-2:1983-03. Hinweis: Neuauflage der VDI 2071:1997-12 enthält graphisches Näherungsverfahren.

Bild 1.1.3-8. Jahres-Enthalpiestunden für Heizung und Befeuchtung bei 24-h- und 10-h-Betrieb (7 bis 17 Uhr) abhängig vom Grenzwert hfin*). *)

aus VDI 2071-2:1983-03.

Ähnlich wie bei der Temperatur und der Feuchte ist bei der Enthalpie der Begriff der Enthalpiestunden eingeführt worden. Enthalpiestunden sind das Produkt aus der Zahl der jährlichen Stunden und der Enthalpiedifferenz zwischen der Außenluft und einem angenommenen Grenzwert für die Zuluft hfin (Bild 1.1.3-8). Beispiel: Bei hfin = 33 kJ/kg und 24-h-Betrieb sind die Enthalpiestunden in Berlin (Bild 1.1.3-8) MWh kJ- h ⋅ --- =105 ----------------- . 105000 ----kg a

a · kg/s

Bei einem Luftmassenstrom von 1 kg/s ist demnach die jährliche Energie zur Erwärmung und Befeuchtung der Außenluft auf hfin = 33 kJ/kg Q = 105 MWh/a. Das Bild 1.1.3-8 kann auch durch Planimetrieren der Fläche zwischen der Kurve in Bild 1.1.3-7 und hfin ermittelt werden. Anwendung auch bei der Wärmerückgewinnung (Bild 3.3.8-8). Für die Berechnung der Jahresenergiekosten der Luftbehandlung in Klimaanlagen sind in VDI 2067-21:2003-05 die Methoden zusammengestellt.1) Wie in dem inzwischen zurückgezogenen Blatt 3 von VDI 2067 hat man auch in Blatt 21 Zonen gebildet, bei denen jeweils bestimmte Prozesse in der Klimaanlage aktiviert sind (z.B. Zone I für Heizen, Befeuchten, Zone II für Kühlen, Zone III für Entfeuchten, Kühlen, Nachwärmen, Zone IV für Nachwärmen allein (s. Bild 1.1.3-9).

1)

VDI 2067-21:2003-05 ersetzt VDI 2067-3:1983-12. Diese Richtlinie gehört zu einer Richtliniengruppe, die die Energiebedarfsberechnungen für alle Bereiche der Gebäudetechnik beschreibt: Grundlagen Bl. 10, Rechenverfahren Bl. 11 (wird ersetzt durch generellen Rechenkern in VDI 6007), Energiebedarf für Trinkwassererwärmung, Bl. 12, WW-Heizung Bl. 20, Raumlufttechnik Bl. 21 usw., Energieaufwand Verteilung (Bl. 30), Solaranlagen (Bl. 40), Wärmepumpen (Bl. 42), BHKW (Bl. 44), Fernwärme (Bl. 46). Ein Großteil der letzten Blätter noch in Vorbereitung.

DVD 94

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.3-9. Zoneneinteilung im h, x-Diagramm zur Festlegung der unterschiedlichen Luftbehandlungsprozesse einer RLT-Anlage.

Für jede Zone wird mit der mittleren Enthalpie der Außenluft und der erforderlichen Enthalpiedifferenz für die Luftbehandlung gerechnet. Für 15 deutsche Stationen liegen die Häufigkeiten als Jahressumme für 12 und 24 Stunden, für 24 Stunden auch als Monatssumme, vor. Damit können die Gradtage zur Lufterwärmung oder -abkühlung bzw. die Grammstunden zur Ent- oder Befeuchtung in bezug auf gewünschte Referenzpunkte angegeben werden. Je nach den Luftbehandlungsstufen einer Anlage können die angegebenen Zonen modifiziert bzw. auch weiter unterteilt werden (z.B. entlang Linien konstanter Enthalpie beim Wasser-Luftbefeuchter). In VDI 2067-21 sind sind die Algorithmen für verschiedene Anlagentypen angegeben. Die etwas mühsamere Handrechnung sollte allerdings mittels geeigneter Programme ersetzt werden durch eine flexible Datenauswertung der DIN 4710. Derzeit bevorzugen die Softwarehäuser für ihre Anlagen die Testreferenzjahre, die analog zu den Klimazonen der DIN 4710 aus dem gleichen Datenkollektiv gebildet werden und inzwischen beim DWD verfügbar sind. Allerdings umfassen diese nur ein Teilkollektiv, während die Tabellen 3 der DIN 4710 alle Ereignisse der Jahre 1961–1990 vollständig beschreiben. Hinweis: Die beschleunigte Entwicklung der Rechentechnik führt dazu, dass kaum mehr manuelle energetische Jahresanalysen durchgeführt werden. Daher wird hier auf die seither üblichen Teilauswertungen z.B. analog der inzwischen zurückgezogenen VDI 2067-3 verzichtet. Die inzwischen publizierte DIN 4710:2003-01 erlaubt es, mittels der dortigen Tabellen 3 (s. Tafel 1.1.3-3) und der Algorithmen in VDI 2067-21:2003-05 für verschiedene Klimatisierungssysteme die entsprechenden Berechnungen durchzuführen, sinnvollerweise auf die speziell gewünschte Behaglichkeitszone bezogen, wobei eine solche spezifische Auswertung unproblematisch ist, da die DIN 4710 auch als CD mit EXCEL-Dateien vorliegt. Die Softwarehäuser präferieren allerdings (s.o.) die energetisch treuen Testreferenzjahre, die nun für die 15 Stationen der DIN 4710 vorliegen1) und es erlauben, Anlagen auch in ihrem genauen Zeitverlauf abzubilden. Zwar sind damit nicht alle in DIN 4710 als möglich erkannten t,x-Zustände erfaßt, aber durch Bezug auf die zeitlich korrekte Anlagenstrategie sind derartige Ergebnisse für energetische Aussagen sehr zuverlässig. 1)

Christoffer, J., Th. Deutschländer u. M. Webs: Testreferenzjahre für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse TRY.(2004) Offenbach, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes.

1.1.3 Luftfeuchte

95 DVD

Das gilt nicht für Extremwertaussagen. Um hier eine äquivalente Sicherheit zu erreichen, sind Daten für 3 Monate eines extremen Winters und für die 3 Monate eines extremen Sommers analog zu den Testreferenzjahren zusammengestellt und ermöglichen beispielsweise, die Häufigkeit des Überschreitens einer Grenztemperatur im Raum in einem extremen Sommer im Vergleich zu einem mittleren Sommer festzustellen. Es ist beabsichtigt, diese Daten zu einem Gesamt-TRY „extrem“ zu ergänzen. Dennoch bieten die klassischen Verfahren einen guten Überblick und können nach wie vor zu einer Basisabschätzung herangezogen werden. Die t,x-Korrelationen der DIN 4710 erlauben eine sehr viel sicherere Auslegung als die statistischen Grenzwerte ttr und tf z.B. entsprechend Tafel 1.1.3-2, da man nach allen Kriterien (Temperatur, Feuchte, Enthalpie) ein genau definiertes Risiko der Überschreitung festlegen kann. Da diese Präzision für industrielle Auslegungen (z.B. in Textilfabriken) von besonderer Bedeutung ist, haben der Deutsche Wetterdienst Hamburg und der VDI beschlossen, auch für 20 außereuropäische Orte in unterschiedlichen Klimazonen analoge Statistiken aufzubereiten, die dann eine nahezu vergleichbare Präzision bei der Auslegung ermöglichen sollen. Der Entwurf VDI 4710,1 ist im Dezember 2006 erschienen, der Weißdruck erscheint im Sommer 2008.1) VDI 4710,1 enthält Wetterdaten von 20 außereuropäischen Stationen in sehr unterschiedlichen Klimazonen von Alaska bis Australien. Damit kann natürlich keine Vollständigkeit angestrebt werden, aber die Datenformate wurden gleichartig zur DIN 4710 gewählt, so dass man nun problemlos mit den klassischen Programmen auch Berechnungen für außereuropäische Stationen durchführen kann. Da der DWD auf Grund von Wettervorhersageaufgaben und Vereinbarungen mit der WMO (World Meteorological Organization) dreistündlich viele relevante Daten aus 5000 Stationen weltweit erhält, ist er in der Lage, auf Anfrage entsprechende Statistiken für viele andere Orte zur Verfügung zu stellen (dann gegen Honorar). Hier soll nur beispielhaft eine Tabelle aus VDI 4710,1 gezeigt werden: Tafel 1.1.3-6 zeigt die t, x-Korrelation für Abu Dhabi. Ausführliche Erläuterungen zur VDI 4710,1 findet man in 2). Über die Summenhäufigkeiten an den Rändern lassen sich schnell viele Berechnungen durchführen – z.B. zur Bestimmung von Kondensatmengen bei einer Entfeuchtung. Der Vorteil dieser übersichtlichen Darstellung aller Zustandspunkte ist offensichtlich.

1) 2)

VDI 4710,1, Wetterstatistiken außereuropäischer Stationen, E 2006-12. Masuch, J., G. Rosenhagen, K. Dehne, W. Riecke u. K. Hollenbach: Darstellung von Außereuropäischen Klimadaten für die Gebäudetechnik HLH 58 (2007), H. 4–7

DVD 96

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.3-6

Korrelation Lufttemperatur t (in °C)/Wasserdampfgehalt x (in g/kg tr. Luft): Mittlere jährliche Anzahl der Fälle (in 1/10 Stunden) Station Abu Dhabi, Bezugszeitraum: 1990–1999

t/x

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 Summe

0 0 0 0 0 7 24 10 10 7 3 3 7 3 14 0 0 0 17 10 7 3 3 7 7 3 0 3 3 0 0 0 0 0 3 0 0 0 7

0 0 0 0 24 14 17 27 17 3 17 0 17 14 10 14 14 24 20 14 7 17 7 10 27 10 3 0 3 3 17 3 3 10 7 3 0 0 0

3 3 14 14 7 41 14 14 34 27 31 20 27 31 31 27 38 31 20 24 44 44 44 38 44 34 51 34 10 34 65 38 61 51 31 17 7 7 0

0 0 7 17 17 27 27 44 41 34 34 55 51 41 68 38 51 51 65 48 58 78 82 82 109 123 143 99 106 130 154 119 102 89 48 34 17 14 0

0 0 0 10 20 31 44 51 48 68 48 58 72 75 58 106 61 89 61 116 136 109 102 109 201 232 252 242 270 338 300 252 157 133 85 89 41 0 0

0 0 7 10 14 34 31 44 68 68 58 51 75 78 85 89 116 140 133 174 154 136 160 215 242 334 409 382 420 447 386 396 304 229 119 51 10 0 0

0 3 17 41 31 34 34 48 61 51 51 85 75 92 130 106 102 136 150 160 191 188 239 256 382 464 406 474 556 580 467 420 362 263 41 3 0 0 0

0 0 3 20 58 61 58 78 68 102 82 106 126 75 99 113 106 133 157 201 215 263 266 368 416 461 498 594 631 624 607 437 181 24 0 0 0 0 0

0 0 3 27 34 61 41 78 96 82 109 109 126 150 140 136 160 119 218 232 259 273 345 392 512 508 659 730 689 553 423 150 7 0 0 0 0 0 0

0 0 0 7 31 58 75 82 126 130 164 140 109 119 143 208 242 157 242 300 246 293 351 478 461 665 689 631 648 321 55 3 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 7 27 24 85 92 106 99 143 123 184 181 143 164 198 205 304 218 273 416 444 403 553 467 573 426 218 31 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 3 3 10 41 48 78 85 136 150 154 181 205 171 212 225 266 290 297 317 406 372 447 420 433 334 126 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 3 7 44 48 85 92 130 147 188 218 150 188 252 181 242 310 338 297 317 345 331 252 242 61 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 3 17 20 44 65 99 116 136 157 181 225 164 194 208 246 273 280 324 280 266 160 38 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 3 0 17 31 34 68 113 167 167 194 194 208 212 252 232 355 307 273 307 208 133 51 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

161 376 1,106 2,304 4,066 5,672 6,702 7,234 7,424 7,177 6,110 5,432 4,487 3,498 3,535 Summenhäufigkeit 161 537 1,643 3,947 8,013 13,684 20,386 27,620 35,044 42,221 48,331 53,763 58,250 61,748 65,282

1.1.3 Luftfeuchte

97 DVD

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

0 0 0 0 0 3 7 31 106 89 126 194 194 140 208 198 270 290 283 259 256 198 154 75 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 7 10 7 17 68 75 150 225 177 188 208 270 280 328 293 276 242 160 61 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 3 14 48 89 150 177 160 218 242 280 386 341 304 293 184 68 14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 14 24 58 58 102 164 157 252 280 287 307 386 324 235 109 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 3 10 44 58 130 133 157 198 331 324 348 420 317 140 51 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 3 3 31 44 102 102 147 259 304 341 334 351 225 41 17 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 10 14 31 65 123 143 232 341 355 382 297 92 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 3 3 20 41 89 140 232 225 304 321 164 27 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 3 3 10 31 41 72 147 212 276 140 44 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 17 17 20 61 65 123 140 102 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 3 10 20 41 55 61 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 34 44 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3,089 3,060 2,972 2,775 2,672 2,305 2,096 1,573

982

548

203

95

30 Sum- Summenme häufigkeit 0 3 3 0 6 9 0 54 63 0 162 225 0 290 515 0 524 1,040 0 634 1,674 0 924 2,598 0 1,364 3,962 0 1,644 5,605 0 2,238 7,843 0 2,674 10,518 0 3,058 13,576 3 3,600 17,175 3 4,291 21,466 0 4,686 26,152 0 4,819 30,971 0 4,656 35,627 0 4,461 40,088 0 3,971 44,059 0 3,618 47,677 0 3,626 51,302 0 3,479 54,781 0 3,629 58,409 0 3,846 62,255 0 4,023 66,278 0 4,080 70,358 0 3,760 74,117 0 3,576 77,693 0 3,062 80,755 0 2,475 83,230 0 1,819 85,049 0 1,178 86,226 0 799 87,026 0 334 87,360 0 197 87,557 0 75 87,632 0 21 87,653 0 7 87,660 6

68,372 71,432 74,404 77,180 79,852 82,157 84,253 85,825 86,808 87,356 87,559 87,654 87,660

DVD 98

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

-6

Feuchte-Gleichgewicht

Ein großer Teil aller Materialien unserer Umgebung enthält Wasser in mehr oder weniger großer Menge. Der Wassergehalt ist abhängig von der rel. Luftfeuchte. Man nennt diese Stoffe hygroskopisch. Bei bestimmter längere Zeit andauernder Feuchte der umgebenden Luft stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem der betreffende Stoff Wasser weder aufnimmt noch abgibt. Beispiel Bild 1.1.3-10, das die Sorptionskurven verschiedener Stoffe zeigt.

Bild 1.1.3-10. Gleichgewichts-Wassergehalt verschiedener Stoffe bei 20–30 °C. Adsorptions- und Desorptionskurven*). *)

Berichtsheft 6 der Fachgemeinschaft Lufttechn.- und Trocknungsanlagen des VDMA. 1964.

1.1.4

Sonnenstrahlung1) 2)

Die Sonnenstrahlung ist auch in der Heizungstechnik von Bedeutung, da sie eine zusätzliche, allerdings sehr unbeständige Wärmequelle darstellt. Im Winter ist infolge des niedrigen Sonnenstandes trotz kurzer Sonnenscheindauer der Wärmegewinn durch Fenster erheblich; vor allem bei Neubauten mit Vollwärmeschutz und Wärmeschutzgläsern wird die Heizlast während der Zustrahlungszeit dadurch bequem gedeckt, und man muss eher an Maßnahmen gegen Überwärmung denken. Aber auch in Altbauten mit großen Fenstern kann bereits im März oder April die Sonnenstrahlung den Wärmebedarf eines Raumes decken. In der Lüftungs- und Klimatechnik ist die Sonnenstrahlung besonders zu beachten, da sie bei der Kühlung von Räumen häufig den wesentlichen Teil der äußeren Kühllast ausmacht. Beweglicher Sonnenschutz ist daher anzustreben, um im Winter die 1)

2)

Nehring, G.: Ges.-Ing. 1962. S. 230/42. Güttler, G.: HLH 1971. S. 99/104. Aydinli, S.: Diss. TU Berlin 1981. Krochmann, J., u.a.: FLT-Ber. 3/1/4/82, KI 20/92, S. 247/51. Schneider, W.: Ki 3/76. S. 119/22. Kasten, F., u.a.: BMFT-Ber. T84–125/1984. Müller, H.: HLH 1/82. S. 15/25. Christoffer, J., K. Dehne u. J. Masuch, HLH 12/03, 1/04 u. 2/04.

1.1.4 Sonnenstrahlung

99 DVD

Sonnenenergie in die Räume zu lassen (passive Solarenergienutzung) und um bei Gefahr von Überwärmung die Räume dosiert abzuschirmen. Im Rahmen der Bestrebungen zur Energieeinsparung gewinnt die Sonnenenergie gegenwärtig größere Bedeutung (s. Abschn. 2.2.2-5 s. S. 710).

-1

Solarkonstante

Hätte die Erde keine Lufthülle, so würde auf eine Fläche senkrecht zur Sonnenstrahlung eine Wärmemenge von etwa 1,37 kW/m2 bei mittlerem Sonnenabstand eingestrahlt werden. Diese Zahl nennt man Solarkonstante. Ihr Wert schwankt mit dem Erdabstand zur Sonne zwischen 1,33 und 1,42 kW/m2. Die Gesamtstrahlung verteilt sich gemäß der Strahlungstemperatur der Sonne (ca. 6000 K) auf einen größeren Wellenlängenbereich entsprechend Bild 1.1.4-1. Das Maximum der Strahlung liegt im Bereich der für das Auge sichtbaren Strahlen, etwa bei µ = 0,5 µm. Die Gesamtenergie wird praktisch in dem Wellenbereich von 0,2 bis 3,0 µm übertragen. Die Fläche unterhalb der oberen Kurve stellt die Solarkonstante dar.

Bild 1.1.4-1. Intensität der Sonnenstrahlung.

Der Strahlungsdurchgang durch die Atmosphäre bewirkt Abschwächungen des Sonnenlichts aufgrund verschiedenartiger Phänomene: Streuung an Luftmolekülen und anderen Luftbestandteilen (Staub, Dunst). Stärkere Streuung der kurzwelligen Anteile, daher Himmelsblau. Absorption – spektral unterschiedlich – an mehratomigen Gasen, insbesondere O3, H2O, CO2 (s. Bild 1.1.4-1). (2atomige Gase N2, O2 lassen die Strahlung fast ungehindert hindurch.) Energieverteilung an der Erdoberfläche: ultraviolette Strahlen ≈ 6% sichtbare Strahlen ≈ 50% infrarote Strahlen ≈ 44%. Das in etwa 20 bis 50 km Höhe befindliche Ozon absorbiert besonders die ultravioletten Strahlen, so dass Strahlen mit Wellenlängen unter 0,29 µm nicht mehr die Erde erreichen. Der Gehalt der Luft an Ozon ist an sich sehr gering; bei Normaldruck entspricht er einer Schichtdicke von nur 2 bis 3 mm. Das Kohlendioxid absorbiert insbesondere Strahlen bei den Wellenlängen 2 bis 2,8 µm; 4,2 bis 4,4 µm und 13 bis 17 µm. Der Wasserdampf absorbiert namentlich in folgenden Wellenbereichen: 0,72; 0,93; 1,1; 1,4; 1,8; 2,3 bis 2,5; 4,4 bis 8,5; 12 bis 60 µm. Menge des Wasserdampfes in der Atmosphäre veränderlich, daher Absorption starken Schwankungen unterworfen. Bei einem mittleren Dampfdruck von 13 mbar beträgt die gesamte vom Wasserdampf absorbierte Energie etwa 10% der Sonnenstrahlung. Dunst- und Staubschichten sind hauptsächlich in der Luft über Großstädten und Industriezonen enthalten und bewirken hier eine zusätzliche Schwächung der Strahlung, namentlich bei niedrigem Sonnenstand. Allerdings haben die in den letzten 20 Jahren

DVD 100

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

durchgesetzten Maßnahmen zur Luftreinhaltung bereits zu guten Erfolgen, d.h. deutlicher Verbesserung geführt. In allen Fällen ist die Schwächung der Sonnenstrahlung um so größer, je länger der von den Strahlen durchlaufene Luftweg ist, so dass sich ebenso wie bei der Temperatur ein täglicher und jährlicher Gang der Strahlungsintensität ergibt.

-2

Linkescher Trübungsfaktor TL

Es gibt verschiedene Maße zur Beschreibung der Strahlungsreduktion in der Atmosphäre1). Durchgesetzt hat sich in der Klimatechnik in Deutschland der Trübungsfaktor TL nach Linke2), der von einer ideal reinen und trockenen Atmosphäre ausgeht (TL = 1). Der reale Trübungsfaktor (z.B. TL = 4) bedeutet die gedachte Zahl reiner Atmosphären, die die gleiche Trübung wie die wirkliche Atmosphäre hervorrufen. Noch vor wenigen Jahrzehnten hat man örtlich erhebliche Trübungsunterschiede festgestellt (im Juli z.B. zwischen TL = 3 und 5). In einschlägigen Richtlinien wurden demgemäß reine Atmosphäre, Großstadt- und Industrieatmosphäre unterschieden3). Aus Sonderuntersuchungen fand man im Winter in Großstadtzentren mit vielen Einzelfeuerungen sogar Werte >10. Durch statistische Strahlungsauswertungen von Kasten et al.4) wurde erkannt, dass sich durch Verbesserung der Feuerungsemissionen im Winter (Trend zu öl- und gasbefeuerten Zentralheizungen mit Emissionsüberwachung) und generell ganzjährig durch Verringerung der Emissionen in den Ballungsgebieten (Entstaubung, Entschwefelung, Entstickung bei Kraftwerken) sowie durch weiträumigere Verteilung der Emissionen (hohe Schornsteine) eine völlig andere Trübungsverteilung zeigt. Es gibt generell nur noch eine Strahlungszone für Deutschland (an wolkenlosen Tagen). Der Trübungsfaktor hat – wie bisher auch – einen ausgeprägten Jahresgang, bedingt durch den jahreszeitlich schwankenden Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Der Mittelwert im Juli ist von TL = 4 (seinerzeit „Großstadttrübung“) auf TL = 6 angestiegen. Die Schwankung der Trübung ist erheblich. Für Extremuntersuchungen (AuslegungsTafel 1.1.4-1

Trübungsfaktoren und Zustrahlung an wolkenlosen Tagen (50°geographische Breite) Mittlere Trübung (hohe Diffusstrahlung)

Monat

Januar Febraur März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

1) 2) 3) 4)

TL

3,7 4,1 4,6 5,1 5,3 6,1 6,1 5,9 5,4 4,2 3,6 3,5

Geringe Trübung (hohe Gesamtstrahlung)

Max. Strahlung auf Normalfläche Idir W/m2

Idif W/m2

Iges W/m2

591 663 714 725 738 682 670 649 629 643 598 538

157 188 209 216 211 223 228 233 228 189 152 137

748 851 923 941 949 905 898 882 857 832 750 675

TL

2,7 3,1 3,3 3,5 3,7 4,3 4,3 4,1 3,9 3,0 2,9 2,7

Max. Strahlung auf Normalfläche Idir W/m2

Idif W/m2

Iges W/m2

748 795 860 883 883 830 820 810 779 800 706 671

123 152 164 164 162 176 180 183 183 146 129 113

871 947 1024 1047 1045 1006 1000 993 962 946 835 784

Foitzik, L., u. H. Hinzpeter. Sonnenstrahlung und Lufttrübung. Geest u. Portig 1958. Linke, F., u. K. Boda. Vorschläge zur Berechnung des Trübungsgrades der Atmosphäre. Meteorol. Zschr. 39 (1922), S. 161ff. nach DIN 4710:1982-11. Kasten et al.: Räuml. u. zeitl. Verteilung der Sonnenstrahlung in der Bundesrepublik Deutschland. BMFT-Forschungsbericht T84–125 (1984).

1.1.4 Sonnenstrahlung

101 DVD

rechnungen, Kühllast1)) wird „Mittelwert minus Standardabweichung“ eingesetzt, bei der sich die höchste statistisch zu erwartende Gesamtzustrahlung ergibt. Tafel 1.1.4-1 gibt einen Überblick über die Jahresverläufeder Trübung (mittel, extrem) und die zugeordnete maximale Zustrahlung auf eine Normalfläche (jeweils um 12 Uhr Sonnenzeit). Maximale Zustrahlung an wolkenlosen Tagen rechnerisch nach Tafel 1.1.4-1 im April mit Iges = 1047 W/m2, Diffusstrahlung dann 164 W/m2. Bei mittlerer Trübung maximale Gesamtstrahlung 949 W/m2 im Mai, maximale Diffusstrahlung im August 233 W/m2. Hinweis: Bei dünner hoher Bewölkung (Zirrostratus) kann die Diffusstrahlung noch erheblich weiter ansteigen – bis zu ca. 350 W/m2. Wichtig für die Bewertung von Sonnenschutzmaßnahmen an nordorientierten Flächen. Bild 1.1.4-2 zeigt den Tagesgang der direkten Sonnenstrahlung auf Wände verschiedener Richtung im Juli bei extremer Gesamtstrahlung (Trübungsfaktor TL = 4,3).

Bild 1.1.4-2. Direkte Sonnenstrahlung auf Wände verschiedener Richtung im Juli für 50° nördlicher Breite bei Trübungsfaktor TL = 4,3 (geringe Trübung).

Tafel 1.1.4-2 gibt die Tagesgänge der direkten und diffusen Sonnenstrahlung für die beiden charakteristischen Juli-Trübungen TL = 6,1 (Mittelwert) und TL = 4,3 (Extremsituation Mittelwert minus Standardabweichung) gemäß Tafel 1.1.4-1 wieder. Die Extremwerte sind für Auslegungsrechnungen von Bedeutung, für energetische Untersuchungen können neben den heute bereits gegenüber vor wenigen Jahren wesentlich umfassenderen direkten Meßwerten auch diese rechnerischen Mittelwerte Anwendung finden. Meßwerte der Globalstrahlung G (Summe aus direkter und diffuser Strahlung, empfangen auf horizontaler Ebene) liegen derzeit von 42 Stationen des Meßnetzes des Deutschen Wetterdienstes (DWD) vor.2)

Bild 1.1.4-3. Sonnenhöhe, Azimut und Einfallswinkel. 1) 2)

VDI 2078:1996-07, DIN 4710:2003-01. Weitere Hinweise dazu in DIN 4710:2003-01.

Bild 1.1.4-4. Sonnenhöhe h um 12 h und 15 h für 50° nördliche Breite.

DVD 102

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

-3

Direkte Sonnenstrahlung auf beliebige Flächen

Aus den Zahlenwerten der Tafel 1.1.4-2 auf die Normalfläche lässt sich mittels bekannter trigonometrischer Funktionen (cos-Gesetz) leicht die direkte Sonnenstrahlung auf beliebige Flächen ermitteln.1) Aus Idir norm ergibt sich generell die Strahlung auf eine allgemeine unter dem Winkel α zur Vertikalen geneigte Fläche Ia = Idir norm · cos η mit η = Winkel zwischen Flächennormale und Sonnenstrahlungsrichtung (Bild 1.1.4-3). Es gilt weiter cos η = cos h cos α cos β + sin h sin α mit h = Sonnenhöhe β = a0 ± aw = horizontaler Eintrittswinkel a0 = Sonnenazimut aw = Wandazimut α = Neigungswinkel der Fläche gegen die Vertikale. Für senkrechte Flächen (α = 0) ist daher cos η = cos h cos β. Die Werte von h, a0 und aw lassen sich für jede geographische Breite und Länge sowie für jede Zeit berechnen oder aus astronomischen Tafeln entnehmen. Sonnenhöhe in Abhängigkeit von der Jahreszeit in Bild 1.1.4-4.

-4

Diffuse Strahlung2)

Der beim Durchgang durch die Erdatmosphäre an den Luftmolekülen gestreute Strahlungsanteil gelangt als sogenannte diffuse kurzwellige Sonnenstrahlung an die Erdoberfläche. Trübung der Atmosphäre bedeutet Schwächung der direkten Sonnenstrahlung, aber Erhöhung der diffusen Strahlung (vgl. Tafel 1.1.4-1). Zu dieser diffusen Strahlung gehört auch die Strahlung, die von der Umgebung (Häuser, Wände, Berge, Straßen usw.) auf die betrachtete Fläche reflektiert wird, so dass wegen der mannigfaltigen Möglichkeiten eine Berechnung nur annähernde Ergebnisse zeigen kann. Bei den Umrechnungen der Strahlung auf vertikale Flächen gemäß Tafel 1.1.4-2 wurde mit freiem Horizont und einem Reflexionsfaktor (Albedo) des umgebenden Bodens von r = 0,2 gerechnet.

Bild 1.1.4-5. Diffuse Sonnenstrahlung im Januar und Juli auf 50° nördl. Breite für mittlere und geringe Trübung gemäß Tafel 1.1.4-2.

1) 2)

VDI 2078:1996-07, S. 28. Pusˇkasˇ, J.: HLH 6/74, S. 179/81.

1.1.4 Sonnenstrahlung

103 DVD

Bild 1.1.4-5 verdeutlicht die Diffusstrahlung auf vertikale Flächen für die Trübungen gemäß Tafel 1.1.4-1 im Juli und Januar. Zu bemerken ist, dass die diffuse Sonnenstrahlung auf allen Himmelsrichtungen wirksam ist. Sie ist auch bei beschatteten Flächen und auf der Nordseite von Gebäuden vorhanden.

Bild 1.1.4-6. Globalstrahlung in W/m2 an wolkenlosen Tagen (Einwirkung auf Horizontalfläche) (Bezug: Geringe Trübung entsprechend Tafel 1.1.4-2).

diffus

gesamt

Strahlung

N

NW

W

SW

S

SO

O

NO

0

0

diffus

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

gesamt

0

0

diffus

0

gesamt

0

diffus

0

diffus

gesamt

0

0

gesamt

diffus

0

0

0

4

45

71

29

29

27

27

27

27

28

28

43

66

64

123

65

125

42

49

70

135

5

88

138

61

61

59

59

59

59

66

66

110

223

150

360

139

323

93

152

163

387

6

107

121

85

85

84

84

85

85

103

103

164

399

199

545

169

423

129

290

212

594

7

120

120

104

104

104

104

108

108

140

209

200

536

220

627

176

415

155

438

235

735

8

130

130

120

120

120

120

131

131

173

339

221

610

219

604

171

326

173

574

240

820

9

138

138

134

134

136

136

156

156

200

452

227

615

208

504

163

194

185

681

235

866

10

144

144

143

143

151

151

181

288

215

527

219

553

189

349

155

155

191

750

230

890

11

145

145

149

149

168

168

203

438

220

553

203

438

168

168

149

149

193

774

228

898

12

144

144

155

155

189

349

219

553

215

527

181

288

151

151

143

143

191

750

230

890

13

Wahre Ortszeit in h 14

138

138

163

194

208

504

227

615

200

452

156

156

136

136

134

134

185

681

235

866

15

130

130

171

326

219

604

221

610

173

339

131

131

120

120

120

120

173

574

240

820

16

120

120

176

415

220

627

200

536

140

209

108

108

104

104

104

104

155

438

235

735

17

107

121

169

423

199

545

164

399

103

103

85

85

84

84

85

85

129

290

212

594

18

88

138

139

323

150

360

110

223

66

66

59

59

59

59

61

61

93

152

163

387

19

45

71

65

125

64

123

43

66

28

28

27

27

27

27

29

29

42

49

70

135

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

20

Tafel 1.1.4-2

horizontal gesamt

normal

23. Juli

TL = 6,1

Ebene

Datum

DVD 104 1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tagesgänge der gesamten und diffusen Sonnenstrahlung auf Außenflächen in W/m2. 23. Juli, 50° nördl. Breite (gemäß Neuauflage DIN 4710:2003-01). a) Trübung: Mittelwert TL = 6,1 (bevorzugt für energetische Analysen).

diffus

gesamt

Strahlung

N

NW

W

SW

S

SO

O

NO

0

0

diffus

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

0

diffus

gesamt

0

gesamt

0

0

diffus

0

gesamt

0

diffus

0

diffus

gesamt

0

0

0

0

0

4

gesamt

diffus

horizontal gesamt

normal

23. Juli

TL = 4,3

Ebene

Datum

42

107

27

27

26

26

26

26

27

27

41

97

60

203

61

208

39

56

65

223

5

79

163

56

56

54

54

54

54

60

60

97

289

131

486

121

432

78

178

140

519

6

96

116

78

78

77

77

78

78

92

92

141

480

169

669

145

512

103

335

175

726

7

109

109

97

97

97

97

100

100

125

217

172

620

187

729

153

472

120

498

190

857

8

121

121

113

113

113

113

121

121

154

366

191

688

190

681

152

349

134

646

192

932

9

130

130

127

127

129

129

144

144

178

492

199

682

184

553

150

188

143

761

187

972

10

137

137

136

136

142

142

165

297

192

575

195

605

171

368

145

145

148

835

182

993

11

139

139

142

142

156

156

183

471

197

604

183

471

156

156

142

142

150

861

180

1000

12

137

137

145

145

171

368

195

605

192

575

165

297

142

142

136

136

148

835

182

993

13

Wahre Ortszeit in h 14

130

130

150

188

184

553

199

682

178

492

144

144

129

129

127

127

143

761

187

972

15

121

121

152

349

190

681

191

688

154

366

121

121

113

113

113

113

134

646

192

932

16

109

109

153

472

187

729

172

620

125

217

100

100

97

97

97

97

120

498

190

857

17

96

116

145

512

169

669

141

480

92

92

78

78

77

77

78

78

103

335

175

726

18

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163

121

432

131

486

97

289

60

60

54

54

54

54

56

56

78

178

140

519

19

42

107

61

208

60

203

41

97

27

27

26

26

26

26

27

27

39

56

65

223

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0

0

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0

0

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0

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0

0

0

0

0

0

0

0

20

1.1.4 Sonnenstrahlung 105 DVD

b) Trübung: Mittelwert minus Standardabweichung TL = 4,3 (für Extremwertbetrachtungen, Kühllast (vgl. Abschn. 3.5.3-8 s. S. 1654).

DVD 106

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

-5

Atmosphärische Wärmestrahlung

Die durch die Sonnenstrahlung erwärmte Atmosphäre sendet namentlich wegen ihres Gehaltes an Wasserdampf eine eigene langwellige Strahlung auf die Erde (atmosphärische Wärmestrahlung, früher auch „Gegenstrahlung“ genannt), die jedoch durch die größere Ausstrahlung der Erdoberfläche kompensiert wird. Die Differenz zwischen Zustrahlung und Abstrahlung ergibt je nach Feuchte der Luft und Temperatur der Erdoberfläche einen Strahlungsverlust von etwa 80…100 W/m2. Daraus erklärt sich die besonders im Winter in klaren Nächten zu beobachtende Temperaturabsenkung von horizontalen Flächen gegenüber der Umgebung (Bereifung von Autodächern). Bei Glasdächern ist dieses Phänomen unbedingt zu beachten (Kontrolle von Kondensationspunkten)!

-6

Gesamtstrahlung1)

Die Summe aus direkter und diffuser Strahlung wird Gesamtstrahlung genannt, bei einer horizontalen Empfangsfläche (ohne Umgebungseinflüsse) auch Globalstrahlung. Werte sind bei verschiedenen Trübungsfaktoren aus Tafel 1.1.4-2 und Bild 1.1.4-7 für Monat Juli zu entnehmen. Bild 1.1.4-6 zeigt für die verschiedenen Monate und für Strahlungstage die mittlere Globalstrahlung auf eine Horizontal-Fläche abhängig von der Tageszeit. Weitere Daten für Kühllastberechnung s. VDI 2078:1996-07, für Energieberechnungen DIN 4710:2003-01 u. VDI 2067. Sonnenscheinstunden Tafel 1.1.4-4.

Bild 1.1.4-7. Gesamtstrahlung auf Wände verschiedener Richtung im Juli für 50° nördlicher Breite beim Trübungsfaktor TL = 4,3 (geringe Trübung) (s. auch VDI 2078:1996-07, Tab. A9, DIN 4710:2003-01, Tab. 7.1.2.2).

Die Tagessumme für Global- und Diffusstrahlung an wolkenlosen Tagen kann aus Tafel 1.1.4-3 entnommen werden. Durchschnittswerte für alle Tage s. Tafel 1.1.4-5.

1)

Aydinli, S.: Fortschrittsberichte der VDI-Zeitschriften 1981, Reihe 6 Nr. 79. VDI-Verlag.

1.1.4 Sonnenstrahlung Tafel 1.1.4-3

107 DVD

Tagessummen der Direktstrahlung D, der diffusen Himmelsstrahlung H sowie der Globalstrahlung G auf horizontale Flächen an wolkenlosen Tagen. (Rechenwerte für 50° geographischer Breite und verschiedene Monate) in Wh/(m2d) (DIN 4710:2003-01) Wh/(m2d) Mittlere Trübung

Monat

Wh/(m2d) Geringe Trübung

D

H

G

D

H

G

Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember

979 1748 2971 4095 5056 4898 4514 3594 2577 1691 983 658

562 834 1240 1659 1962 2235 2131 1798 1370 839 542 420

1541 2582 4211 5754 7018 7133 6645 5392 3947 2530 1525 1078

1295 2179 3733 5226 6335 6258 5800 4715 3342 2202 1196 851

429 659 943 1235 1496 1762 1681 1395 1083 631 452 338

1724 2838 4676 6461 7831 8020 7481 6110 4425 2833 1648 1189

Tafel 1.1.4-4

Globalstrahlung auf Horizontalflächen und Sonnenscheindauer in Hamburg. DIN 4710:2003-01 (Tab. 7.2, 8.2 bzw. 9.3)

Monat

Strahlung mögliche

Sonnenscheindauer

im Mittel gemessene

[kWh/m2/d]

mittlere

mögliche

[h]

[h]

[%]

Januar Februar März April Mai Juni

1,23 2,31 4,18 6,09 7,61 7,90

0,52 1,12 1,98 3,54 4,83 4,69

42 67 105 161 217 222

280 311 343 419 498 496

15,0 21,5 30,6 38,4 43,6 44,8

Juli August September Oktober November Dezember

7,27 5,75 3,95 2,31 1,17 0,77

4,74 3,94 2,61 1,51 0,68 0,37

207 207 141 100 53 35

539 434 360 340 269 230

38,4 47,7 39,2 29,5 19,7 15,2 Im Jahresmittel 32%

Neben den rechnerischen Daten mit festgelegten Trübungen hat der Deutsche Wetterdienst jetzt ein Messnetz installiert mit dem inzwischen langfristige Strahlungsmessungen gewonnen wurden. Die DIN 4710:2003-01 (dort Tab. 8) enthält die Strahlungsmessergebnisse als stündliche Werte, als Tages- und Monatssummen sowie als Jahressummen für die Globalstrahlung und die diffuse Sonnenbestrahlung, im wesentlichen für den 15-Jahres-Zyklus 1980–1994.

DVD 108

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Tafel 1.1.4-5

Monat

Tägliche und monatliche mittlere gemessene Globalstrahlung sowie Jahresmittelwerte auf horizontale Flächen in verschiedenen Städten. DIN 4710:2003-01 (dort Tab. 8.2.1 u. 8.3.1). Potsdam (Berlin)

Hamburg

Passau (München)

Wh m2d

kWh m2, Mon

Wh m2d

kWh m2, Mon

Wh m2d

kWh m2, Mon

Januar Februar März April Mai Juni

599 1219 2186 3652 4997 4954

18,57 34,13 67,77 109,56 154,91 148,62

521 1116 1978 3537 4829 4694

16,15 31,25 61,32 106,11 149,70 140,82

844 1742 2597 3971 5195 5113

26,16 48,78 80,51 119,13 161,05 153,39

Juli August September Oktober November Dezember

5168 4311 2896 1751 740 452

160,21 133,64 86,88 54,28 22,20 14,01

4744 3943 2610 1511 682 366

147,06 122,23 78,30 46,84 20,46 11,35

5394 4707 3262 2017 953 645

167,21 145,92 97,86 62,53 28,59 20,00

Jahr

2753

1004,78

2552

931,59

3044

1111,13

Tafel 1.1.4-6

Jahressummen der Globalstrahlung für verschiedene Orte in kWh/m2/a

Berlin (Potsdam) Hamburg München (Passau)

1005 932 1111

Zürich Wien Paris

1000 1120 1500

Marseille Florida Sahara

1860 1800 2500

Aus DIN 4710:2003-01 u.a.

Tafel 1.1.4-7

Monat

Tagessummen der Gesamtstrahlung auf unterschiedlich orientierte Flächen (nach DIN 4710:2003-01) (dort Tab. 7.2.2.2)) (50° geographische Breite) (geringe Trübung) in kWh/m2/a. Normal

Horiz.

N

NO/NW

O/W

SO/SW

S

24. Januar 20. Februar 22. März 20. April 21. Mai 21. Juni

5,76 7,21 9,34 10,97 12,22 12,00

1,72 2,84 4,67 6,46 7,83 8,02

0,38 0,58 0,88 1,27 1,92 2,23

0,43 0,77 1,51 2,36 3,23 3,43

1,48 2,17 3,24 4,12 4,73 4,71

3,58 4,24 4,95 5,11 4,98 4,70

4,84 5,47 5,75 5,17 4,40 4,02

23. Juli 24. August 22. September 23. Oktober 20. November 20. Dezember

11,44 10,17 8,55 7,25 5,41 4,47

7,48 6,11 4,42 2,83 1,65 1,19

1,91 1,29 0,91 0,56 0,38 0,28

3,08 2,25 1,45 0,77 0,43 0,29

4,48 3,86 3,01 2,18 1,40 1,02

4,75 4,82 4,59 4,25 3,39 2,90

4,26 4,92 5,35 5,49 4,57 3,97

Danach schwankt die jährliche Globalstrahlungssumme in Deutschland zwischen 930 kWh/m2/a (Hamburg-Sasel) und 1124 kWh/m2/a (Weihenstephan). Potsdam (Berlin) liegt bei 1000, Passau (München) bei 1111, Mannheim (Frankfurt) bei 1050 kWh/m2/a.

1.1.4 Sonnenstrahlung

-7

109 DVD

Sonnenstrahlung und Fenster1)

Die Fensterflächen sind unter dem Einfluß der modernen Architektur in den letzten Jahren gegenüber früher immer größer geworden. Früher etwa 20% Fensteranteil der Außenwand, heute insbesondere z.B. bei Bürobauten bis zu 50%, vereinzelt auch mehr. Dennoch: Durch große Glasflächen steigt einerseits der Wärmeverlust im Winter, andererseits die Sonneneinstrahlung im Winter und im Sommer. Durch Wärmeschutzverglasung (kFe = 1,5 W/m2K und kleiner) lässt sich heute auch bei größeren Glasflächen die Anforderung der Wärmeschutzverordnung 1/95 und in Grenzen auch die der neuen Energie-Einsparverordnung EN-EV 2000 erfüllen. Im Winter und der Übergangszeit wird die meiste Wärme auf der Südseite eingestrahlt, im Sommer dagegen auf der Ost- und Westseite (vgl. Bild 1.1.4-8 gegenüber Bild 1.1.4-7). Das Maximum der integrierten Tagessumme an wolkenlosen Tagen liegt auf der Südseite mit 5,75 kWh/m2 je Tag im März und ähnlich hoch im Februar, September und Oktober (vgl. Tafel 1.1.4-7). Die Innenlufttemperaturen sind auf der Westseite immer am höchsten, während sie auf der Ostseite infolge der Wärmespeicherung und der geringeren morgendlichen Außentemperaturen merklich geringer sind.

Bild 1.1.4-8. Gesamtstrahlung auf Wände verschiedener Richtungen im September für 50° nördlicher Breite bei Trübungsfaktor TL = 3,9 (geringe Trübung) (s. auch VDI 2078:1996-07, Tab. A9, DIN 4710:2003-01 Tab. 7.1.2.2).

Bild 1.1.4-9. Jahresgang der Sonnenscheindauer in Berlin und Essen.

Bild 1.1.4-10. Temperaturgang der Raumluft an heißen Sommertagen (Beispiel nach Rouvel). Kein Sonnenschutz und keine Lüftung.

1)

Künzel, H., u. W. Frank: Ges.-Ing. 1/2–79. S. 85/92. Hauser, G.: Bauphysik 1/79. S. 12/17 u. TAB 12/79. S. 1015/9. Müller, H.: HLH 12/79. S. 467/72. Aydinli, S., u. J. Krochmann: TAB 7/8-84. S. 563/7.

DVD 110

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Bild 1.1.4-11. Raumlufttemperatur infolge Sonnenstrahlung durch Fenster auf Südseite. Mitte Juni, 40% Fensteranteil.

Bild 1.1.4-12. Oberflächentemperaturen von sonnenbestrahlten Dächern.

Zur Abführung der sehr erheblichen Sonnenwärme im Sommer sind bei Gebäuden mit großen Fenstern Klimaanlagen häufig unentbehrlich, namentlich wenn keine geeigneten Sonnenschutzvorrichtungen vorhanden sind und die Wärmespeicherung infolge leichter Bauweise gering ist1). Räume mit dicken Wänden aus schweren Baustoffen erwärmen sich wesentlich weniger, da sie eine große Wärmekapazität haben. Erhöhung der Innentemperatur normaler Räume mit großen ungeschützten Fenstern ohne Kühlung s. Bild 1.1.4-10 und Bild 1.1.4-11, die natürlich nur eine ungefähre Vorstellung vermitteln sollen. Möblierung, Teppiche, Wand- und Decken-Verkleidungen verringern die Speicherung. Sonnenschutzmöglichkeiten durch Sonnenschutzgläser, Vorhänge, Jalousien, Markisen, überstehende Balkone oder Dächer usw. s. Abschn. 1.12.2 s. S. 587. Die Oberflächentemperatur von Wänden und Dächern wird durch die Sonnenstrahlung sehr hoch (Bild 1.1.4-12)2). Natürlich spielt der Einfluß der Strahlungsreflexion eine wesentliche Rolle. Dunkle Flächen werden deutlich wärmer als helle oder metallisch blanke. Im Winter verringert Sonnenstrahlung durch Fenster den Wärmeverlust. Südorientierte Fensterflächen können gegenüber fensterlosen Fassaden eine Energieersparnis am jährlichen Wärmeverbrauch in der Größenordnung von ca. 15% erbringen3). Zur passiven Solarwärmenutzung s. auch Abschn. 1.12.1-4 s. S. 582.

-8

Besonnung im Jahresablauf4)

Bei fast allen vorhergehenden Angaben war vorausgesetzt, dass der Himmel unbedeckt ist und die Sonne ungestört strahlt (s. aber S. 37, letzter Abs. mit Hinweisen auf Tab. 8 der DIN 4710). Die sich dabei ergebenden Strahlungswerte sind maßgebend für die Bemessung der Kühler in den Klimaanlagen. Für die Ermittlung der Betriebskosten muss man die tatsächlich vorhandene Sonnenscheindauer und die tatsächliche Einstrahlung im Laufe eines Jahres kennen. Diese sind jedoch sowohl zeitlich wie örtlich großen Schwankungen unterworfen. Tafel 1.1.4-4 bis Tafel 1.1.4-6 und Bild 1.1.4-9. Die jährliche Sonnenscheindauer schwankt zwischen 1423 h in Essen und 1693 h in Potsdam (Berlin).

1)

2) 3)

4)

Hauser, G., u. K. Gertis: Ki 2/80. S. 71/82. Holz, D., u. H. Künzel: Ges.-Ing. 3/80. S. 49/56. Rouvel, L.: Kongreßbericht Berlin 1980. S. 169/72. Reinhard, K.: Ki 6/78. S. 235/40. Gertis, K., u. G. Hauser; Ki 3/79. S. 283/7. Rouvel, L., u. B. Wenzel: HLH 8/79. S. 285/91. Werner, H.: Ges.-Ing. 3/80. S. 63/8 und 3/81. S. 121/6. Hauser, G.: HLH Heft 4, 5 u. 6/1983. Hönmann, W.: LTG, TI Nr. 61/1984 u. CCI 12/83. S. 16/26. Kast, W., u. Otten: HLH 12/88. S. 558/561. Krochmann, J.: Lichttechn. 74 S. 428/9 u. 466/8 u. TAB 4/77. S. 405/8.

1.1.4 Sonnenstrahlung

111 DVD

Bild 1.1.4-13. Globalstrahlung in Deutschland. Mittlere Jahressummen in kWh/m2/a. Zeitraum: 1981-2000. Quelle: Deutscher Wetterdienst (DWD), Meteorologisches Observatorium Hamburg.

Das Verhältnis tatsächliche Sonnenscheindauer ---------------------------------------------------------------------------mögliche Sonnenscheindauer

liegt im Jahresmittel bei etwa 0,32 (Sonnenscheinwahrscheinlichkeit SSW) s. Tafel 1.1.4-4. Das gemessene Tagesmittel der Globalstrahlung (auf Horizontalflächen) schwankt zwischen 0,5 kWh/(m2d) im Januar bis etwa 5,5 kWh/(m2d) im Juni s. Tafel 1.1.4-5. Das Verhältnis zwischen gemessener und möglicher Strahlung beträgt ungefähr auf Horizontal-, Ost- und Westflächen 0,55…0,60 auf Südflächen 0,45…0,50 auf Nordflächen 0,90 Die mittleren jährlich durch Globalstrahlung auftretenden Energiemengen in kWh/ 2 (m a) in den verschiedenen Regionen Deutschlands sind in Bild 1.1.4-13 dargestellt.

DVD 112

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

-9

Besonnung bei unterschiedlichen geographischen Breiten

Nahezu sämtliche bisherigen Aussagen zur Strahlung sind auf mitteleuropäische Verhältnisse zugeschnitten, bevorzugt auf 50° nördlicher Breite. Um den Anforderungen der Globalisierung gerecht zu werden, entstand die VDI 4710.11) mit umfassenden Informationen zu außereuropäischen Stationen. Diese Richtlinie enthält neben Messdaten auch ausführliche Berechnungsunterlagen zur Solarstrahlung und zwar weltweit für die geographischen Breiten ± 70° bis 0° (Äquator) in 5°-Schritten. Parameter ist wieder der Linke’sche Trübungsfaktor TL, und man hat jeweils drei Trübungsfaktoren zur Auswahl, um die örtliche Atmosphäre zu charakterisieren. Die Berechnung wurde von S. Aydinli mit dem gleichen Programmsystem durchgeführt, mit dem er auch die deutschen Strahlungsdaten ermittelt hat (s. DIN 4710, VDI 2078).2) Hier werden nur zur Illustration Strahlungsverläufe der Gesamtstrahlung für Januar, April, Juli gezeigt – einmal für +5° geographische Breite (in Äquatornähe) und einmal für 65° geographische Breite (Bild 1.1.4-14 bis Bild 1.1.4-19). Das gesamte Datenmaterial steht auf CD zur Verfügung.

Bild 1.1.4-14 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 5° nördl. Breite, Januar, TL = 4

Bild 1.1.4-15 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 5° nördl. Breite, April, TL = 4

Bild 1.1.4-16 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 5° nördl. Breite, Juli, TL = 4

Bild 1.1.4-17 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 65° nördl. Breite, Januar, TL = 2,5

1) 2)

VDI 4710,1 E.12-06. Aydinli, S.: Diss. TU Berlin 1981, s.a. Fortschr. Ber. VDI, Reihe 6, Nr. 79 Düss. 1981. Aydinli, S.: Wärmeeinstrahlung in Innenräume durch Solarstrahlung. Bauphysik Bd 5 (1983) H.4.

1.1.5 Wind

113 DVD

Bild 1.1.4-18 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 65° nördl. Breite, April, TL = 2,5

1.1.5

Bild 1.1.4-19 Berechnete Richtwerte der gesamten Sonnenstrahlung bei wolkenlosem Himmel 65° nördl. Breite, Juli, TL = 2,5

Wind1)

Der Wind kann einen erheblichen Einfluß auf den Wärmebedarf von Räumen haben, da infolge von Druckunterschieden zwischen innen und außen kalte Außenluft durch Undichtigkeiten in der Gebäudeaußenhaut (Fenster, Türen, Jalousiedurchführungen usw.) eindringt. Es kann dadurch auch zu Zugbelästigung kommen. In der Energieeinsparverordnung ist daher für Neubauten die Fugendurchlässigkeit für Fenster und Türen limitiert (s. Abschn. 6.1.5 s. S. 2108). Der mittlere Luftwechsel n je Stunde erreicht bei alten Fenstern durchschnittliche Werte von n=0,5…1,0 mit zeitlichen Spitzen, die ein Vielfaches davon betragen. Neuerdings werden die Fenster besonders dicht ausgeführt und begrenzen die Fugenlüftung auf etwa ein Zehntel dieses Betrages. Dadurch wird heute oft der hygienisch erforderliche Mindestbedarf zur Lüftung unterschritten, der für Wohnungen bei dem oben genannten Wert n = 0,5…1,0 h–1 liegt. Die Heizleistung hierfür liegt in der Größenordnung der Transmissionsverluste (s. Abschn. 2.4.1 s. S. 1088). Die Berechnung erfolgt neuerdings nach EN 12831:2003-08, die mit deutschem Anhang die wesentlichen Grundkonzepte (Trennung der Rechnung nach Transmission und Lüftung) beibehält. Raum- und Hauskenngröße werden durch einen Höhenkorrekturfaktor und einen Abschirmkoeffizienten ersetzt. Die Basis bildet ein n50Kennwert, die Luftwechselrate je Stunde, die auf Grund einer Druckdifferenz innen– außen von 50 Pa entsteht. DIN 4701-3:1989-08 mit Hinweisen zur Heizkörperdimensionierung wurde zurückgezogen. Auch bei Lüftungsanlagen ist der Windeinfluß zu beachten. Auf der dem Wind zugekehrten Seite eines Gebäudes (der Luvseite) entsteht Überdruck, auf der dem Wind abgekehrten Seite (der Leeseite) Unterdruck. Bild 1.1.5-1. Ein Fortluftventilator, der auf der Luvseite ausbläst, wird also bei Windanfall wegen des größeren Luftwiderstandes weniger Luft fördern, auf der Leeseite dagegen mehr. Niederdruckventilatoren werden stärker beeinflußt als Hochdruckventilatoren. Bei enger Bebauung können durch gegenseitige Beeinflussung Veränderungen der Luftdruckverteilungen auftreten. Besonders bei Großbauten in Stadtzentren hat es sich bewährt, die Auswirkung eines Neubaus auf die städtische Durchlüftung der Nachbarschaft vorher in einem Gebäudeumströmungsversuch im Windkanal zu untersuchen. Daraus erhält man u.U. wichtige Erkenntnisse über Veränderungen des Mikroklimas dort und kann ggf. Korrekturen an der Gebäudegeometrie anbringen und auch wiederum im Versuch bewerten. Weiterhin kann die Gefahr der Rücksaugung von Emissionen untersucht und geklärt werden.

1)

Mattendorf, E.: HLH 3/76. S. 93/6. Frank, W.: Ges.-Ing. 1/2 (78). S. 3/7. Wolfseher, U., u. K. Gertis: Ges.-Ing. 9/78. 8 S. Hausladen, G.: HLH 1/78. S. 21/8.

DVD 114

1. Grundlagen / 1.1 Meteorologische Grundlagen

Auch bei der Aufstellung von Rückkühlwerken auf Dächern ist der Windeinfluß zu beachten. Wesentlich für die Bedeutung des Windeinflusses sind zwei Faktoren: Die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung.

Bild 1.1.5-1. Windanfall auf ein Gebäude.

Bild 1.1.5-2. Mittlere monatliche Windgeschwindigkeiten in verschiedenen deutschen Städten. DIN 4710:2003-01

Windgeschwindigkeit. Die mittlere Windgeschwindigkeit wird auf den meteorologischen Stationen mit dem bekannten Schalenkreuzanemometer gemessen, meist jedoch in größerer Höhe, etwa 20 bis 30 m. Man unterscheidet einen täglichen und einen jährlichen Gang. Die Unterschiede im täglichen Gang sind gering und können für heizungstechnische Untersuchungen vernachlässigt werden. Beim jährlichen Gang zeigt sich (Bild 1.1.5-2), dass die mittlere Windgeschwindigkeit überall in Deutschland im Winter etwas größer ist als im Sommer, ferner, dass sie in Küstennähe größer ist als im Binnenland. Neuere Untersuchungen von Heizwärmeverbräuchen, veranlasst vom Bundesbauministerium, zeigen genau aus diesem Grunde signifikant höhere Verbrauchsergebnisse bei Bauten in Küstennähe. Allerdings zeigt Bild 1.1.5-2 auch, daß es einen kontinuierlichen Abfall der Geschwindigkeit von Nord nach Süd zu geben scheint. Auffällig sind die extrem niedrigen Werte für Passau. In manchen Gegenden haben sich für besondere Winde besondere Namen durchgesetzt, wie Föhn (Alpen-Nordseite) und Mistral (Südfrankreich). Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe zu. In 100 m Höhe ist sie um etwa 50% größer als in 10 m Höhe. Das Maximum wird gegen Mittag erreicht. Die Beaufort-Skala B zur Messung der Windstärke hat 12 Windstärkestufen. Umrechnung auf die Luftgeschwindigkeit v (angenähert): v = 2 B – 1 in m/s

1.1.5 Wind

115 DVD

Bild 1.1.5-3. Mittlere jährliche Windgeschwindigkeit und Windrichtung. DIN 4710:2003-08.

Windrichtung. Die Windrichtung wird in den meteorologischen Tafeln nach der achtteiligen Windrose und in Prozent der Beobachtungszahlen angegeben. Bild 1.1.5-3 zeigt für Bremerhaven, Potsdam, Mannheim und Passau die mittleren jährlichen Windgeschwindigkeiten in den verschiedenen Himmelsrichtungen. Es zeigt sich, dass die häufigsten und stärksten Winde aus westlichen Richtungen (W, NW, SW) wehen, eine Tatsache, die fast auf ganz Deutschland zutrifft, wenn örtlich auch fast stets Besonderheiten zu beachten sind. Beispiel: Frankfurt/M hat neben einem ausgeprägten SW-Wind-Einfluß einen nahezu gleich starken NO-Wind-Einfluß, bedingt durch Fallwinde vom nahen Taunus. Auffällig ist, dass die Windgeschwindigkeiten in Süddeutschland (rechte Graphik) erheblich unter denen in Norddeutschland liegen. Für die Heizungstechnik wichtig sind besonders die größeren Geschwindigkeiten im Winter. Aus Tafel 1.1.5-1 geht hervor, dass die Winde über 5 m/s mit einer Häufigkeit von rund 70% aus dem westlichen Quadranten wehen. Da außerdem Häufigkeits- und Geschwindigkeitskurve annähernd gleichlaufend sind, haben demnach insbesondere die nach westlichen Richtungen gelegenen Räume einen durch den Wind bedingten zusätzlichen Wärmebedarf. Im Jahresverlauf werden die höchsten Geschwindigkeiten im November, die geringsten im August/September gemessen.

Tafel 1.1.5-1

Häufigkeit der Winde über 5 m/s Geschwindigkeit im Winter

DVD 116

1.2

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

Hygienische Grundlagen1) Ergänzung von Prof. Dr. Bjarne W. Olesen, Lyngby (Dänemark) und Dr.-Ing. Runa Tabea Hellwig, Holzkirchen (ausgenommen Abschn. 1.2.5)

Da Heizungs- und Klimaanlagen in der Hauptsache eine hygienische Aufgabe haben, nämlich das Wohlbefinden und die Gesundheit der Menschen sowie ihre Arbeitsfreude und Leistungsfähigkeit in den Räumen zu erhalten, ist es für den Heizungs- und Klimatechniker unerlässlich, die wesentlichen Grundlagen der Hygiene der Heizung und Klimatechnik, d.h. ihren gesundheitlichen Einfluss auf den Menschen zu kennen. Die Heizungs- und Klimatechnik hieß daher früher auch Gesundheitstechnik.

1.2.1

Wärmehaushalt des Menschen2)

Während manche Lebewesen, die Wechselwarmblüter, sich mit ihrer Körpertemperatur der Temperatur der Umgebung anpassen, wie z.B. Fische und Würmer, hat der menschliche Körper wie der der Vögel und Säugetiere die Eigenschaft, bei allen äußeren Luftzuständen und beliebig schwacher oder starker Muskeltätigkeit eine annähernd konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Nach den Grundsätzen der Wärmelehre muss dabei ein gewisses Gleichgewicht zwischen der im Körper erzeugten und der von ihm abgegebenen bzw. gespeicherten Wärme bestehen. Herbeigeführt wird diese gleichmäßige Körpertemperatur von 37 ± 0,8 °C durch das Blut, das in seinem Kreislauf zu allen Körperteilen gefördert wird, ähnlich dem Wasser in einer Warmwasserpumpenheizung. Um die Körpertemperatur jederzeit bei allen äußeren oder inneren Verhältnissen konstant zu halten, ist eine äußerst feine selbsttätige Temperaturregelung erforderlich, die vom „Wärmezentrum“ im Zwischengehirn gesteuert wird. Fühlorgane dieser Regelung sind in der Haut und im Wärmezentrum liegende Nervenendorgane (Thermoreceptoren), die teils die innere Wärmeerzeugung, teils die äußere Wärmeabgabe des Körpers beeinflussen. Bei der physikalischen Temperaturregelung wirken eine Anzahl Faktoren zusammen, um die äußere Wärmeabgabe des Körpers der Körpertemperatur anzupassen. Die Wärmeabgabe erfolgt dabei auf mehrfache Weise: 1. durch Konvektion der Wärme von der Körperoberfläche an die Luft; 2. durch Wärmeleitung an berührenden Flächen, z.B. bei den Füßen, am Gesäß; 3. durch Wärmestrahlung von der Körperoberfläche an die umgebenden Flächen; 4. durch Verdunstung von Wasser an der Haut; 5. durch Atmung; 6. durch Ausscheidungen, Einnahme von Speisen, Diffusion u.a. Die unter 6. genannten Einflüsse sind meist so gering, etwa 2 ... 3%, dass sie gegenüber den anderen vernachlässigt werden können, so dass nur die fünf Wärmeverlustquellen Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung, Verdunstung und Atmung eine Rolle spielen. Sinkt die Raumtemperatur unter die Behaglichkeitsgrenze, wird es also zu kalt, so verengen sich die Blutgefäße unter der Haut, die Haut wird blass und trocken, die Hautoberflächentemperatur verringert sich. Dabei sinkt die Wärmeabgabe an die Luft sowohl durch Konvektion als auch durch Strahlung und Verdunstung (Gänsehaut, Frösteln). Bei noch mehr fallender Außentemperatur stellt sich starkes Kältegefühl ein, das bei lang andauernden tiefen Temperaturen schließlich zum Erfrieren führt. Für die Bewertung des Kältegefühls und der Arbeit in kalter Umgebung können ISO 110793) und ISO 157434) verwendet werden.

1) 2)

3)

Neubearbeitung erfolgte von Prof. Dr. Bjarne W. Olesen für die 72. Auflage ASHRAE Fundamentals 2005. DIN EN 13779:2005-05: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen. DIN 33403-1:1984-04 u. DIN 33403-2:2000-08, DIN 33403-3:2001-04: Klima am Arbeitsplatz. ISO 11079:2007-12: Ergonomics of the thermal environment – Determination and interpretation of cold stress when using required clothing insulation (IREQ) and local cooling effects.

1.2.2 Wärmeabgabe des Menschen

117 DVD

Der ruhende Körper hat die höchste Hauttemperatur. Bei verstärkter Aktivität nimmt die Temperatur ab, so dass die Wärme schneller abgeführt wird. Steigt andererseits die Lufttemperatur über die Behaglichkeitsgrenze, so strömt mehr Blut in die äußeren Blutgefäße, die Haut rötet sich, die Temperatur der Hautoberfläche steigt und damit auch die Wärmeabgabe durch Verdunstung und Konvektion an die umgebende Luft. Genügt diese Wärmeentlastung noch nicht, um den Körper genügend zu entwärmen, treten in der Haut liegende Schweißdrüsen in Aktion, der Körper beginnt zu schwitzen, d.h. Wasser abzuscheiden, durch dessen Verdunstung eine starke Kühlwirkung erfolgt. Durch die Verdunstung von 1 l Wasser verliert der Körper rund 2400 kJ. Ist die Entwärmung auch trotz starken Schwitzens noch nicht ausreichend, so tritt der Zustand des Wärmestaues ein, der zu Unbehagen, Kopfschmerzen, Mattigkeit und schließlich ausgesprochenen Hitzeschäden (Kreislaufzusammenbruch, Hitzekrampf) führt.

1.2.2

Wärmeabgabe des Menschen

Für der Bewertung der Arbeit in warme Umgebungen können DIN EN ISO 79331) und DIN EN ISO 72432) verwendet werden. Für die klimatechnischen Rechnungen genügt es, die in Tafel 1.2.2-1 angegebenen Werte der Kühllastregeln (VDI 2078:1996-07) zu verwenden. Tafel 1.2.2-1

Wärme- und Wasserdampfabgabe des Menschen (nach VDI 2078:1996-07 – Kühllastregeln)*)

Tätigkeit

Lufttemperatur

körperlich nicht tätig bis leichte Arbeit im Stehen

Q· tr (trocken) Q· f (feucht) Q ges Wasserdampfabgabe GD

·

·

schwere körper- Q· ges liche Tätigkeit Qg *)

°C

18

20

22

23

24

25

26

W 100 95 90 85 75 75 70 W 25 25 30 35 40 40 45 W 125 120 120 120 115 115 115 g/h 35 35 40 50 60 60 65 W W

270 270 270 270 270 270 270 155 140 120 115 110 105 95

s. auch DIN 33403-3: 2001-04.

Für die Wärmebilanz und Wärmeabgabe des Menschen sind folgende Faktoren von Einfluss: Persönliche Faktoren: Bekleidung (Wärmedämmung Icl, Wasserdampfdurchlässigkeit) Körperliche Aktivität Umgebungsfaktoren: Lufttemperatur, ta Mittlere Strahlungstemperatur, tr (Temperatur der umschließenden Flächen) Luftgeschwindigkeit, va’ Feuchtigkeit (Absolute, Partieller Wasserdampfdruck) Ist die Wärmeabgabe größer als die Wärmeproduktion (Aktivität) sinkt die Haut-Körpertemperatur und die Arbeitszeit muss begrenzt werden. Die noch akzeptablen Bedingungen oder Begrenzung der Aufenhaltsdauer lassen sich nach ISO 11079 berechnen. Ist die Wärmeabgabe kleiner als die Wärmeproduktion steigt die Schweißabgabe und die Körpertemperatur und die Arbeitszeit muss begrenzt werden. Die noch akzeptablen Bedingungen und die Begrenzung der Aufenthaltsdauer lassen sich nach DIN EN ISO 7933 berechnen.

4) 1)

2)

ISO 15743:2005-06: Ergonomie der thermischen Umgebung – Arbeitspraktiken in der Kälte – Strategien für die Risikobeurteilung und das -management DIN EN ISO 7933:2004-12 Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der Wärmebelastung durch Berechnung der vorhergesagten Wärmebeanspruchung. DIN EN ISO 7243:2003 Hot environments – Estimation of the heat stress on working man based on the WBGT-index (Wet Bulb Globe Temperature).

DVD 118

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

Behaglichkeit1)2)3)

1.2.3

Obwohl der Mensch sich wechselnden äußeren Luftzuständen anpassen (akklimatisieren) kann, gibt es doch einen Bereich, den Behaglichkeitsbereich, innerhalb dessen er sich am wohlsten fühlt. Die Annehmbarkeit des thermischen Raumklimas und die Wahrnehmung von Behaglichkeit und Temperatur hängen mit der stoffwechselbedingten Erzeugung von Wärme, ihrer Abgabe an die Umgebung und den daraus resultierenden physiologischen Anpassungen der Körpertemperatur und des Schwitzens zusammen. Unzufriedenheit kann von warmer oder kühler Unbehaglichkeit hervorgerufen werden. Thermische Unzufriedenheit kann jedoch auch dadurch hervorgerufen werden, dass ein Teil des Körpers einer unerwünschten Wärme oder Kälte ausgesetzt ist (lokale thermische Unbehaglichkeit wie Zug-Erscheinungen, Strahlungstemperaturasymmetrie, warme oder kalte Fußböden, vertikale Lufttemperaturunterschiede). Als Ersatz für die bislang für die Auslegung von Lüftungsanlagen gültige DIN 1946-2 ist seit Mai 2005 DIN EN 137791) in Kraft. Dort wird bezüglich der Auslegungskriterien für Innenräume auf DIN EN 152512) verwiesen. Kommentierung umstrittener gerichtlicher Interpretationen arbeitsrechtlicher Bestimmungen zu sommerlichen Raumtemperaturgrenzwerten (26 °C) in Büros s. Kommentar in 3). Eine Zusammenfassung von Auslegungskriterien für Gebäude ist in DIN EN 152512) wiedergegeben. Diese beinhaltet Anforderungen an die thermische Behaglichkeit, die akustischen und visuellen Verhältnisse sowie die Luftqualität. Hervorzuheben ist die Unterteilung dieser Anforderungen in drei Kategorien: Kategorie 1 entspricht einem hohen Maß an Erwartungen und wird empfohlen für Räume, in denen sich sehr empfindliche oder anfällige Personen aufhalten. Kategorie II entspricht einem normalen Maß an Erwartungen und wird für neue und renovierte Gebäude empfohlen. Kategorie III steht für ein moderates Maß an Erwartungen und kann bei bestehenden Gebäuden angewendet werden. DIN EN ISO 77304) legt die Auslegungskriterien für lokale Behaglichkeit fest. Die Anforderungen an die thermische Behaglichkeit als prozentual Unzufriedene für die drei Kategorien sind in Tafel 1.2.3-1 dargestellt Tafel 1.2.3-1

Drei Kategorien des thermischen Raumklimas (DIN EN 15251, DIN EN ISO 7730)

Kategorie

Wärmezustand des Körpers als Ganzes Vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener PPD*)

Vorausgesagtes Mittleres Votum PMV*)

Lokale Unbehaglichkeit Prozentsatz Unzufriedener Zugluft*)

Vertikale Fuß- StrahlungsLufttempe- bodentemperaturdiffe- Temperaturrenz ratur asymmetrie

I

< 6%

–0,2 < PMV < +0,2 < 15%

< 3%

II

< 10%

–0,5 < PMV < +0,5 < 20%

III

< 15%

–0,7 < PMV < +0,7 < 30%

*) Anwendbar nur für maschinell geheizte oder gekühlte Räume. **) In DIN EN ISO 7730: 2006-05 sind die Kategorien mit A, B, C

1) 2)

3) 4)

< 10%

< 5%

< 5%

< 10%

< 5%

< 10%

< 15%

< 10%

benannt.

DIN EN 13779: 2007-09: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. Deutsche Fassung: 2007. DIN EN 15251: 2007-08: Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Deutsche Fassung EN 15251:2007. Hausladen, G., Hellwig, R. T.; Nowak, W.; Schramek, E.-R.; Grothmann, T.: 26°C – falsch verstandener Arbeitsschutz? Bauphysik 24 (2004), 4, 197–204. DIN EN ISO 7730; 2006-05: Ergonomie des Umgebungsklimas – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und der lokalen thermischen Behaglichkeit.

1.2.3 Behaglichkeit

-1

119 DVD

Generelle thermische Behaglichkeit

Die erste Anforderung an ein akzeptables thermisches Raumklima besteht darin, dass sich eine Person insgesamt thermisch neutral fühlt (d.h., dass sie nicht weiß, ob ein höherer oder ein niedrigerer Wert der Umgebungstemperatur vorzuziehen ist). Das Wärmegefühl wird durch die Art der Tätigkeit (Aktivität), die Wärmedämmung der Kleidung, die Lufttemperatur, die mittlere Strahlungstemperatur, die Luftgeschwindigkeit und die Feuchtigkeit (den Wasserdampfteildruck) beeinflusst. Nach DIN EN 152511) werden für die Auslegung der generellen thermischen Behaglichkeit zwei Verfahren unterschieden. Das im folgenden Abschnitt beschriebene Verfahren gilt für maschinell beheizte und gekühlte Gebäude. Abschnitt -1.7 beschreibt ein Verfahren für Gebäude ohne maschinelle Kühlung.

-1.1

Maschinell geheizte oder gekühlte Gebäude

DIN EN ISO 7730 standardisiert ein analytisches Verfahren auf der Grundlage des PMVPPD-Index, mit dem die obengenannten sechs Parameter zu einem Wert auf einer Sieben-Punkte-Skala zusammengefasst werden: +3 (heiß), +2 (warm), +1 (etwas warm), 0 (neutral), –1 (etwas kühl), –2 (kühl) und –3 (kalt). Die Qualität eines thermischen Raumklimas kann auch als der vorhergesagte Prozentsatz unzufriedener Personen (PPD-Index) ausgedrückt werden, der mit dem vorhergesagten mittleren Votum (PMVWert) zusammenhängt (Tafel 1.2.3-2). Ein PMV-Wert von Null entspricht thermischer Neutralität. Dieses Verfahren wird von DIN EN 15251 für maschinell geheizte oder gekühlte Gebäude übernommen. Im besten Fall ist immer noch mit 5% Unzufriedene zu rechnen. Tafel 1.2.3-2

Zusammenhang zwischen PMV und PPD

PMV

+3

+2

+1

+0,5

0

–0,5

–1

–2

–3

PPD

90%

75%

25%

10%

5%

10%

25%

75%

90%

In Bild 1.2.3-1 ist für 50% rel. Luftfeuchte die optimale Raumtemperatur (operative Temperatur) abhängig von Kleidung und Aktivität für Kategorie II dargestellt.

Bild 1.2.3-1. Optimale operative Temperatur für PMV = 0 abhängig von Aktivität und Kleidung (nach DIN EN ISO 7730). Luftfeuchte 50%. Ausgezogene Linien PMV = 0, d.h. 5% unzufrieden. Schraffierter Bereich PMV = ± 0,5, d.h. 10% unzufrieden, entspricht Kategorie II.

Dabei ist für die Luftgeschwindigkeit angenommen v = 0 m/s bei Aktivität M ≤ 1 met und v = 0,3 (M – 1) bei M > 1 met. Die ausgezogenen Kurven ergeben PMV = 0 (neutral), die Schraffur deutet den Bereich –0,5 < PMV < + 0,5 an, was PPD = 10% Unzufriedene ergibt. Die dazugehörige Schwan-

1)

DIN EN 15251: 2007-08: Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Deutsche Fassung EN 15251: 2007.

DVD 120

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

kungsbreite der Temperatur ist ebenfalls angegeben. Die operative Temperatur ist angenähert gleich dem Mittelwert von ta und tr (siehe -1.2). Beispiel: Tätigkeit: sitzend im Büro, d.h. M = 1,2 met (nach Tafel 1.2.3-6). Kleidung: leichte Sportkleidung mit Jacke, d.h. 1 clo (nach Tafel 1.2.3-4). Optimale operative Temperatur ≈ 22 °C.

-1.2

Raumtemperatur

Die Anforderungen können auch als Raumtemperatur angegeben werden. Den Mittelwert aus Luft- und Umschließungsflächentemperatur nennt man operative Temperatur, empfundene Temperatur oder einfach Raumtemperatur. Definition der operativen Temperatur: Die gleichmäßige Temperatur einer Raumumschließung, bei der der Mensch die gleiche Wärmemenge für Strahlung und Konvektion abgibt wie bei der gegebenen nicht gleichförmigen Umgebung. Operative Temperatur to = a · ta + (1 – a) · tr wobei a = 0,5 für Luftgeschwindigkeiten v < 0,2 m/s, a = 0,6 für v = 0,2 ... 0,6 m/s, a = 0,7 für v = 0,6 ... 1,0 m/s. Tafel 1.2.3-3 zeigt die Anforderungen an den Temperaturbereich der operativen Temperatur für drei verschiedene Raumtypen. Die obere Grenze des Intervalls für Sommer wird empfohlen als Auslegungstemperatur für Kühlung. Der untere Grenze im Winter wird empfohlen als Auslegungstemperatur für Heizung. Tafel 1.2.3-3

Auslegungswerte für die operative Raumtemperatur für unterschiedliche Räume nach DIN EN ISO 7730

Gebäude/ Raum

Akti- Katevität gorie met

Operative Raumtemperatura)

Max. mittlere Luftgeschwindigkeitc)

°C °C m/s m/s Sommerb) Winterb) Sommer Winter (Kühlperiode) (Heizperiode) (Kühlperiode) (Heizperiode)

Einzelbüro Großraumbüro Konferenzraum

1,2

A B C

24,5 ± 1,0 24,5 ± 1,5 24,5 ± 2,5

22,0 ± 1,0 22,0 ± 2,0 22,0 ± 3,0

0,12 0,19 0,24

0,10 0,16 0,21d)

Kindergarten

1,4

A B C

23,5 ± 1,0 23,5 ± 2,0 23,5 ± 2,5

22,0 ± 1,0 23,0 ± 2,5 23,0 ± 3,5

0,11 0,18 0,24d)

0,10d) 0,15d) 0,19

Kaufhaus

1,6

A B C

23,0 ± 1,0 23,0 ± 2,0 23,0 ± 3,0

19,0 ± 1,5 19,0 ± 3,0 19,0 ± 4,0

0,16 0,20 0,23

0,13d) 0,15d) 0,18d)

a)

In vielen Gebäuden und Räumen mit mäßigen Heiz- und Kühllasten sind die Raum-Operativund die Raumlufttemperatur fast gleich. Für die Auslegung wird der maximale Wert für Sommer (Kühlung) und der Minimum-Wert für Winter (Heizung) verwendet. b) Sommerbekleidung ~ 0,5 clo, Winterbekleidung ~ 1,0 clo. c) Angenommen wird ein Turbulenzgrad von 40%. Zur Bestimmung der maximalen mittleren Luftgeschwindigkeit wird sowohl im Sommer als auch im Winter die niedrigere Temperatur des Bereichs gewählt. d) Operative Raumtemperatur unterhalb des Gültigkeitsbereiches des Zugluftmodells (siehe Abschn. -2.4).

-1.3

Luftbewegung

Die Luftbewegung hat einen ganz erheblichen Einfluss auf die Behaglichkeit. Während der Mensch im Freien eine mäßige Luftbewegung durchaus nicht unangenehm empfindet, manchmal sogar begrüßt, ist er in geschlossenen Räumen empfindlicher gegen jede Art von Luftbewegung. Am meisten wird das Wohlbefinden gestört, wenn die bewegte Luft eine geringere Temperatur als die Raumluft hat und vorwiegend aus bestimmter

1.2.3 Behaglichkeit

121 DVD

Richtung einen Körperteil trifft. Man spricht in diesem Fall von Zugluft (s. Abschn. 1.2.3-2.4 s. S. 128). Erhöhte Raumtemperatur kann aber mit einer erhöhten Luftgeschwindigkeit (DIN EN ISO 7730) kompensiert werden.

-1.4

Luftfeuchte1)

Da die Entwärmung des menschlichen Körpers zum Teil auch durch Verdunstung von der Haut erfolgt, hat auch die Luftfeuchte einen gewissen Einfluß auf die Behaglichkeit. Denn die Stärke der Verdunstung hängt ja bei sonst gleichen Verhältnissen von dem Dampfdruckunterschied des Wassers an der Hautoberfläche und des Wasserdampfes in der Luft ab. Kennzeichnung der Luftfeuchte durch die Begriffe relative Feuchte oder Taupunkt oder Feuchtkugeltemperatur. Bei der normalen Raumtemperatur um 20 °C spielt allerdings die Wärmeabgabe durch Verdunstung nur eine geringe Rolle. Es ist daher anzunehmen, dass auch die Luftfeuchte in diesem Bereich keinen großen Einfluss hat. DIN EN 15251: 2007-08 empfiehlt als untere Grenze 20%, obwohl dafür keine sicheren Erkenntnisse vorliegen. Bei einer Feuchte unter 30%, die ja im Winter in geheizten Räumen leicht auftreten kann, hat sich gezeigt, dass durch Austrocknung der Kleidung, Teppiche, Möbel usw. die Staubbildung erleichtert wird und durch Verschwelung dieses Staubes auf den Heizkörpern Ammoniak und andere Gase entstehen, die die Atmungsorgane reizen. Dieses Probleme dürfte sich jedoch mittlerweile bei gut gedämmten Gebäuden mit niedrigen Heizkreistemperaturen entschärft haben. Kunststoffe aller Art werden bei trockener Luft elektrisch aufgeladen und sammeln zusätzlich Staubteilchen. Außerdem erfolgt eine Austrocknung der Schleimhäute der oberen Luftwege, die dadurch in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Bei hohen Raumtemperaturen dagegen beginnt die Raumfeuchte bereits eine dominierende Rolle zu spielen, da jetzt der Einfluss der Hautverdunstung bei der Wärmeabgabe stark ansteigt. Dies ist sehr deutlich dann zu erkennen, wenn man die obere Grenze der Behaglichkeit betrachtet, wo der Körper zu schwitzen anfängt. Durch Versuche hat man festgestellt, dass die sogenannte Schwülekurve für einen normal gekleideten ruhenden Menschen in unseren Breiten bei der Darstellung im h, x-Diagramm etwa bei einem Wassergehalt der Luft von 12 g/kg liegt.

-1.5

Kleidung2)

Von großem Einfluss auf die Behaglichkeit ist die Kleidung. In einem zu kalten Raum kann man sich sehr schnell durch wärmere Kleidung Behaglichkeit verschaffen, ebenso in einem zu warmen Raum durch leichtere Kleidung. Tafel 1.2.3-4

1)

2)

Dämmwert von Kleidung

Rasmussen, O. B.: 5. Int. Kongreß für Heizg.-Lüftg. Klimatechn. 1971. Siehe 79/86. Green, G. H.: Ki 2/75. Siehe 51/6 u. CCI 12/85. Siehe 26/30. Ki-Forum 12/81 u. i-Thema, CCI 12/85. DIN EN ISO 9920: 2007-10: Ergonomie der thermischen Umgebung – Abschätzung der Wärmeisolation und des Verdunstungswiderstandes einer Bekleidungskombination; Deutsche Fassung EN ISO 9920:2007.

DVD 122

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

Der Dämmwert einer Kleidung ist in DIN EN ISO 9920 und DIN EN ISO 7730 angegeben. Als physikalische Einheit für den Wärmeleitwiderstand gilt: 1 clo (von clothing value) = 0,155 m2 K/W Das Anziehen oder Ablegen von einzelnen Kleidungsstücken hat großen Einfluss auf die gewünschte Raumtemperatur. Tafel 1.2.3-5 zeigt für einige Kleidungsstücke die entsprechende Änderung der gewünschten Raumtemperatur. Tafel 1.2.3-5

Wärmedämmwert für einzelne Bekleidungsstücke und die entsprechende Änderung der Raumtemperatur um gleichen Behaglichkeitszustand zu erreichen. Die Werte sind für hauptsächlich sitzende Personen. DIN EN ISO 7730

Kleidungsteil

Dämmwert clo

Änderung der operativen Temperatur K

0,03 0,09 0,15 0,25 0,06 0,25 0,15 0,25 0,20 0,28 0,35

0,2 0,6 0,9 1,6 0,4 1,6 0,9 1,6 1,3 1,7 2,2

Slip T-Shirt Hemd mit kurzen Ärmeln Hemd mit langen Ärmeln Shorts Normale Hosen Leichter Rock (Sommer) Dicker Rock (Winter) Leichten Sweater Pullover Normale Jacke

-1.6

Körperliche Aktivität1)

Wie die Tafel 1.2.3-3 und Bild 1.2.3-1 zeigen, hat auch die Aktivität einer Person großen Einfluss auf die bevorzugte Raumtemperatur. Tafel 1.2.3-6 zeigt einige Tätigkeiten. Tafel 1.2.3-6

Gesamtwärmeabgabe des Menschen bei verschiedener Tätigkeit (nach DIN EN ISO 7730) Tätigkeit

ruhend sitzend, entspannt stehend, entspannt sitzend, leichte Tätigkeit (Büro, Wohnung, Schule, Labor) stehend, leichte Tätigkeit (Zeichenbrett-Tätigkeit) (Shopping, Labor, leichte Industrie) mäßige körperliche Tätigkeit (Haus-, Maschinen-Arbeit) schwere körperliche Tätigkeit (schwere Maschinenarbeit) *)

1)

Metabolic Rate = Wärmeabgabe W/m2

met*)

≈W

46 58 70 70

0,8 1,0 1,2 1,2

80 100 125 125

81 93 116

1,4 1,6 2,0

145 170 200

165

2,8

300

1 met = 58 W/m2.

DIN ISO EN 8996: 2005-01. Ergonomie der thermischen Umgebung – Bestimmung des körpereigenen Energieumsatzes.

1.2.3 Behaglichkeit

-1.7

123 DVD

Gebäude ohne maschinelle Kühlung

Durch Auswertung von Feldstudien konnte festgestellt werden, dass die aus dem oben beschriebenen Fangerschen Modell resultierenden Komforttemperaturbereiche nicht auf Gebäude, deren Temperatur sich ausschließlich durch Fensteröffnen und -schließen ergibt, übertragbar sind. Es wurde ein neues so genanntes adaptives Modell entwickelt, das für Gebäude ohne Heizung und ohne Kühlung in DIN EN 152511) aufgenommen wurde. Dabei wird ein gleitender Mittelwert der Außentemperatur als Bezugsgröße verwendet. Die resultierenden operativen Temperaturen (Raumtemperaturen) gelten hauptsächlich für Bürogebäude und Gebäude ähnlichen Typs, die für Nutzung durch Personen vorgesehen sind, die hauptsächlich sitzende Tätigkeiten ausführen, sowie für Wohnungen, in denen Fenster leicht geöffnet werden können und für Personen, die sich darin aufhalten, die ihre Kleidung leicht an die innen und außen herrschenden thermischen Bedingungen anpassen können. Damit dieses optionale Verfahren (Bild 1.2.3-2) angewendet werden kann, müssen folgende Randbedingungen eingehalten werden: – Die Räume müssen über Fenster verfügen, die sich zur Außenluft öffnen lassen und von den Nutzern leicht geöffnet und angepasst werden können. – Im Raum darf keine maschinelle Kühlung zum Einsatz kommen. – Maschinelle Lüftung mit ungekühlter Luft (im Sommer) darf verwendet werden, jedoch muss dem Öffnen und Schließen von Fenstern zur Regelung des Raumklimas der Vorzug gegeben werden. – Zusätzlich können weitere energiearme Möglichkeiten zur persönlichen Regelung der Innentemperatur angewendet werden, zum Beispiel Ventilatoren, Jalousien, Nachtlüftung usw. – Die Räume können mit einer Heizungsanlage ausgestattet sein. Dieses optionale Verfahren gilt jedoch nicht für die Jahreszeiten, in denen die Heizungsanlage in Betrieb ist. – Das Verfahren gilt nur für Räume, in denen die Nutzer mit nahezu ausschließlich sitzenden Tätigkeiten beschäftigt sind, bei denen die Stoffwechselrate zwischen 1,0 met und 1,3 met liegt. – Damit die Nutzer die Wärmedämmung ihrer Bekleidung nach Wunsch anpassen können, darf kein Dress-Code im Gebäude vorgeschrieben sein.

Bild 1.2.3-2 Bereich der operativen Raumtemperatur in Abhängigkeit von dem gleitenden Mittelwert der Außentemperatur für die drei Kategorien (siehe Abschnitt -1) nach DIN EN 15251.

1)

DIN EN 15251: 2007-08: Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Deutsche Fassung EN 15251: 2007.

DVD 124

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

Tafel 1.2.3-7

Bestimmung der optimalen operativen Raumtemperatur θi in °C in Abhängigkeit vom gleitenden Mittelwert der Außentemperatur für die drei Kategorien nach DIN EN 15251. θrm ist der gleitende Mittelwert der Außentemperatur.

Berechnung

Kategorie

θi = 0,33 * θrm + 18,8

Bereich Unterer Wert [K]

Oberer Wert [K]

I

-2

+2

II

-3

+3

III

-4

+4

Tafel 1.2.3-7 ist anwendbar für die oberen Werte bei 10 °C < θrm < 30 °C und für die unteren Werte bei 15 °C < θrm < 30 °C. Unterhalb von 10 °C bzw. 15 °C sind die gleichen Werte wie für maschinelle gekühlte oder geheizte Gebäude nach Abschnitt -1.1 anzuwenden. Der gleitende Mittelwert der Außentemperatur ist der exponentiell gewichtete Mittelwert der Tagesmittelwerte der Außentemperatur mehrerer aufeinander folgender Tage und bestimmt sich zu: θrm = (l – α) θed-1 ÷ α · θrm–1 Dabei ist: θrm der gleitende Mittelwert der Temperatur für den aktuellen Tag; θrm1 der gleitende Mittelwert der Temperatur für den vorherigen Tag; θed1 der Tagesmittelwert der Außentemperatur für den vorherigen Tag; θed2 der Tagesmittelwert der Außentemperatur für den vorvorherigen Tag usw; α eine Konstante zwischen 0 und 1. Es wird empfohlen, den Wert 0,8 zu verwenden

-2

Lokale thermische Unbehaglichkeit

Eine thermische Neutralität, wie sie von den PMV-PPD-Indices oder der operativen Temperatur beschrieben wird, ist nicht die einzige Anforderung an eine thermische Behaglichkeit. Eine Person fühlt sich möglicherweise behaglich, was den Körper als Ganzes betrifft, und kann sich dennoch unbehaglich fühlen, wenn ein Teil des Körpers warm und ein anderer kalt ist. Daher ist als zusätzliche Anforderung an die thermische Behaglichkeit notwendig, dass keine lokale thermische Unbehaglichkeit vorliegt. Eine lokale Unbehaglichkeit kann von einem asymmetrischen Strahlungsfeld (Bild 1.2.3-3), einer örtlich begrenzten Konvektionskühlung (z.B. Zugluft, Bild 1.2.3-7), dem Kontakt mit einem warmen oder kalten Fußboden (Bild 1.2.3-4) oder einem vertikalen Lufttemperaturunterschied (Bild 1.2.3-5) verursacht werden. Auf Basis von Bild 1.2.3-3 bis Bild 1.2.3-5 sind in Tafel 1.2.3-8 die Anforderungen an vertikale Lufttemperaturdifferenzen, Fußbodentemperatur und Strahlungstemperaturasymmetrie für drei Kategorien dargestellt.

1.2.3 Behaglichkeit

125 DVD

Bild 1.2.3-3 %-Unzufriedene aufgrund von Strahlungsasymmetrie.

Bild 1.2.3-4. %-Unzufriedene aufgrund zu warmer oder zu kalter Fußbodentemperatur.

Bild 1.2.3-5. %-Unzufriedene aufgrund vertikaler Lufttemperaturunterschiede.

DVD 126

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

Tafel 1.2.3-8

Kategorie

Der zulässige vertikale Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Knöcheln sowie die zulässigen Werte der Fußbodentemperatur und Strahlungstemperatur-Asymmetrie für drei Kategorien (DIN EN ISO 7730)

Vertikaler Lufttemperaturunterschied*) K

Bereich der Oberflächentemperatur des Fußbodens °C

A

0,15 m/s Luftturbulenz; mangelhafte Luftführung kalte seitliche Flächen/Fenster

Es handelt es sich also im wesentlichen um ein kollektives Phänomen und ist auch nur als solches zu quantifizieren. Als Beschreibung hierfür hat sich international der Begriff Sick Building Syndrom (SBS) durchgesetzt; er ist zwar griffig, jedoch nicht unumstritten, da ja die Betroffenen meist eben nicht im engeren Sinne „sick“ sind, geschweige denn die Gebäude selbst. Verdacht auf ein SBS besteht, wenn mehr als 20% über Schleimhautbeschwerden, und/oder mehr als 30% der Beschäftigten über zentralnervöse Beschwerden klagen. Die Beschwerden führen nach Schätzungen in der internationalen Literatur zu einer ca. 1%igen Erhöhung der Abwesenheitsrate, können allerdings die durchschnittliche Leitungsfähigkeit der Mitarbeiter um ca. 2-8% vermindern [Exner in1)]. Die negativen wirtschaftlichen Auswirkungen einer insuffizienten Klimatisierung sind daher kaum zu unterschätzen. Die Unzufriedenheit kann aufgrund der Beeinträchtigungen mitunter so groß werden, dass es zu kollektiven Beschwerden, Arbeitsplatzwechsel oder gar Kündigungen kommt. Die betroffenen Gebäude sind meist voll- oder teilklimatisiert (zentrale Luftaufbereitung durch Filtern, Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten) und besitzen eine wesentlich höhere Luftwechselrate (> 2 1/h) als konventionelle Gebäude mit Zentralheizung und Spaltlüftung (ca. 0,5–1 1/h).

-1.2

Tight Building Syndrom (TBS)

Auch in modernen Gebäuden ohne raumlufttechnische (RLT-) Anlagen werden nicht selten erhöhte Beschwerderaten beobachtet. Ursache ist hier vor allem die mangelhafte Spaltlüftungsrate (< 0,5–1 1/h; Energiesparmaßnahmen!), die zu einer erhöhten Konzentration verschiedenster Schadstoffe sowie von Allergenen führen kann. Neben unangenehmen Gerüchen, erhöhter Feuchtigkeit und CO2-Anreicherung gehören zu den Belastungsfaktoren Formaldehyd, Tabakrauch, Biozide und weitere flüchtige organische Schadstoffe, die unter dem Begriff VOC (Volatile Organic Compounds) zusammengefaßt werden. Die hiermit im Zusammenhang stehenden Beschwerden sind vor allem chronisch-toxischer Natur. Im Gegensatz zu toxischen Belastungen in Innenräumen ist für die allergene Belastung in Innenräumen kennzeichend, dass nur entsprechend sensibilisierte Menschen erkranken. Untersuchungen in Europa und den USA zeigen allerdings, dass mittlerweile bereits bis zu 30% der Bevölkerung unter allergischen Symptomen bzw. Krankheiten vor allem der Atemwege und der Haut leiden. Neben typischen Außenluft-Allergenträgern wie Pollen und saisonal auftretender Schimmelpilzsporen, kommen den innenraumbezogenen Allergenproduzenten und -trägern wie Haustieren, Milben (Staub- und Vorratsmilben), Schimmelpilzen und weiteren biologischen Materialien eine zunehmende Bedeutung als Auslöser allergischer Erkrankungen zu. 1)

BIA-Report 2/1995: Innenraumluftqualität. Hrsg: Berufsgenossenschaftl. Institut für Arbeitssicherheit. Sankt Augustin (1995).

1.2.5 Gesundheitliche Maßstäbe

157 DVD

Die wichtigsten Voraussetzungen für Milben- und Schimmelpilzwachstum sind eine Umgebungsfeuchtigkeit von ≥ 60% und eine Umgebungstemperatur von 18–25 °C. Milbenallergene werden, insbesondere während der Heizperiode, gebunden im Feinstaub in die Innenraumluft abgegeben. Schimmelpilzwachstum tritt in feuchtigkeitsbelasteten textilen Materialien (z.B. Matratzen), in Feuchträumen (z.B. Bad, insbesondere bei Verwendung von Holzverkleidungen), in Vorratsräumen (z.B. Keller), bei Feuchtigkeitsschäden im Mauerwerk oder unzureichender Lüftung auf. Vor allem die weitverbreitete Haustierhaltung belastet, in Abhängigkeit von weiteren Bedingungen (Größe der Wohnung, Luftwechselrate, Luftfeuchtigkeit, textile Ausstattung) in verstärktem Maße die Innenraumluft mit den jeweiligen Allergenen. Insbesondere die Allergene aus Hautschuppen und Speichel von Katzen binden sich an den Feinstaub in Innenräumen (< 3 µm) und verbleiben über lange Zeiträume in der Luft. Sie werden von den Tierhaltern mit ihrer Bekleidung in Büros transportiert und können dort bei katzenallergischen Menschen Symptome auslösen. Außer den Allergenen mikrobiellen Ursprungs kommen eine Vielzahl weiterer Substanzen biologischen Ursprungs als Allergieauslöser in Betracht. Als Beispiele seien hier angeführt: an feinste Staubpartikel gebundene Eiweißstoffe aus Pflanzen, z.B. Ficus benjaminii, textile Rohsubstanzen wie Baumwolle, Schafwolle und Seide, sowie Bestandteile aus Biolacken, -klebern und Naturharzen. Formal lässt sich die Problematik in Gebäuden mit zu niedriger Lüftungsrate als Tight Building Syndrom (TBS) abgrenzen, wird aber meist ebenfalls unter dem Begriff SBS subsummiert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschwerden in „tight buildings“ aufgrund des geringen Luftwechsels ein deutlich anderes Spektrum als in klimatisierten Gebäuden haben. Im Folgenden wird daher nur ein Überblick über die SBS-Problematik in Gebäuden mit zentraler Luftaufbereitung (s. auch Tafel 1.2.5-1) gegeben.

-2

Physikalische Einflußfaktoren

-2.1

Zugerscheinungen

Luftgeschwindigkeiten und Luftturbulenzen sind vor allem in älteren klimatisierten Gebäuden oft erheblich gesteigert. Bei Werten von ca. 0,2 m/s wird häufig über Zugerscheinungen und ihre Begleitsymptome (rheumatoide Beschwerden, vermeintliche Lufttrockenheit, thermischer Diskomfort) geklagt. Grundsätzlich sollte der Klage „es zieht“ in jedem Einzelfall sorgfältig nachgegangen werden, da die Strömungsbedingungen örtlich und zeitlich stark variieren können.

-2.2

Thermischer Diskomfort

Verschiedentlich wurde diskutiert, dass eine zu gleichförmige Temperatur in klimatisierten Gebäuden – die sogenannte Klimamonotonie – für einen Teil der SBS-Beschwerden verantwortlich ist. Im Widerspruch hierzu finden sich – vor allem in klimatisierten Gebäuden in Leichtbauweise mit großen Fensterfronten – oft erheblich ausgeprägtere Temperaturschwankungen und Abweichungen vom Idealwert (ca. 22 ± 1 °C) als in konventionellen Gebäuden. Die Abweichungen zeigen darüberhinaus nicht selten eine dem physiologischen Bedürfnis entgegengerichtete zeitliche Struktur (morgens zu kühl, nachmittags zu warm). Die resultierende, meist unterschwellig wirksame Wärmebelastung dürfte mitverantwortlich für kreislaufabhängige Beschwerden sein. Hinzu kommt eine Erschwerung der Wärmeabgabe durch künstliche Anhebung der rel. Feuchte und durch die Aufhebung der natürlichen Temperaturschichtung (erschwerte Wärmeabgabe im Beinbereich). Reaktiv werden die kapazitiven Gefäße der Beine und Arme weitgestellt, sodass ein Teil des Blutvolumens in der Peripherie „versackt“. Typische Beschwerden durch latente Überwärmung sind Schwindel, Müdigkeit, Konzentrationsstörungen und Kopfschmerzen. Bei einem Anstieg der Temperaturen über 22 ˚C muss bereits mit einem Abfall der geistigen Leistungsfähigkeit um ca 5% /1K gerechnet werden.1)2)

1)

Palonen J., Reinikainen L. M., Jaakkola J. K.: The effect of air temperature and relative humidity on thermal comfort in the office environment. INDOOR AIR ’93. Proceedings of the 6th int. conference on indoor air quality and climate. Volume 6, Helsinki (1993) 43-48.

DVD 158

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

-2.3

Luftbefeuchtung

Paradoxerweise wird bei Untersuchungen der Autoren wie auch in internationalen Untersuchungen die Luft in Gebäuden mit zentraler Luftbefeuchtung (ca. 40–50% rel. Feuchte) oft als unangenehm trocken beklagt. Zu den Hauptursachen gehören wahrscheinlich überhöhte Lufttemperaturen mit Werten über 23 °C. Allein die Senkung der Temperatur auf ca. 21 °C führte bereits zu einer dramatischen Besserung der Beschwerden.1) Überhöhte Luftgeschwindigkeiten führen darüberhinaus ebenfalls zu einem Austrocknungseffekt, der sich unangenehm an den Augenschleimhäuten, insbesondere bei Kontaktlinsenträgern, bemerkbar macht. Eine weitere Ursache für das paradoxe Trockenheitsgefühl sehen wir in einer erhöhten Belastung mit schleimhautreizenden bzw. allergogenen Partikeln aus der RLT-Anlage. Aus medizinischer Sicht besteht in üblichen Wohn-und Arbeitsbereichen keine Notwendigkeit für eine künstliche Luftbefeuchtung, zumal sie eine bedeutende Quelle von SBS-Problemen sein kann. Beschwerden über Lufttrockenheit lassen sich demnach am besten durch eine Vermeidung allergener, schleimhautreizender Staubquellen, Temperaturen unterhalb 23 °C und optimale Luftführung minimieren.

-2.4

Tieffrequenter Schall

Eine weitere physikalische Problemquelle stellt der tieffrequente Dauerschallpegel (ca. 10 bis l00 Hz) dar. Er wird durch den Betrieb einer Klimaanlage im Nutzungsbereich häufig um ca.10-15 dB (unbew.) angehoben. Ursache ist vor allem der Betrieb starker Ventilatoren und weiterer RLT-Geräte mit mangelhafter Vibrationsdämpfung. Die Ausbreitung wird einerseits über die luftführenden Wege vermittelt, andererseits auch als Körperschall über mitschwingende Bauelemente. Zu einer nennenswerten Lärmbelästigung kommt es dabei selten. Zahlreiche Verdachtsmomente in der einschlägigen Literatur weisen jedoch darauf hin, dass die Langzeitbelastung (ca. 3–8 Std.) mit tieffrequentem Dauerschall bereits knapp oberhalb der Wahrnehmungsschwelle unspezifische Befindensstörungen wie Ermüdung, Konzentrationsstörungen, Benommenheit und Kopfschmerzen hervorrufen.2)

-3

Hygienische Faktoren

-3.1

Aerogene Infektionen

Die Achillesferse zentraler RLT-Anlagen ist zweifelsohne die Luftbefeuchtung. Die in der Praxis regelmäßig nachzuweisende mikrobielle Kontamination entsprechender Komponenten (Umlaufsprühbefeuchter; Dampfbefeuchter; Ultraschallvernebler) einschließlich der nachgeschalteten feuchten Luftführungswege ist durch zahlreiche Untersuchungen belegt. Nicht selten werden im Befeuchterwasser 105 –106 Keime/ml festgestellt. Aus dem Keimbefall ergeben sich besonders im Krankenhauswesen erhebliche hygienische Probleme durch das aerogene Infektionsrisiko. Aber auch in den übrigen klimatisierten Bereichen ist eine gewisse Gefahr durch Verbreitung pathogener Keime nicht auszuschließen. Bezüglich seiner Bedeutung für das SBS wird das Infektionsproblem in klimatisierten Gebäuden allerdings häufig überbewertet; gerade hier stehen die unspezifischen Beschwerden im Vordergrund, bei denen ein primärer Zusammenhang mit Infektionserregern recht unwahrscheinlich ist. Sekundär ist eine erhöhte Anfälligkeit vor allem durch Zugerscheinungen möglich; Ursache ist bei lokaler Abkühlung der Haut eine reflektorische Verminderung der Schleimhautdurchblutung der oberen Luftwege, die ihrerseits das Wachstum vorhandener pathogener Keime begünstigt und so zu Erkältungen führen kann.

2)

1)

2)

Wyon D: Healthy buildings and their impact on productivity. In: INDOOR AIR ’93. Proceedings of the 6th int. conference on indoor air quality and climate. Volume 6, Helsinki (1993) 3-13. Wyon D: Healthy buildings and their impact on productivity. In: INDOOR AIR ’93. Proceedings of the 6th int. conference on indoor air quality and climate. Volume 6, Helsinki (1993) 3-13. DIN 45680:1997-03. Messung und Bewertung tieffrequenter Geräuschimmisionen. Beuth Verlag Berlin.

1.2.5 Gesundheitliche Maßstäbe

-3.2

159 DVD

Mikrobielle Allergene

Kaum zu unterschätzen ist dagegen die allergologische Bedeutung der Keimbesiedelung von Klimaanlagen. Sporen von Pilzen und pilzähnlichen Bakterien sind bedeutsame Faktoren für die Entstehung von chronischer Bronchitis, Asthma, Sinusitis, sowie für allergische Reaktionen der Schleimhäute der Augen und Atemwege. Nach kurzer Betriebsdauer siedeln sich bevorzugt Schimmelpilze in den Systemkomponenten von Klimaanlagen an, die kontinuierlich allergenes Material an den vorbeistreichenden Luftstrom abgeben. Dieses und weitere organische Substanzen mikrobiologischen Ursprungs können bei ca. 10–30% dauerhaft exponierter Personen zu allergischen Reaktionen führen, wenn sie in die Atemluft gelangen. Als Begleit- oder unterschwellige Reaktionen auf Allergene können im übrigen auch unspezifische Beschwerden wie Abgeschlagenheit und Kopfschmerzen auftreten. Die durch Filter zurückgehaltenen Pilze und sonstigen Mikroorganismen sind selbst nur Träger sehr viel kleinerer Allergene. Sie werden in großer Zahl erst dann frei, wenn die Keime absterben und zerfallen. Das Molekulargewicht der freien Allergene ist so niedrig, dass sie die üblichen Filterklassen durchdringen können.1)

-3.3

Mikrobielle Schadstoffe

Wenn Keime absterben, setzen sie nicht nur Allergene frei, sondern zerfallen darüberhinaus in eine Vielzahl weiterer schädlicher Substanzen. Eine der meistuntersuchten hiervon sind die sog. Endotoxine. Diese sind an den Zellwänden gramnegativer Keime lokalisiert und bestehen aus wasserlöslichen Lipopolysacchariden, die sich im verkeimten Befeuchterwasser und im Staubkuchen von Filtern anreichern. Endotoxine sind keine Giftstoffe im herkömmlichen Sinne, wie der historisch bedingte Name vermuten lässt. Sie sind jedoch extrem wirksame Stimulatoren für die immunologische Kaskade zur Abwehr von Infektionen und wirken daher u.a. auch fiebererzeugend. Es wurde experimentell gezeigt, dass eine Einschränkung verschiedener Lungenfunktionsparameter bereits nach Inhalation von ca. 50 ng/m3 Endotoxin auftreten kann. Auch grippeähnliche Beschwerden wurden bei höheren Endotoxinbelastungen mit einer Zeitverzögerung von einigen Stunden beobachtet. Umfangreiche Untersuchungen2) an holländischen Verwaltungsgebäuden mit und ohne RLT-Anlage lassen darüberhinaus vermuten, dass erhöhte Konzentrationen von Endotoxinen in der Atemluft auch für das Auftreten unspezifischer Befindensstörungen in klimatisierten Gebäuden mitverantwortlich sind. In den „sick buildings“ waren die Aerosolkonzentrationen bis zu 8fach höher als in klimatisierten und konventionellen „healthy buildings“. Möglicherweise sind die Endotoxine jedoch auch nur ein Indikator für das Vorhandensein weiterer Schadstoffgruppen wie z.B. mikrobieller Antigene. Letztere rufen sowohl bei Allergikern wie bei Gesunden eine Antwort des Immunsystems hervor und sind damit für jedermann potentiell schädlich. Weiterhin besitzen viele Keime auch Substanzen, die nicht nur die genannten antigenetischen bzw. allergisierenden Eigenschaften haben, sondern auch toxisch wirken können. Stellvertretend seien die Exotoxine und Enterotoxine grampositiver Bakterien genannt, sowie die Mycotoxine, die in zahlreichen Pilzarten enthalten sind. Für zahlreiche Substanzen dieser Art gilt, dass ihre akuten und chronischen Wirkungen im Aerosol noch weitgehend unaufgeklärt sind. Die Gesamtheit der Aerosolkomponenten mikrobiologischer Herkunft wird auch als MOD (Macromolecular Organic Dust) bzw. als MVOC (Microbial Volatile Organic Compounds) bezeichnet.

-3.4

Geruchsbelastungen

Die häufige Klage der „Klimaverbraucher“ über mangelhafte Luftqualität ist auf den ersten Blick schwer verständlich, denn theoretisch sollte die durch RLT-Anlagen aufbereitete und gereinigte Luft ja eher höherwertiger sein als gewöhnliche, oft belastete Außenluft, zumal sie bis zu 10mal rascher als in konventionellen Gebäuden ausgetauscht wird. In der klimatechnischen Praxis zeigt sich jedoch, dass sie intern einer Reihe von Geruchsquellen ausgesetzt ist. Hierzu gehören wartungsbedingte Probleme wie z.B.: verstaubte und verpilzte mechanische Filter mit (zu) langen Standzeiten, verkeimte Befeuchtungsanlagen, verölte und verdreckte Zuluftleitungen, Schalldämpfer und In1)

2)

Schata M., Jorde W., Elixmann J. H., Linskens H. F.: Allergies to moulds by fungal spores in airconditioning plants. In: INDOOR AIR, ’87. Proceedings of the 4th int. conference on indoor air quality and climate. Volume 2, Berlin (1987) 777–780. Teeuw KB: Airborne gramnegative bacteria and endotoxin in sick building syndrome. A study in dutch governmental office buildings. Arch Intern Med 154 (1994) 2339-45.

DVD 160

1. Grundlagen / 1.2 Hygienische Grundlagen

duktionsgeräte, sowie geruchsaktive Verkalkungs-, Korrosionschutz- und Desinfektionsmittel. Diese Quellen können nach neuen Erkenntnissen ein Vielfaches der anthropogenen Belastung verursachen, was die zahlreichen Klagen über schlechte Luftqualität völlig plausibel macht1). Als weitere potentielle Ursache kommt bei zentraler Klimatisierung hinzu, dass der in der „frischen“ Außenluft vorhandene natürliche Ozonanteil (ca. 0,01–0,03 ppm) schon zu Beginn des Aufbereitungsprozesses an den Filtern weitgehend inaktiviert wird (Reaktion mit Filtermedium). Es steht somit anschließend nicht – wie bei Spalt- und Fensterlüftung – für die oxydative Vernichtung geruchsaktiver Stoffe im zur Verfügung. Sehr wahrscheinlich sind minimale natürliche Ozonkonzentrationen auch maßgeblich an der Frischluftwahrnehmung beteiligt. Diese Hypothese ist allerdings wissenschaftlich noch nicht ausreichend gestützt. Sie lässt jedoch bereits heute den Einsatz von Elektrofiltern im Humanbereich als sinnvoll erscheinen, welche den Ozonanteil nicht vernichten, sondern kurzfristig leicht erhöhen. Eine Gefährdung für den „Klimaverbraucher“ ist aufgrund des raschen Abbaus in der RLT-Anlage aus ärztlicher Sicht nicht gegeben.

-4

Maßnahmen zur Prophylaxe und Sanierung

Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, sind zahlreiche, zum Teil synergistisch wirksame Einzelfaktoren für die Gesamtproblematik des SBS verantwortlich. Abhängig vom Gebäude- und Anlagentypus sowie von funktionellen Kriterien können die Beschwerden in unterschiedlichen Kombinationen und Ausprägungen auftreten, so dass pauschale Aussagen und Durchschnittswerte mit Vorbehalt zu betrachten sind. Die Schwierigkeiten sind aus ärztlicher Sicht keineswegs als schiksalhaft zu betrachten, sondern durch geeignete Systemlösungen und sorgfältige Wartung durchaus zu bewältigen. In den letzten Jahren ist eine Reihe von Alternativen zu den klassischen Systemen entwickelt worden. Vielversprechend sind vor allem Quelluftsysteme, die eine zugfreie, laminare Einschichtung der Zuluft in Bodenhöhe ermöglichen und damit dem Ideal einer Spalt- oder Kippfensterlüftung recht nahekommen. Zur Bewältigung größerer Wärmelasten werden sie mit wasser- oder luftführenden Deckenelementen zur Strahlungskühlung kombiniert. Die Luftzufuhr beschränkt sich dabei weitgehend auf die Deckung des Frischluftbedarfs. In den skandinavischen Ländern und in der Schweiz hat sich diese Kombination bereits in zahlreichen Gebäuden bewährt. Auch in Deutschland ist nach längerer, kontrovers geführter Diskussion in Fachkreisen eine hohe Akzeptanz von Quelluftsystemen zu beobachten. Die bisherigen Erfahrungen sind durchweg positiv, bedürfen aber noch einer ausreichenden wissenschaftlichen Bestätigung. Tafel 1.2.5-2 Gebäude

1)

Empfehlungen aus medizinischer Sicht zur Vorbeugung des SBS bzw. zur Sanierung von „Sick Buildings“ mit RLT-Anlagen. Benutzbarkeit auch ohne RLT-Betrieb ermöglichen: öffnungsfähige Fenster (minimal 1/Raum) keine fensterlosen Räume großzügige Raumhöhe Fensterflächenanteil/Fassade 0. Setzt man Gl. (***) in (**) ein, folgt die neue Bilanzgleichung dwt + dq = dh + c dc + g dz. Wird einem offenen, wärmedichten System technische Arbeit wt,12 bei c2 = c1 und z2 = z1 zugeführt, so erhöht sich die Enthalpie h2 – h1 = wt,12 > 0. Bei Drosselung idealer Gase (Ausdehnung ohne Arbeitsleistung) bleibt die Enthalpie konstant (s. Abschn. 1.4.6 s. S. 330).

-7

Entropie

Die Entropie S bzw. ihre spezifische Größe s ist eine Zustandsgröße thermodynamischer Systeme. Die Änderung der Entropie in einem ablaufenden Prozeß kennzeichnet die Irreversibilität und damit die Energieentwertung. Definition nach Clausius: du + p d vds = -----------------------. (*) T

Nach 1.3.2-6 Gl. (*) gilt für ein geschlossenes (stoffdichtes System) dw ds = dq ------ + ---------R- . T T

Der erste Summand ist bei Wärmezufuhr > 0, bei adiabaten Prozessen = 0 und bei Wärmeabfuhr < 0. Der zweite Summand ist bei irreversiblen Prozessen > 0, bei reversiblen Prozessen = 0, niemals < 0!

1.3.2 Gase

185 DVD

In einem abgeschlossenen System ohne Energieaustausch nach außen kann die Entropie nur zunehmen, im reversiblen Fall konstant bleiben. In offenen Systemen ist der an die Stoffströme gebundene Entropietransport zu berücksichtigen. Bei reversiblen Prozessen in geschlossenen Systemen ist die Wärme als Fläche 2

∫

q12 = T ds

bzw.

2

2

∫

∫

1

1

Q12 = m T ds = T dS

1

darstellbar, wie im Bild 1.3.2-2 gezeigt.

Bild 1.3.2-2. Zustandsänderungen im T,s-Diagramm bei Wärmezufuhr (Ausnahme: Isentrope dq = 0) und gleichzeitiger Volumenzunahme (Ausnahme: Isochore dv = 0). Die schraffierten Flächen stellen die jeweils zugeführte Wärme dar.

Für das ideale Gas folgen aus Gl. (*) nach entsprechender Substitution und Integration für die Entropieänderung T v s2 – s1 = cv ln ----2- + R ln ----2T1 v1 T p s2 – s1 = cp ln ----2- – R ln ----2- . T1 p1

Die Zustandsgröße Entropie ist somit von der Temperatur und dem Volumen oder Druck abhängig. Als Bezugszustand wird meistens der Normzustand gewählt. Beispiel Wie groß ist die spezifische Entropie s2 von Luft bei 100 °C und Atmosphärendruck, wenn s1 = 0 beim physikalischen Normzustand gilt (cp = 1,01 kJ/(kg K)? Da p2 = p1 gilt: T ,15 ---------------s2 = s1 + cp ln ----2- = 1,01 ln 373 = 0,315 kJ/(kg K). T1 273 ,15

-8

Zustandsänderungen

Gemäß der allgemeinen Zustandsgleichung für ideale Gase pv = RT (Abschn. 1.3.2-2 s. S. 178) ist der Zustand durch zwei der drei Größen p, v, T eindeutig fixiert. Ändert sich eine dieser Größen, muss sich auch eine andere ändern. In welcher Weise diese Änderung vor sich geht, hängt von der Art der Zustandsänderung ab. Nachfolgend sind die Zustandsänderungen und übertragenen Energien dargestellt. Isochore (Volumen bleibt konstant: v2 = v1) T T1 p ----- = ----1- ; q12 = cv (T2 – T1); wV,12 = 0; wt,12 = v1 (p2 – p1); s2 – s1 = cv ln ----2T1 T2 p2

Isobare (Druck bleibt konstant: p2 = p1) T v T1 ----- = ----1- ; q12 = cp (T2 – T1); wV,12 = – p1 (v2 – v1); wt,12 = 0; s2 – s1 = cp ln ----2T1 T2 v2

DVD 186

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Isotherme (Temperatur bleibt konstant: T2 = T1) p p v1 p ----- = ----2- ; q12 = – R T1 ln ----2- ; wV,12 = – q12; wt,12 = – q12; s2 – s1 = –R ln ----2p1 p1 p1 v2

Isentrope (Entropie bleibt konstant: s2 = s1 x = cp/cv s. Tafel 1.3.2-1) 1 ----

1 -------------

T x–1 p x v1 ----- = ⎛ ----2-⎞ = ⎛ ----2-⎞ ; ⎝ p 1⎠ ⎝ T 1⎠ v2

x –1 ------------v x–1 p 1⎞ x T1 ⎛ ----- = ----= ⎛ ----2-⎞ ; ⎝ p 2⎠ ⎝ v 1⎠ T2

x ------------x–1 x T v p1 2 1 ----- = ⎛ -----⎞ = ⎛ -----⎞ ⎝ v 1⎠ ⎝ T 2⎠ p2

q12 = 0 ; wV,12 = cv (T2 – T1) ; wt,12 = cp (T2 – T1) Ein isentroper Prozeß verläuft ohne Wärmeaustausch (adibat) und reibungsfrei (reversibel). Eine Isentrope ist eine „reibungsfreie Adiabate“! Die vorgestellten vier Zustandsänderungen können bei reversiblem Ablauf für ideales Gas allgemeingültig durch eine polytrope Zustandsänderung p vn = const dargestellt werden. Es gelten: n=0 Isobare p v0 = p = const n=1 Isotherme pv = const = const n=x Isentrope p vx n = ±∞ Isochore p1/∞ v = v = const. Polytrope p T ----1- = ⎛ ----1-⎞ ⎝ p 2⎠ T2

n–1 -----------n

v n–1 = ⎛ ----2-⎞ weitere Zusammenhänge siehe Isentrope mit n statt x ⎝ v 1⎠

n – xRq12 = cv ----------(T2 – T1); wV,12 = ----------(T2 – T1); wt,12 = n wV,12 n–1 n–1 n – x- T 2 s2 – s1 = cv ----------ln ----n – 1 T1

-9

Kreisprozesse

Ändert ein Gas seinen Zustand so, dass der Zustandspunkt bei der Darstellung im p,vDiagramm eine geschlossene Kurve durchläuft, so dass also das Gas unter Wärmezufuhr und Arbeitsabgabe wieder in seinen Anfangszustand zurückkehrt, so spricht man von einem rechtslaufenden Kreisprozeß. Ein Teil der Wärme verwandelt sich in mechanische Arbeit, ein Teil wird bei niedriger Temperatur abgegeben. Der bekannteste Kreisprozeß ist der Carnot-Prozeß (Carnot 1824), bestehend aus (siehe auch Bild 1.3.2-3 und Bild 1.3.2-4) 1 - 2 isotherme Verdichtung 2 - 3 isentrope Verdichtung 3 - 4 isotherme Entspannung 4 - 1 isentrope Entspannung.

1.3.2 Gase

187 DVD

Bild 1.3.2-3. Carnotscher Kreisprozeß, dargestellt im p,v-Diagramm.

Bild 1.3.2-4. Carnotscher Kreisprozeß, dargestellt im T,s-Diagramm.

Während der isothermen Expansion bei der Temperatur T wird die Wärme qzu zugeführt, während der isothermen Kompression bei der Temperatur T0 die Wärme |qab| abgeführt (rechtslaufender Prozeß). Die von der Kurve eingeschlossene Fläche stellt die gewonnene Arbeit w = qzu – |qab| dar. Im T,s-Diagramm stellt sich der Carnot-Prozeß als Rechteck dar (Bild 1.3.2-4). Das Verhältnis der gewonnenen Arbeit zur zugeführten Wärme nennt man den thermischen Wirkungsgrad: q zu – | q ab | w| ηth = |------ = ----------------------- . q zu q zu

Der Carnot-Prozeß hat den theoretisch höchsten thermischen Wirkungsgrad aller Kreisprozesse zwischen zwei vorgegebenen Temperaturen. Er beträgt: q zu – | q ab | - = ηC = ----------------------q zu

T–T T TΔs – T 0 Δs = --------------0- = 1 – ----0- . ---------------------------T TΔs T

Nichtthermische Energieumwandlungsprozesse – z. B. in Brennstoffzellen – unterliegen nicht der Begrenzung durch den Carnot-Wirkungsgrad. Beispiel Wie groß ist der maximal mögliche Wirkungsgrad, wenn in einem Dampferzeuger die Wärmezufuhr bei der mittleren Temperatur von T = 600 K erfolgt, und die Kondensationstemperatur bei T0 = 300 K liegt? --------- = 0,5. ηC = 1 – 300 600

Reale Prozeßverläufe erreichen diesen Wert nicht, speziell bereitet die technische Verwirklichung der isothermen Zustandsänderung Probleme. Durch mehrstufige Aggregateanordnungen versucht man sich dem Idealprozeß anzunähern. Für Prozesse in Dampfkraftanlagen, Verbrennungsmotoren und Gasturbinen sind speziell den Aggregaten angepaßte Vergleichsprozesse definiert worden, um einen Vergleich zwischen ausgeführten und idealen Maschinen zu haben (Abschn. 1.3.8 s. S. 313). Diese Vergleichsprozesse stehen hierarchisch unterhalb des Carnot-Prozesses. Verläuft der Kreisprozeß in umgekehrter Richtung, indem bei der niederen Temperatur T0 die Wärme qzu zugeführt und bei der höheren Temperatur T die Wärme |qab| abgegeben wird, so spricht man von einem linkslaufenden Prozeß. Verläuft der Kreisprozeß oberhalb der Umgebungstemperatur, dann handelt es sich um einen Wärmepumpenprozeß, unterhalb der Umgebungstemperatur um einen Kältemaschinenprozeß. Zur Bewertung der Linksprozesse führt man sogenannte Leistungszahlen ε ein. Wärmepumpe: |q ab | |q ab | = ----------------------εW = ---------w |q ab | – q zu

DVD 188

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Kältemaschine: q zu q zu εK = ------ = ----------------------- . w | q ab | – q zu

Würde jeweils ein Carnot-Prozeß geführt, gelten: T0 T - ; εK,C = --------------. εW,C = -------------T – T0 T – T0

Weiteres s. Abschn. 5.2.1-4 s. S. 1960.

1.3.3

Dämpfe

-1

Verdampfungsvorgang

Der isobare Verdampfungsvorgang (p = const) erfolgt in drei qualitativ unterschiedlichen Stufen, der sich im T,s-Diagramm (Bild 1.3.3-1) anschaulich darstellt. Die Bezeichnungen gelten grundsätzlich für Verdampfungsvorgänge, wurden aber von der Wasserverdampfung geprägt (s. Abschn. 1.3.3-2 s. S. 189). Flüssigkeit vom Zustand 1 wird längs der Isobaren p erwärmt. Dabei steigt die Temperatur t und damit die spezifische Enthalpie h an. Am Punkt 2 ist gerade die Siedetemperatur (Sättigungstemperatur) der Flüssigkeit erreicht. Sie ist druckabhängig. Die Dampfdruckkurve gibt den Zusammenhang zwischen tS = f1(p) bzw. pS = f2(t) an. Für Wasser gelten z. B. p = 1,013 bar, tS = 100 °C; t = 180 °C, pS = 10,027 bar (siehe auch Tafel 1.3.3-2 und Tafel 1.3.3-4). Die zwischen 1 und 2 zugeführte Wärme (Flüssigkeitswärme) wird im T,s-Diagramm als Fläche T2

qFl =

t2

∫ T ds = ∫ cp, Fl dt = c T1

p,Fl,m (t2

– t1)

t1

dargestellt. Am Punkt 2 beginnt die Verdampfung; Druck und Temperatur (pS, tS) bleiben konstant. Am Punkt 3 ist die Verdampfung abgeschlossen; es gibt keine flüssige Phase mehr. Die zwischen 2 und 3 zugeführte Verdampfungswärme

Bild 1.3.3-1. Verdampfungsvorgang längs einer Isobaren (p = const) im T,s-Diagramm.

qV = T (s3 – s2) = r ≡ ΔhV wird durch eine Rechteckfläche im Bild 1.3.3-1 verkörpert. r ist die auf 1 kg Wasser bezogene spezifische Verdampfungswärme, die auch als spezifische Verdampfungsenthalpie ΔhV bezeichnet wird.

1.3.3 Dämpfe

189 DVD

Wird dem Sattdampf (Punkt 3) weiter Wärme zugeführt, dann wird der Dampf überhitzt. Die Temperatur steigt bei gleichem Druck weiter an, z. B. bis Punkt 4. Die dabei zugeführte Überhitzungswärme berechnet sich zu T4

qÜ =

t4

∫ T ds = ∫ cp, D dt = c T3

p,D,m (t4

– t3).

t3

Wie aus dem T,s-Diagramm ersichtlich, wird die Verdampfungswärme mit steigendem Druck und steigender Temperatur immer geringer, um schließlich bei einem bestimmten Zustand des Dampfes ganz zu verschwinden. Man nennt diesen Zustand, bei dem kein Unterschied mehr zwischen Flüssigkeit und Dampf besteht, den kritischen Zustand (Tafel 1.3.3-1). Für Wasser beträgt der kritische Druck 221 bar, die kritische Temperatur 374 °C, das kritische spezifische Volumen 3,11 dm3/kg. Moderne Kraftwerkskessel arbeiten in der Nähe oder auch oberhalb des kritischen Punktes. Der beschriebene Verdampfungsvorgang ist allgemeingültig und bezieht sich nicht nur auf Wasserdampf. Alle realen Gase lassen sich verflüssigen und sind im Übergangsbereich Dämpfe. Ihre Zustandsänderungen entsprechen denen des Wasserdampfes, wenn auch die Werte der einzelnen Zustandsgrößen in weiten Grenzen schwanken. Überhitzter Dampf ähnelt in seinem Verhalten den Gasen. Für die Klimatechnik sind insbesondere die Arbeitsstoffe in den Kältemaschinen und Wärmepumpen bedeutungsvoll. Tafel 1.3.3-1

Kritischer Druck pk, kritische Temperatur tk und kritische Dichte ρk von Gasen und Dämpfen*) Stoff

Aceton Acetylen Ammoniak Benzol Bromethan Chlordifluormethan (R22) Chlormethan Chlorethan Dichlormethan Diethylamin Difluordichlormethan (R12) Dimethylamin Ethanol Helium Luft Kohlendioxyd Sauerstoff Schwefeldioxid Stickstoff Toluol Wasser Wasserstoff *) Werte

-2

Symbol C3H6O C2H2 NH3 C6H6 C2H5Br CHClF2 CH3Cl C2H5Cl CH2Cl2 C4H11N CCl2F2 C2H7N C2H6O He – CO2 O2 SO2 N2 C7H8 H2O H2

pk bar

tk °C

47 61,4 113,53 48,9 62,3 49,9 66,8 52,7 60,8 37,1 41,6 53,1 63,8 2,275 37,66 73,77 50,8 78,84 34 41,1 220,64 13

234,95 35,15 132,35 288,95 230,65 96,2 143,15 187,25 236,85 223,45 112 164,45 243,05 –267,95 –140,63 30,98 –118,38 157,6 –146,95 318,55 374 –239,95

ρk kg/m3 278 231 234,7 302 507 513 363 324 440 243 558 241 276 69,6 313 467,6 426,7 525 314 292 322 31,6

nach VDI-Wärmeatlas 1994, Kapitel Dc.

Bezeichnungen der Dampfzustände

Die historisch gewachsenen, von Beginn an auf Wasserdampf bezogenen Fachbezeichnungen sind nachfolgend definiert (siehe auch Bild 1.3.3-1):

DVD 190

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Siedende Flüssigkeit: Flüssigkeit im Sättigungszustand (pS Sättigungsdruck, tS Sättigungstemperatur), Beginn der Verdampfung. Sattdampf: Flüssigkeit ist vollständig verdampft, wobei der Sättigungszustand (pS, tS) weiterhin gilt; es liegt trocken gesättigter Dampf vor. Nassdampf: Flüssigkeits-Dampf-Gemisch bei Sättigungszustand (pS, tS) im Bereich zwischen siedender Flüssigkeit und Sattdampf. Zur Kennzeichnung des Gemischzustandes wird der Dampfgehalt x als unabhängige Zustandsgröße eingeführt. x ist der Masseanteil des trocken gesättigten Dampfes bezogen auf das Nassdampfgemisch. Heißdampf: Dampf bei Temperaturen t, die über der zum Druck p gehörigen Sättigungstemperatur tS liegen. Es handelt sich um sogenannten überhitzten Dampf.

-3

Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Nassdampf)

Nachfolgende spezifische Zustandsgrößen sind im Hinblick auf Verdampfungsvorgänge in offenen Prozessen mit den üblicherweise verwendeten Einheiten bedeutungsvoll. h′ kJ/kg spez. Enthalpie des flüssigen Wassers im Sättigungszustand h″ kJ/kg spez. Enthalpie des Dampfes im Sättigungszustand (Sattdampfenthalpie) υ′ m3/kg spez. Volumen des flüssigen Wassers im Sättigungszustand υ″ m3/kg spez. Volumen des Dampfes im Sättigungszustand (Sattdampfvolumen) ρ″ kg/m3 Dichte des Sattdampfes ρ″ = 1/υ″ s′ kJ/(kg K) spez. Entropie des flüssigen Wassers im Sättigungszustand s″ kJ/(kg K) spez. Entropie des Dampfes im Sättigungszustand (Sattdampfentropie) r ≡ ΔhV kJ/kg spez. Verdampfungswärme ≡ spez. Verdampfungsenthalpie x – Dampfgehalt (Masseanteil in kg Dampf/kg Gemisch). Für Nassdampf gelten damit: h = h′ + x (h″ – h′) = h′ + x r υ = υ′ + x (υ″ – υ′) s = s′ + x (s″ – s′). Wegen der großen Bedeutung des Wasserdampfes sind über Jahrzehnte die Zustandsgrößen experimentell bestimmt und mittels international abgestimmter, sehr komplizierter Zustandsgleichungen fehlende Bereiche interpoliert worden. Es entstanden daraus die bekannten Wasserdampftafeln1). Ein Auszug ist in Tafel 1.3.3-2 und Tafel 1.3.3-4 gegeben. Die Grundgleichungen beziehen sich auf die Industrie-Formulation von 1967 (IFC-67). 1997 erschien die IAPWS-IF97 „Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam“. Sie ist für Garantie- und Abnahmerechnungen von Anlagen mit dem Arbeitsfluid Wasser (Energiemaschinen) zur Ermittlung der thermodynamischen Eigenschaften international verbindlich. Die IAPWS-IF97 ist an die wissenschaftliche Formulation (IAPWS Formulation 1995) gekoppelt, die alle Zustands- und Transportgrößen über den gesamten Bereich enthält. Als Bezugsgrößen für die spezifische Enthalpie und Entropie gelten am Tripelpunkt des Wassers (0,01 °C; 611 Pa): h0 = 0; s0 = 0.

1)

Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

1.3.3 Dämpfe

191 DVD

Für die Aufgaben in der Heizungs- und Klimatechnik kann mit vereinfachten Approximationen nach Glück1) gerechnet werden (Fehlerangaben beziehen sich auf die Werte nach IFC-68): pS = 611 exp (–1,91275 · 10-4 + 7,258 · 10-2 t – 2,939 · 10-4 t2 + 9,841 · 10-7 t3 –1,92 · 10-9 t4) in Pa Bereich: 0 °C ≤ t ≤ 100 °C; Fehler: < 0,02%  11 Pa pS = 611 exp (6 · 10-5 + 7,13274 · 10-2 t – 2,581631 · 10-4 t2 + 6,311955 · 10-7 t3 –7,167112 · 10-10 t4) in Pa Bereich: 100 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,02% 269 Pa h′ = –2,25 · 10-2 + 4,2063437 t – 6,014696 · 10-4 t2 + 4,381537 · 10-6 t3 in kJ/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,04% h″ = 2,501482 · 103 + 1,789736 t + 8,957546 · 10-4 t2 – 1,300254 · 10-5 t3 in kJ/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,02% υ′ = 9,976577 ·10-4 + 1,280991 · 10-7 t + 3,191465 · 10-9 t2 + 5,894941 · 10-13 t3 in m3/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,10% υ″ = exp (5,322289 – 6,80891 · 10-2 t + 2,561151 · 10-4 t2 – 5,602153 · 10-7 t3) in m3/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 100 °C; Fehler: < 0,10% υ″ = exp (5,01069 – 5,8737 · 10-2 t + 1,5874 · 10-4 t2 – 2,095037 · 10-7 t3) in m3/kg Bereich: 100 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,04% r ≡ ΔhV = 2,501488 · 103 – 2,404164 t + 1,326154 · 10-3 t2 – 1,680282 · 10-5 t3 in kJ/kg Bereich: 10 °C ≤ t ≤ 200 °C; Fehler: < 0,03%. Faustformeln für Überschlagsrechnungen mit Wasserdampf bei Sättigung: Sättigungstemperatur ts ≈ 100 4 p

1)

in °C

Sättigungsdruck

t -⎞ 4 ps ≈ ⎛⎝ -------100⎠

in bar (absolut)

Sattdampfdichte

ρ″ ≈ p--- + 0,1 2

in kg/m3.

Glück, B.: Zustands- und Stoffwerte (Wasser, Dampf, Luft), Verbrennungsrechnung. Berlin: Verlag für Bauwesen, 2. erw. Auflage 1991.

Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit von der Temperatur*)

*) Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

Tafel 1.3.3-2

DVD 192 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.3-3

Fortsetzung der Tafel: Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit von der Temperatur)

1.3.3 Dämpfe 193 DVD

Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit vom Druck*)

*) Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

Tafel 1.3.3-4

DVD 194 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.3-5

(Fortsetzung der Tafel: Zustandsgrößen von Wasser und Dampf bei Sättigung in Abhängigkeit vom Druck)

1.3.3 Dämpfe 195 DVD

DVD 196

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.3-6 p bar

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 60 70 80 90 100 125 150 175 200 250 300 350 400 500 600 700 800 *)

Spez. Enthalpie von Wasserdampf*)

h″ kJ/kg

2675 2706 2725 2738 2748 2756 2762 2768 2772 2776 2780 2783 2785 2788 2790 2792 2795 2797 2799 2800 2801 2802 2802 2802 2802 2802 2801 2800 2799 2798 2797 2796 2794 2785 2774 2760 2745 2728 2678 2615 2533 2418 – – – – – – – –

h kJ/kg Dampftemperatur °C 150

200

250

300

350

400

450

500

2776 2769 2760 2752 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 648 651 654 657 664 671 678 684

2875 2871 2866 2860 2855 2850 2844 2839 2833 2827 2821 2814 2808 2801 2795 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –– 863 865 868 870 875 881 886 892

2975 2971 2968 2965 2961 2958 2954 2950 2947 2943 2939 2935 2932 2928 2924 2919 2911 2902 2893 2884 2875 2865 2855 2844 2834 2823 2811 – – – – – – – – – – – – – – – 1088 1088 1090 1091 1094 1097 1100 1104

3075 3072 3070 3067 3065 3062 3060 3057 3055 3052 3050 3047 3044 3042 3039 3036 3031 3025 3019 3013 3007 3001 2995 2989 2982 2976 2969 2962 2955 2948 2941 2933 2926 2885 2839 2787 – – – – – – 1331 1329 1327 1325 1324 1323 1324 1325

3176 3174 3172 3170 3168 3166 3164 3162 3161 3159 3157 3155 3153 3151 3149 3147 3143 3139 3135 3130 3126 3122 3118 3113 3109 3104 3100 3095 3090 3086 3081 3076 3071 3046 3019 2990 2959 2926 2828 2695 – – 1625 1610 1599 1590 1576 1567 1561 1556

3278 3277 3275 3274 3272 3271 3269 3268 3266 3264 3263 3261 3260 3258 3257 3255 3252 3249 3246 3242 3239 3236 3233 3229 3226 3223 3219 3216 3212 3209 3205 3202 3198 3180 3161 3142 3121 3100 3043 2979 2906 2821 2582 2162 1993 1934 1878 1847 1828 1814

3382 3381 3380 3379 3377 3376 3375 3373 3372 3371 3370 3368 3367 3366 3364 3363 3360 3358 3355 3353 3350 3347 3345 3342 3339 3337 3334 3331 3329 3326 3323 3320 3318 3304 3289 3274 3259 3244 3203 3160 3114 3064 2954 2826 2676 2516 2293 2187 2130 2094

3488 3487 3486 3485 3484 3483 3482 3481 3479 3478 3477 3476 3475 3474 3473 3472 3470 3467 3465 3463 3461 3458 3456 3454 3452 3450 3447 3445 3443 3441 3438 3436 3434 3422 3411 3399 3387 3375 3343 3311 3277 3241 3166 3085 2998 2907 2723 2571 2467 2397

Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

1.3.3 Dämpfe Tafel 1.3.3-7

*)

197 DVD Spez. Volumen v von Wasserdampf*)

Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf in SI-Einheiten. Berlin: Springer-Verlag und München: R. Oldenbourg, 1989.

DVD 198

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-4

Zustandsgrößen des Wasserdampfes (Heißdampf)

Von besonderem Interesse sind h kJ/kg spez. Enthalpie des Heißdampfes v m3/kg spez. Volumen des Heißdampfes s kJ/(kg K) spez. Entropie des Heißdampfes. Die Werte sind den Wasserdampftafeln (Auszüge in Tafel 1.3.3-6 und Tafel 1.3.3-7) oder einfachen Approximationen1) zu entnehmen. Außerdem gilt: h = h″ + cp,m (t – tS) h'' kJ/kg spezifische Enthalpie des Sattdampfes bei Sättigungstemperatur tS t °C Heißdampftemperatur cp,m kJ/(kgK) mittlere spezifische Wärmekapazität des Heißdampfes (Mittelwert zwischen tS und t nach Bild 1.3.3-2).

Bild 1.3.3-2. Spezifische Wärme cp des Wasserdampfes.

-5

Bild 1.3.3-3. T,s-Diagramm des Wasserdampfes mit Isobaren (ausgezogen) und Isochoren (gestrichelt).

Diagramme für Wasserdampf

Übliche Darstellungen der Zustandsgrößen des Wasserdampfes sind das T,s-Diagramm (Bild 1.3.3-3) und das Mollier-h,s-Diagramm (Bild 1.3.3-4 und Falttafel am Buchende). Im T,s-Diagramm stellen die Flächen unter den Kurven die getauschten Wärmen dar (dq = T ds). Im h,s-Diagramm können die für wärmetechnische Berechnungen wichtigen Enthalpiedifferenzen als senkrechte Strecken abgegriffen werden.

1.3.3 Dämpfe

199 DVD

Bild 1.3.3-4. h,s-Diagramm des Wasserdampfes (vergrößerter Ausschnitt siehe Falttafel am Ende des Buches).

-6

Zustandsänderungen mit Wasserdampf

An Hand von Beispielen werden typische Zustandsänderungen betrachtet. Beispiel 1 Es sollen 1000 kg Wasser von 30 °C und 6 bar (absolut) in Dampf von 200 °C und 6 bar überführt werden. Welche Energieaufwendungen sind detailliert notwendig, und welche Zustandsgrößen h und s treten auf? Aus Tafel 1.3.3-4 folgen für den Sättigungs- und Sattdampfzustand: p = 6 bar tS = 158,84 °C; h′ = 670,42 kJ/kg; h″ = 2755,5 kJ/kg; r = 2085 kJ/kg; s′ = 1,9308 kJ/(kg K); s″ = 6,7575 kJ/(kg K). Wärme zur Verdampfung QV = m (h″ – h′) = m r = 1000 · 2085 = 2,085 · 106 kJ Entropiezunahme bei der Verdampfung ΔSV = m (s″ – s′) = 1000 (6,7575 – 1,9308) = 4,8267 · 103 kJ/K Probe: QV = T ΔSV = (158,84 + 273,15) · 4,8267 · 103 = 2,085 · 106 kJ Enthalpie des Wassers (Näherung) hW = cp t = 4,18 · 30 = 125,4 kJ/kg (cp aus Tafel 1.3.1-9) (genauer Wert aus Wasserdampftafel: 126,2 kJ/kg) Wärme zur Wasseraufheizung QW = m (h′ – h) = 1000 (670,42 – 125,4) = 0,545 · 106 kJ Entropiezunahme bei der Wasseraufheizung (Näherung) 6 QW 0 ,545 ⋅ 10 - = --------------------------------------------------------------- = 1,4828 · 103 kJ/K ΔSW = -----------------( 158 ,84 + 30 ) ⁄ 2 + 273 ,15 T W, mittel 3 Δ SW ,4828 ⋅ 10 - = 1,9308 – 1----------------------------sW = s′ – ---------= 0,4480 kJ/(kg K) 1000 m

(genauer Wert aus Wasserdampftafel: 0,4363 kJ/(kg K)) Enthalpie des Heißdampfes hD = h″ + cp,m (tD – tS) = 2755,5 + 2,3 (200 – 158,84) = 2850 kJ/kg (cp,m aus Bild 1.3.3-2) (genauer Wert aus Wasserdampftafel: 2849,7 kJ/kg)

DVD 200

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Wärme zur Dampfüberhitzung QD = m (hD – h″) = 1000 (2850 – 2755,5) = 94,5 · 103 kJ Entropiezunahme bei der Dampfüberhitzung 3 QD 94 ,5 ⋅ 10 = ------------------------------------------------------------------- = 208,8 kJ/K ΔSD = -----------------( 200 + 158 ,84 ) ⁄ 2 + 273 ,15 T D, mittel

ΔS ,8 ------------- = 6,966 kJ/(kg K) sD = s″ – ---------D- = 6,7575 + 208 m 1000

(genauer Wert aus Wasserdampftafel: 6,966 kJ/(kg K)) Gesamtwärme Q = QW + QV + QD = 2,725 · 106 kJ Gesamtentropiezunahme ΔS = ΔSW + ΔSV + ΔSD = 6518 kJ/K. Bei Verwendung einer kompletten Wasserdampftafel wäre man schneller ans Ziel gekommen: Q = m (hD – hW) = 1000 (2849,7 – 126,2) = 2,724 · 106 kJ ΔS = m (sD – sW) = 1000 (6,966 – 0,4363) = 6530 kJ/K. Beispiel 2 Sattdampf von 6 bar (absolut) wird auf 3 bar (absolut) isentrop entspannt. Welches spezifische Volumen hat der austretende Dampf? Aus Tafel 1.3.3-4 folgt: 6 bar; s″6 = 6,7575 kJ/(kg K) 3 bar; s′3 = 1,6716 kJ/(kg K); s″3 = 6,9909 kJ/(kg K) v′3 = 1,0735 · 10–3 m3/kg; v″3 = 0,6056 m3/kg. Die Entspannung endet im Nassdampfgebiet, wie aus Bild 1.3.3-4 zu entnehmen ist. Damit gilt für den Endzustand: s3 = s′3 + x3 (s″3 – s′3). Für die isentrope Entspannung gilt s6 = s3, woraus der Dampfanteil bei 3 bar Enddruck folgt s 6 – s′ 3 ,7575 – 1 ,6716 - = 6 --------------------------------------= 0,956. x3 = ------------------6 ,9909 – 1 ,6716 s″ 3 – s′ 3

Damit ergibt sich das spezifische Nassdampfvolumen v3 = v′3 + x (v″3 – v′3) = 1,0735 · 10–3 + 0,956 (0,6056 – 1,0735 · 10–3) = 0,5790 m3/kg. Aus einem T,s- oder h,s-Diagramm mit eingetragenen Isochoren könnte dieses Ergebnis sofort abgelesen werden.

-7

Zustandsgleichung

Da die thermische Zustandsgleichung der idealen Gase p v = R T für wirkliche Gase und Dämpfe nur angenähert gilt, hat man sich bemüht, genauere Gleichungen aufzustellen. Die bekannteste ist die van-der-Waalsche-Zustandsgleichung, die gegenüber der Gasgleichung eine Druck- und Volumenkorrektur enthält (Konstanten a und b) a⎞ ⎛ p + ---- (v – b) = R T. ⎝ 2⎠ v Diese und weit kompliziertere Gleichungen gaben das Verhalten der Dämpfe aber nur unbefriedigend wieder. Für praktische Rechnungen werden ausschließlich Tafeln verwendet, in denen alle Zustandsgrößen berechnet sind (Tafel 1.3.3-2 bis Tafel 1.3.3-7). Sie werden auf Grund internationaler Vereinbarungen aufgestellt und ständig verbessert (siehe Hinweis im Abschn. 1.3.3-3 s. S. 190).

1.3.4 Feuchte Luft

1.3.4 -1

201 DVD

Feuchte Luft Allgemeines

Normale Luft enthält immer eine mehr oder weniger große Wasserdampfmenge in unsichtbarer Form, die einen bestimmten Dampfdruck ausübt. Die Dampfmenge, die die Luft aufnehmen kann, ist von der Temperatur abhängig. Je höher die Temperatur, desto größer die Dampfmenge, die aufgenommen werden kann. Bei der größtmöglichen Dampfmenge ist der Wasserdampfdruck gleich dem Siededruck bei der entsprechenden Temperatur. Wird mehr Wasserdampf zugeführt, als diesem Sättigungsdruck entspricht, schlägt sich der überschüssige Dampf in Form von Nebel (kleinste Wassertröpfchen) nieder. Die reine Luft (ohne Wasserdampf) besteht aus zahlreichen Gemischpartnern (s. Tafel 1.1.1-2). In thermodynamischen Berechnungen kann im Temperatur- und Druckbereich der Klimatechnik die reine Luft vereinfachend als ein homogenes Gas (trockene Luft) L aufgefaßt werden, das mit Wasserdampf D ein Zweistoffgemisch idealer Gase bildet. Es gelten: pL Partialdruck der trockenen Luft (absolut) pD Partialdruck des Wasserdampfes (absolut) Gesamtdruck der Luft (Barometerstand): p =pL + pD Zustandsgleichung für trockene Luft: pLV=mL RL T Zustandsgleichung für Wasserdampf: pDV=mD RD T Wassergehalt x (Definition):

m p R x = ------D- = -----D- ------L- (*) mL pL RD

Stoff

Symbol

molare Masse M kg/kmol

Gaskonstante R J/(kg K)

trockene Luft Wasserdampf

L D

28,96 18,02

287,1 461,40

Es folgen die bekannten Zusammenhänge: p x = 0,6222 -----D- ; pL

-2

x - p; pD = ------------------------0 ,6222 + x

0 ,6222 pL = -------------------------- p. 0 ,6222 + x

Relative Feuchte und Taupunkt

Unter relativer Feuchte versteht man das Verhältnis pD Partialdruck des Wasserdampfes - . ϕ = ---------------------------------------------------------------------------------------------------- = ----------Sättigungsdruck des Wasserdampfes bei t p S (t)

Definitionsgemäß liegen die Werte zwischen 0 und 1; Angaben erfolgen häufig in Prozent. Der Sättigungsdruck pS folgt aus Tafel 1.3.4-1 oder aus den im Abschn. 1.3.3-3 s. S. 190 gegebenen Approximationen pS(t). Taupunkt ist diejenige Temperatur, bis zu der man feuchte Luft abkühlen muss, bis sie gesättigt ist; unterhalb tritt Kondensation des Wasserdampfes ein. Taupunktdifferenz ist die Differenz zwischen Lufttemperatur und Taupunkt. Sättigungsdefizit ist die Differenz zwischen Sättigungsdruck und Partialdruck des Wasserdampfes.

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DVD 202

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-3

Absolute Feuchte

Der im Abschn. 1.3.4-1 s. S. 201, Gl. (*) eingeführte Wassergehalt x wird meist als absolute Feuchte x der Luft bezeichnet. Sind je kg trockener Luft x kg Dampf beigemischt, so ist die Masse der Mischung (1 + x) kg. Man sagt, dass die absolute Feuchte der Luft x kg Wasser je kg trockener Luft beträgt (Angabe meistens in gW/kgt.L.). Bei Rechnungen mit feuchter Luft wird als Bezugsgröße die Masse von 1 kg trockener Luft verwendet, der je nach Zustand eine wechselnde Wasserdampfmasse beigemischt ist. Die absolute Feuchte gesättigter Luft (ϕ = 1 bzw. 100%) wird mit xS bezeichnet. Eine selten verwendete Größe ist der Sättigungsgrad Ψ = x/xS. Bereiche und Grenzwerte:

trockene Luft

x=0

ϕ=0

feuchte Luft – ungesättigt – gesättigt – übersättigt

0 < x < xS x = xS x > xS

0 xS und t > 0 °C) mit Flüssigkeitsnebel h = 1,01 t + xS (2501 + 1,86 t) + (x – xS) 4,19 t in kJ/kgt.L. Flüssigkeitsnebel: Masse x – xS ; Enthalpieanteil hW = (x – xS) cW t = (x – xS) · 4,19 · t übersättigte Luft (x > xS und t < 0 °C) mit Eisnebel h = 1,01 t + xS (2501 + 1,86 t) + (x – xS) (– 344 + 2,09 t) in kJ/kgt.L. Eisnebel: Enthalpieanteil hEis = (x – xS) (– rSchm + cEis t) = (x – xS) (– 344 + 2,09 t)

-6

r0

Lufttemperatur spez. Wärmekapazität trockener Luft

kJ/kg

h,x-Diagramm von Mollier1)

Zur Erleichterung der Rechnungen mit feuchter Luft und zur übersichtlichen Darstellung der Zustandsänderungen dient das h,x-Diagramm von Mollier (Bild 1.3.4-1 und Bild 1.3.4-2 sowie Falttafel am Ende des Buches). Es ist ein schiefwinkliges Koordinatensystem, das auf der schräg nach rechts unten laufenden Abszissenachse die x-Werte, auf der Ordinatenachse die h-Werte enthält. Zum leichteren Ablesen der x-Werte ist außerdem eine waagerechte Hilfsachse vorhanden. In das Diagramm ist die Sättigungskurve (ϕ = 1 bzw. 100 %) eingetragen, die das Gebiet ungesättigte Luft (oberhalb der Kurve) von dem Gebiet übersättigter Luft (Nebelgebiet, unterhalb der Kurve) trennt. Die Isothermen (Linien konstanter Temperaturen) sind im ungesättigten Gebiet und t > 0 °C schwach ansteigende Geraden, die an der Sättigungskurve nach rechts unten abknicken (Nebelisothermen), wobei sie den Geraden konstanter Enthalpie gegenüber leicht steigend verlaufen. Weiter sind die Kurven gleicher relativer Luftfeuchte ϕ, gleicher Dichte ρ oder/und gleichen spezifischen Volumens v eingetragen. ρ und v entsprechen den Definitionen des Abschn. 1.3.4-4 s. S. 208. Die Sättigungskurve, die ϕ-, ρ- und v-Linien sind in ihrer Lage vom Gesamtdruck p, für den das h,x-Diagramm aufgestellt ist, abhängig (üblich sind 1,013 bar oder 1 bar). Das Mollier-h,x-Diagramm ist wegen der Anschaulichkeit nach wie vor sehr bedeutungsvoll, die Berechnung der Zustandspunkte erfolgt aber heute meist mittels Rechenprogrammen (eine ausführliche Darstellung einschließlich der Berechnung der Stoffwerte für feuchte Luft findet sich in2). Auf Grundlage dieser Rechenprogramme lassen sich h,x-Diagramme für beliebige Gesamtdrücke p automatisch erzeugen. In englisch sprechenden Ländern sind andere Diagramme (Psychrometric Charts) in Benutzung, die ebenfalls das h,x-Diagramm von Mollier als Grundlage haben, jedoch mit vertauschten Achsen.

1) 2)

Mollier, R.: Ein neues Diagramm für Dampfluftgemische. ZVDI 67 (1923), S. 869 bis 872. Dasi,xDiagramm für Dampfluftgemische. ZVDI 73 (1929), S. 1009 bis 1013. Glück, B.: Zustands- und Stoffwerte (Wasser, Dampf, Luft), Verbrennungsrechnung. Berlin: Verlag für Bauwesen, 2. erw. Auflage 1991.

DVD 210

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.4-1. Konstruktion des h, x-Diagramms für feuchte Luft nach Mollier.

Bild 1.3.4-2. h, x-Diagramm für feuchte Luft nach Mollier (Luftdruck: 1,013 bar = 1013 hPa).

-7

Zustandsänderungen feuchter Luft

-7.1

Mischung

Bei Mischung zweier Luftmengen m1 und m2 vom Zustand 1 und 2 liegt der Zustandspunkt der Mischung M auf der geraden Verbindungslinie der Punkte 1 und 2 (Bild 1.3.4-3): m1 h1 + m2 h2 -; hM = ----------------------------------m1 + m2

Streckenverhältnis:

m1 x1 + m2 x2 xM = ---------------------------------m1 + m2

m 1M ---------- = -----2- . m 2M 1

1.3.4 Feuchte Luft

211 DVD

Bild 1.3.4-3. Zustandsänderung beim Mischen von zwei Luftmassen m1 (Zustand 1) und m2 (Zustand 2) zum Zustand M (Mischpunkt).

-7.2

Bild 1.3.4-4. Zustandsänderung beim Erwärmen von Luft von 1 nach 2.

Erwärmung

Zustandsänderung erfolgt auf der Linie x = const (Isohygre) nach oben (Bild 1.3.4-4): h2 = h1 + qzu; x2 = x1.

-7.3

Kühlung

Bei der Kühlung sind zwei Fälle zu unterscheiden (Bild 1.3.4-5):

Bild 1.3.4-5. Zustandsänderung beim Kühlen von Luft: Kühloberflächentemperatur unterhalb Taupunkt von 1 nach 2 (nasse Kühlung), oberhalb Taupunkt von 1 nach 2′ (trockene Kühlung).

a) Kühlflächentemperatur liegt unterhalb des Taupunktes der Luft bei Punkt KF. Die Zustandsänderung der Luft kann man sich idealisiert als Mischung der zu kühlenden Luft (Punkt 1) mit der an der Kühloberfläche haftenden Grenzschicht (Punkt KF) vorstellen, wobei die Grenzschicht gesättigte Luft von der Kühlflächentemperatur enthält, die als konstant angenommen ist. Der Mischpunkt liegt daher auf der geraden Verbindungslinie beider Zustandspunkte. Er stellt den Endpunkt 2 der Zustandsänderung dar. Tatsächlich wird sich aufgrund örtlich unterschiedlicher Oberflächentemperaturen am Luftkühler die Zustandsänderung der Luft entsprechend Bild 3.3.2-14 (s. Abschn. 3.3.2-3 s. S. 1306) ergeben. Man spricht von nasser Kühlung. Für den Kühl- und Entfeuchtungsvorgang ist es gleichgültig, ob es sich um Oberflächenkühler oder Nassluftkühler (Wäscher mit gekühltem Wasser) handelt. h2 ≈ h1 – |qab|; Δx = x1 – x2. b) Kühlflächentemperatur des Oberflächenkühlers liegt oberhalb des Taupunktes der Luft (Punkt KF′). Es erfolgt eine trockene Kühlung längs der Isohygren (x = const), ohne den Taupunkt erreichen zu können, bis zum Endpunkt 2′. h2 = h1 – |qab|; x2 = x1.

-7.4

Befeuchtung

Die Befeuchtung der Luft erfolgt in zwei prinzipiell unterschiedlichen Varianten (Bild 1.3.4-6):

DVD 212

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.4-6. Zustandsänderung beim Befeuchten von Luft: Wasserbefeuchtung von 1 nach 2, Dampfbefeuchtung von 1 nach 2′, Sonderfall Heizwäscher von 3 nach 4.

a) Wasser wird in fein zerstäubter Form (z. B. durch Düsen) in die Luft (Luftstrom) eingebracht und durch Verdunstung in die dampfförmige Phase überführt. Die Energie zum Phasenwechsel kommt aus der Luft, wodurch sich diese fühlbar abkühlt. In den Bilanzraum wird nur die Enthalpie des flüssigen Wassers hW = cW tW eingebracht. (Würde versprühtes, nicht verdunstetes Wasser mit niedrigerer Temperatur als am Eintritt aus dem Bilanzgebiet abfließen, wäre der Wärmestrom vom sich abkühlenden Wasser zu berücksichtigen.) In Abhängigkeit der Verdunstungsmenge dx ändert sich die Enthalpie der Luft dh = hW dx = cW tW dx dh/dx = hW = cW tW = 4,19 tW in kJ/kgWasser. Da tW > 0 °C ist, verläuft die Zustandsänderung schwach steigend über der Isenthalpen h1 vom Zustandspunkt 1 zum Punkt 2. Die Richtung der Zustandsänderung dh/ dx bzw. Δh/Δx kann dem Randmaßstab üblicher h,x-Diagramme (s. Einschlagtafel) entnommen werden. Der reale Verlauf der Zustandsänderung ist stark von der Konstruktion des Wäschers (Düsenart, Sprührichtung, Wasser-Luft-Zahl usw.) abhängig (siehe auch Abschn. 3.3.4 s. S. 1325 und 3.5.4 s. S. 1662). Hinweis: Beim Heizwäscher (nur noch selten gebräuchlich), der gleichzeitig auch befeuchtet, ist die Wärmezufuhr qzu pro kgt.L.zusätzlich zu berücksichtigen: dh = hW dx + dqzu. Die Zustandsänderung führt dann auch zu einer Temperaturzunahme der Luft, gemäß Bild 1.3.4-6 z.B. von 3 nach 4 (vgl. auch Bild 3.3.4-1). b) Wasserdampf wird direkt in die Luft eingeblasen. In der Regel handelt es sich um Sattdampf mit der Enthalpie h″, die die Zustandsänderung dh/dx = h″ bewirkt. Wegen der Größe von h″ verläuft die Zustandsänderung von 1 nach 2′ meistens mit sehr geringer Steigung gegenüber der Isothermen t1. Beispiel Um welche spezifische Enthalpie nimmt die Luft zu, wenn pro kg Luft a) 4 g Wasser mit 20 °C b) 4 g Sattdampf von 1,5 bar (eine geringe Überhitzung wird vernachlässigt) von der Luft aufgenommen werden? a) Δh = 4,19 · 20 · 0,004 = 0,34 kJ/kgt.L. b) h″ = 2693,4 kJ/kgWasserdampf (nach Tafel 1.3.3-4) Δh = 2693,4 · 0,004 = 10,77 kJ/kgt.L. Dabei tritt eine Temperaturerhöhung h″ – 2501 – 1 ,86 t t2' – t1 ≈ ----------------------------------------------1- · Δx auf. 1 ,01 + 1, 86 x 1

Wenn t1 = 10 °C und x1 = 0,002 kgW/kgt.L. gilt, dann t2' – t1 ≈ 0,7 K.

1.3.4 Feuchte Luft

-7.5

213 DVD

Adiabate Befeuchtung

Diese Zustandsänderung entspricht der Befeuchtung mit Wasser, wobei die zur Verdunstung erforderliche Wärme ausschließlich von der Luft stammt. Dies ist z. B. der Fall bei einem Luftwäscher, in dem umlaufendes Wasser zerstäubt und keine Wärme mit der Umgebung getauscht wird. Für die Zustandsänderung gilt wiederum dh/dx = cW tW = 4,19 tW in kJ/kgWasser. Die sich bei diesem Vorgang einstellende Wassertemperatur nennt man die Feuchtkugeltemperatur, weil sie mit großer Annäherung durch ein in der Luft bewegtes befeuchtetes Thermometer angezeigt wird. Man nennt sie auch Kühlgrenztemperatur, da sie die tiefste Temperatur ist, bis zu der Wasser mit nicht gesättigter Luft abgekühlt werden kann. Zu einem gegebenen Luftzustand findet man die Feuchtkugeltemperatur tf, indem man diejenige Nebelisotherme rückwärts über die Sättigungskurve hinaus verlängert, die durch den Luftzustandspunkt 1 geht (Bild 1.3.4-7). Da die Steigung dh/dx bei niedrigen Wassertemperaturen sehr klein ist, liegen Feuchtkugelisotherme und Isenthalpe eng beieinander.

Bild 1.3.4-7. Zustandsänderung beim adiabaten Befeuchten der Luft.

-7.6

Bild 1.3.4-8. Zustandsänderung beim Entfeuchten der Luft durch: Kühlung von 1 nach 2, durch Adsorption von 1 nach 2′.

Entfeuchtung

Zur Entfeuchtung der Luft gibt es qualitativ sehr unterschiedliche Verfahren (Bild 1.3.4-8): a) Kühlung der Luft mit Kühlflächentemperaturen, die unter dem Taupunkt liegen. Dieses konventionelle Verfahren wurde bereits unter Abschn. 1.3.4-7.3 s. S. 211 beschrieben. (Wie Bild 1.3.4-5 zeigt, ist die Austrittstemperatur der Luft (Punkt 2) in keiner Weise an den zum Zustand1 gehörigen Taupunkt geknüpft.) Im Ausland benutzt man den S/T-Faktor zur Kennzeichnung des Entfeuchtungsablaufes S/T = Sensible Wärme / Totale Wärme. Er wird im h,x-Diagramm durch das Verhältnis der Strecken S und T dargestellt (Bild 1.3.4-8). Genaugenommen ist die sensible Wärme nur auf die Temperaturänderung zu beziehen, d. h., es müßte das Streckenverhältnis S′/T verwendet werden. Nachteilig bei diesem Entfeuchtungsverfahren ist, dass der Kühlerbetrieb niedrige Temperaturen erfordert und die Luft in der Regel nachgewärmt werden muss. b) Sorptive Verfahren (s. auch Abschn. 3.3.4-2 s. S. 1341 und Abschn. 3.4.3-1 s. S. 1595) binden einen Teil der Luftfeuchte z. B. an der festen Oberfläche des Adsorbens (beispielsweise Silicagel) in flüssiger Phase (Wasser). Dadurch wird die Enthalpie des Wasserdampfes in der Luft |hDdx| – die hauptsächlich aus der Kondensationswärme (spez. Verdampfungsenthalpie) |r dx| ≡ |Δhvdx| besteht – und die Bindungswärme |ΔhBdx| im Festkörper frei. Wird dieser durch die Luft gekühlt (übliche Konstruktion), erfährt die Luft eine Temperaturerhöhung. Es gilt für den nichtisothermen Vorgang näherungsweise (Enthalpie |hDdx| kehrt in die Luft zurück) dh ≈ – ΔhB dx, woraus sich wegen dx < 0 (Entfeuchtung) die im Bild 1.3.4-8 gezeigte Zustandsänderung von 1 nach 2′ ergibt. Die Bindungswärme muss dem Adsorbens natürlich bei der

DVD 214

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Desorption wieder zugeführt werden. Nachteil der sorptiven Entfeuchtung ist die in der Regel erforderliche Kühlung der Luft.

1.3.5

Wärmeübertragung1)

Wärmeübertragung ist der gemeinsame Begriff für den Transport von Wärme durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Wärmeleitung: Die Wärme wird innerhalb eines Körpers von Teilchen zu Teilchen durch intermolekulare Wechselwirkungen weitergeleitet. Die Teilchen befinden sich zueinander in Ruhe. Konvektion (Wärmemitführung): Die Wärme fließt von einem bewegten Medium (Flüssigkeit oder Gas) an einen festen Körper oder umgekehrt, z.B. von Luft an eine Wand. Die Teilchen befinden sich zueinander in Bewegung. Strahlung: Die Wärmestrahlung stellt einen Energietransport durch elektromagnetische Wellen dar. Die Wärmeübertragung erfolgt von einem Körper zum anderen ohne materielle Träger. Im technischen Wärmeprozeß überlagern sich die drei Arten der Wärmeübertragung in vielfältigen Formen. Diese Vorgänge können stationär oder instationär verlaufen. Nachstehend sind die wichtigsten Beziehungen für stationäre Wärmeübertragung zusammengestellt. Ausführliche Berechnungsblätter: VDI-Wärmeatlas, VDI-Verlag Düsseldorf; Begriffe und Kenngrößen DIN 1341:1986-10; Formelzeichen und Einheiten DIN 1345:1993-12; VDI 2055:1994-07.

-1

Wärmeleitung

-1.1

Ebene Wand

Wärmestrom bzw. Wärmestromdichte durch eine ebene, einschichtige Wand (Bild 1.3.5-1)

· --- A Δt = A Δt --------Q =λ = A Λ Δt in W s Rλ

bzw.

˙ ---- = λ q· = Q --- Δt in W/m2 A s

W Wärmestrom · Q W/m2 Wärmestromdichte q· W/(mK) Wärmeleitfähigkeit s m Schichtdicke A m2 Fläche Δt K Temperaturdifferenz Rλ m2K/W Wärmeleitwiderstand Rλ = s/λ Λ W/(m2K) Wärmedurchlasskoeffizient Λ = λ/s. Wärmestrom durch eine ebene, mehrschichtige Wand (Bild 1.3.5-2) q· =

Δt Δt Δt Q˙ = Δt -------1- = -------k- = -------n- = --------------------------------------------------s s1 sk sn s sn ⎞ A 1 2 ⎛ ----- + ----- + … + ---------------⎝λ λ1 λk λn λ2 λ n⎠ 1

in W/m2.

Temperaturverlauf in einer ebenen, mehrschichtigen Wand (Bild 1.3.5-2) Der Temperaturverlauf ist für jede Schicht separat zu berechnen s Δtk = tk–tk+1 = q· ----k- in K, λk

1)

s z.B. Δt1 = t1 – t2 = q· ----1- . λ1

Neubearbeitung erfolgte durch Dr.-Ing. habil. Bernd Glück, Jößnitz, für die 67. Auflage, angelehnt an: Glück, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren (2. Auflage). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990.Glück, B.; Nebeck, A.: Arbeitsmappe Heizung der Fa. ROM, Hamburg 1992.

1.3.5 Wärmeübertragung

215 DVD

Die Temperaturen an den Schichtgrenzen ergeben sich schrittweise zu s tk+1 = tk– q· ----k- in °C, λk

s z.B. t2 = t1– q· ----1- . λ1

Bild 1.3.5-1. Temperaturverlauf in einer ebenen, einschichtigen Wand

-1.2

Bild 1.3.5-2. Temperaturverlauf in einerebenen, mehrschichtigen Wand

Zylinderwand

Wärmestrom durch eine mehrschichtige Zylinderwand (Bild 1.3.5-3)

·

Q=

·

Q L d Δt λ

2πL Δt --------------------------------------------------------------------------------------1 d n + 1⎞ 1 d2 1 d3 ⎛ ----ln ----- + -----ln ----- + ··· + -----ln ----------⎝ λ1 d1 λ2 d2 λn dn ⎠

W m m K W/(mK)

in W

Wärmestrom Zylinderlänge Durchmesser Temperaturdifferenz Δt = t1– tn+1 Wärmeleitfähigkeit.

Bild 1.3.5-3. Aufbau einer mehrschaligen Zylinderwand

Temperaturverlauf in einer mehrschichtigen Zylinderwand Der Temperaturverlauf ist für jede Schicht separat zu berechnen Δtk =

dk + 1 Q˙ ------------------ln ----------dk 2πL λ k

in K,

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DVD 216

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

d Q˙ -ln ----2- . z.B. Δt1 = ----------------2πL λ 1 d 1

Die Temperaturen an den Schichtgrenzen ergeben sich schrittweise zu dk + 1 Q˙ -ln ----------- in °C, tk+1 = tk– ----------------dk 2πL λ k d Q˙ -ln ----2- . z.B. t2 = t1– ----------------2πL λ 1 d 1

Beispiel Ein Rohr mit einem Außendurchmesser von d1 = 0,030 m und einer Oberflächentemperatur von t1 = 500 °C ist zweischalig wärmegedämmt: Kieselgursteine s1 = 30 mm (d2 = 0,090 m), λ1 = 0,17 W/(mK) und Glaswollematten s2 = 30 mm (d3 = 0 ,150 m), λ2 = 0,07 W/(mK). Die äußere Blechmantelumhüllung hat eine Temperatur von t3 = 30 °C. Wie groß ist der Wärmestrom je 1 m Länge, und welcher maximalen Temperatur ist die Glaswolle ausgesetzt?

·

Q=

2π ⋅ 1 ⋅ ( 500 – 30 ) ------------------------------------------------------------------0 ,15 0 ,09 1 1 ⎛ ----------ln ---------- + ----------ln ----------⎞ ⎝ 0 ,17 0 ,03 0 ,07 0 ,09⎠

= 214,6 W

0 ,09 214 ,6 t2 = 500– -----------------------------ln ---------2π ⋅ 1 ⋅ 0 ,17 0 ,03

= 279,3 °C

214 ,6 0 ,15 t2 = 30+ -----------------------------ln ---------2π ⋅ 1 ⋅ 0 ,07 0 ,09

= 279,2 °C.

-1.3

oder

Wärmeleitfähigkeit

Die Werte sind aus Tafel 1.3.5-1 bis Tafel 1.3.5-9 und aus Bild 1.3.5-4 bis Bild 1.3.5-6 entnehmbar. Die Wärmeleitfähigkeit ist von der Materialstruktur (Tafel 1.3.5-1), von der Dichte (Bild 1.3.5-4), der Temperatur (siehe Aluminium, Tafel 1.3.5-2; PolyurethanHartschaum, Tafel 1.3.5-6 sowie Bild 1.3.5-5 und Bild 1.3.5-6), der Feuchte (siehe Sand, Tafel 1.3.5-3) und vom Druck (Bild 1.3.5-6) abhängig. Es sind einsatzbezogene Mittelwerte zu verwenden. Tafel 1.3.5-1

Wärmeleitfähigkeiten λ verschiedener Stoffgruppen

Approximationsgleichungen für die Wärmeleitfähigkeit von Luft und Wasser umseitig.

1.3.5 Wärmeübertragung

217 DVD

Approximation für trockene Luft nach 1) in W/(m K) im Bereich t = –20 °C…200 °C, p = 1 bar:

λ = 2,4178 · 10-2 + 7,634878 · 10-5 t – 4,663859 · 10-8 t2 + 4,612639 · 10-11 t3 (Fehler 100 dh; bei kurzen Rohren ist α größer, z.B. bei L/dh = 1 um etwa 100%, bei sehr langen kleiner (etwa 10 bis 20%) Luft und Rauchgas 0 ,75

w0 - in W/(m2K) αK = 4,4 ----------0 ,25 dh

Überhitzter Dampf 0 ,75

tF ⎞ w0 - -----------αK = ⎛⎝ 4 ,4 + 0 ,3 -------100⎠ d 0 ,25

in W/(m2K).

Bild 1.3.5-8. Korrekturfaktor KL des Längeneinflusses bei turbulenter Rohrströmung.

Bild 1.3.5-9. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-wasserdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!)

1.3.5 Wärmeübertragung

229 DVD

Bild 1.3.5-10. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-wasserdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!).

Bild 1.3.5-11. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-luftdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!)

Bild 1.3.5-12. Wärmeübergangskoeffizienten in turbulent-luftdurchströmten Rohren und Kanälen (Ergebnis mit KL nach Bild 1.3.5-8 multiplizieren!)

DVD 230

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Beispiel 1 In einem Rohr der Länge L = 10 m und des Innendurchmessers d = 0,1 m strömt Wasser ( = 0,01 m3/s) mit der mittleren Temperatur tF = 100 °C. Der Wärmeübergangskoeffizient ist zu bestimmen. Berechnung nach Nußeltgleichung: 0 ,01 - = 1,27 m/s w = --------------2 π --- 0 ,1 4

(nach Bild 1.3.5-7)

1 ,27 ⋅ 0 ,1 - = 430508 (mit v nach Tafel 1.3.5-11); Pr = 1,75 Re = ---------------------------–6 (nach Tafel 1.3.5-11) 0 ,295 ⋅ 10 1 B = ---------------------------------------------------------= 0,001683 2 ( 5 ,15lg(430508)–4,64 ) 0, 1 0, 667 0, 001683 ( 430508 – 1000 )1 ,75 - 1 + ⎛ ---------⎞ Nu = -----------------------------------------------------------------------------------------= 1071 ⎝ 10 ⎠ 0, 5 0 ,667 1 + 12 ,7 ⋅ 0, 001683 ( 1 ,75 – 1) ⋅ 0 ,680 ------------------------------ = 7283 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). αK = 1071 0, 1

Berechnung nach Bild 1.3.5-9: mit d/L = 0,01 → Bild 1.3.5-8: KL = 1,05 w · d = 1,27 · 0,1 = 0,127 m2/s → Bild 1.3.5-9: αK · d ≈ 680 W/(m2K) m 680 αK = --------- · 1,05 = 7140 W/(m2K). 0, 1

Berechnung nach Näherungsgleichungen: 0, 87

1 ,27 αK = 2040 (1 + 0,015 · 100) ------------------= 8470 W/(m2K) 0 ,13 0 ,1

αK = 3370 (1 + 0,014 · 100) 1,270,85 = 9910 W/(m2K). Beispiel 2 Luft strömt mit w = 10 m/s, p = 1 bar und tF = 100 °C durch ein Rohr (Innendurchmesser 50 mm). Wie groß ist der Wärmeübergangskoeffizient? Berechnung nach Nußeltgleichung: 10 ⋅ 0 ,05 - = 21277 (mit v nach Tafel 1.3.5-11); Pr = 0,71 (nach Tafel 1.3.5-11) Re = ------------------------–6 23 ,5 ⋅ 10 1 B = ------------------------------------------------------------- = 0 ,00321 ( 5 ,15 lg ( 21277 ) – 4 ,64 ) 2 0 ,00321 ( 21277 – 1000 )0 ,71 - = 54, 2 Nu = ------------------------------------------------------------------------------------0 ,5 0 ,667 1 + 12 ,7 ⋅ 0 ,00321 ( 0 ,71 – 1) ,2 ⋅ 0 ,0314------------------------------αK = 54 = 34 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). 0 ,05

Der Längeneinfluß bleibt unberücksichtigt (KL = 1). Berechnung nach Bild 1.3.5-11: w · d = 10 · 0,05 m2/s = 0,5 m2/s → Bild 1.3.5-11: αK · d ≈ 1,7 W/(m2K) m 1 ,7 αK = ------------- = 34 W/(m2K). 0 ,050

1.3.5 Wärmeübertragung

231 DVD

Berechnung nach Näherungsgleichungen: 273 w0 = 10 ----------------------= 7,3 m/s 273 + 100

αK =

0 ,75

100 100 2 7 ,3 4 ,13 + 0 ,23 --------- – 0 ,0077 ⎛ ---------⎞ ---------------------- = 41 W/(m2K) ⎝ 100⎠ 0 ,25 100 0 ,050 0 ,75

7 ,3 - = 41 W/(m2K). αK = 4,4 --------------------0 ,25 0 ,050

-2.1.3 αK =

Turbulente Strömung von Flüssigkeiten und Gasen in Rohrwendeln d 0 ,5 C Re Pr Nu ,0396 ---------λ- mit Nu = ------------------------------------------------------------- ;C = 0---------------+ 0 ,0038 ⎛ ----⎞ ⎝ D⎠ 0, 5 0 ,667 0 ,25 d 1 + 12 ,7 C ( Pr – 1) Re

------- ; D nach Bild 1.3.5-13; Pr, λ, v bei tF Re = wd v

Gültigkeitsbereich: Re > 2,2 · 104; 2 < Pr < 5 für Wasser; Pr ≈ 0,7 für LuftAuswertung der Gleichungen für Wasser im Bild 1.3.5-14. 2 1D = D* + ⎛⎝ --h-⎞⎠ -----π D*

D ist eine reine Rechengröße zur Bestimmung von C.

Bild 1.3.5-13. Charakteristische Abmessungen einer Rohrwendel

Bild 1.3.5-14. Wärmeübergangskoeffizienten in einer turbulent-wasserdurchströmten Rohrwendel

DVD 232

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-2.2

Erzwungene Flüssigkeits- oder Gasströmung um Platten und Rohre

-2.2.1 Längsüberströmte Platten lÜ m Überströmlänge nach Bild 1.3.5-15 w∞ m/s Geschwindigkeit der unbeeinflußten Umgebung nach Bild 1.3.5-15 t∞ °C Fluidtemperatur außerhalb Grenzschicht nach Bild 1.3.5-15

Bild 1.3.5-15. Charakte ristische Parameter für überströmte Teile

---------λαK = Nu lÜ

mit Nu =

0 ,441 Re Pr

0, 667

1 ,6

2

Re Pr + -----------------------------------------------------------------------------------------------2 – 0, 1 0, 667 [ 27 ,027 + 66 ,027 Re ( Pr – 1)]

0, 5

w∞ lÜ Re = -----------; Pr, λ, v bei t∞ v

Gültigkeitsbereich: 10 < Re < 107; 0,6 < Pr < 2000 Auswertung der Gleichung in Bild 1.3.5-16 und Bild 1.3.5-17.

Bild 1.3.5-16. Wärmeübergangskoeffizienten an längsangeströmten Platten.

1.3.5 Wärmeübertragung

233 DVD

Weitere Näherungsgleichungen für Luft αK = 6,2 + 4,2 w in W/(m2K) für w < 5 m/s αK = 7,15 w0,78 in W/(m2K) für w > 5 m/s nach Jürges: 0 ,8

w - in W/(m2K) für Re > 5 · 105, t∞ = 0 ... 50 °C αK = 6,4 --------0, 2 lÜ nach Glück: 0 ,72

------------ in W/(m2K) für w∞ = 1 ... 3 m/s, t∞ = 20 °C; lÜ = L = 1 ... 10m. αK = 6,9 w 0 ,26 lÜ

-2.2.2 Längsüberströmte Rohre lÜ m Überströmlänge nach Bild 1.3.5-15 da m Rohraußendurchmesser nach Bild 1.3.5-15 w∞ m Geschwindigkeit in der unbeeinflussten Umgebung nach Bild 1.3.5-15 t∞ °C Temperatur außerhalb der Grenzschicht nach Bild 1.3.5-15 tW °C Rohroberflächentemperatur nach Bild 1.3.5-15 Nu λ αK = ---------------wda

Nu = 1,1 K–0,5 + 1,056 K–0,1 vl Ü - , v bei t∞, λW bei tW K = 4 -----------2 w∞ da Gültigkeitsbereich: 10–3 < K < 104; Pr = 0,7 (Luft)

Bild 1.3.5-17. Wärmeübergangskoeffizienten an längsangeströmten Platten für Luft bei p ≈ 1 bar und t∞ = 20 °C

-2.2.3 Querüberströmte Rohre und Rohrbündel lÜ m Überströmlänge nach Bild 1.3.5-18 w m/s Geschwindigkeit nach Bild 1.3.5-18 t °C Fluidtemperatur nach Bild 1.3.5-18 Einzelrohr und eine einzelne Rohrreihe (Bild 1.3.5-18) ---------λ- mit αK = Nu lÜ

Nu = 0,3 +

0 ,441 Re Pr

0 ,667

1 ,6

2

Re Pr + ----------------------------------------------------------------------------------------------2 – 0 ,1 0 ,667 [ 27 ,027 + 66 ,027 Re ( Pr – 1)]

0 ,5

DVD 234

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

wl Re = --------Ü- ; Pr, λ, v bei t v

Gültigkeitsbereich: 10 < Re < 106; 0,6 < Pr < 1000

Bild 1.3.5-18. Charakteristische Parameter für querangeströmte Rohre und Rohrbündel

Näherungsweise kann der Wärmeübergangskoeffizient nach Bild 1.3.5-16 bestimmt werden. Weitere Näherungsgleichungen für Luft gegen Einzelrohr (nach Schack) 0 ,61

αK =

t ⎞ w0 ⎛ 4 ,65 + 0 ,35 -------- ------------ in W/(m2K) ⎝ 100⎠ d 0 ,39 w0 m/s Luftgeschwindigkeit des Normvolumens (0 °C, 1,013 bar) 0 ,61

w0 - in W/(m2K) für t < 100 °C. αK = 4,8 ----------0 ,39 d Beispiel In einem Wärmetauscher strömt Luft der Temperatur 200 °C über eine einzelne Rohrreihe. Die Luftgeschwindigkeit vor der Rohrreihe beträgt 10m/s. Für die Rohrreihe gilt: da = 64 mm; s = 130 mm. Der Wärmeübergangskoeffizient ist zu bestimmen. Berechnung nach Nußeltgleichung: 10 π w = ---------------------------- = 16 ,3 m/s; l Ü = --- 0,064 = 0,1 m (nach Bild 1.3.5-18) π 0 ,064 2 1 – --- ------------4 0 ,13 16 ,3 ⋅ 0 ,1 - = 45954 (mit v nach Tafel 1.3.5-11); Pr = 0,71 (nach Tafel 1.3.5-11) Re = ---------------------------–6 35 ,47 ⋅ 10

Nu = 0,3 +

0 ,441 ⋅ 45954 ⋅ 0 ,71

0 ,667

1.3.5 Wärmeübertragung

235 DVD 1 ,6

2

45954 ⋅ 0 ,71 + -------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 – 0 ,1 [ 27 ,027 + 66 ,027 ⋅ 45954 ( 0 ,71 0 ,667 – 1 ) ]

0 ,5

= 213

⋅ 0 ,038 --------------------------- = 81 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). αK = 213 0 ,1

Berechnung nach Bild 1.3.5-16: w · lÜ = 1,63 m2/s → Bild 1.3.5-16: αK · lÜ ≈ 8 W/(m2K) · m 8 αK ≈ ------= 80 W/(m2K). 0 ,1

Berechnung nach Näherungsgleichung: 273 0 ,130 - --------------------------------w0 = 10 ----------------------= 11,4 m/s (Geschwindigkeit zwischen den Rohren) 273 + 200 0 ,130 – 0 ,064 0 ,61

11 ,4 ---------⎞ --------------------- = 69 W/(m2K). αK = ⎛⎝ 4 ,65 + 0 ,35 200 100⎠ 0 ,064 0 ,39

Versetztes Rohrbündel (Bild 1.3.5-18) αK = (αK )einzelne Rohrreihe ·

2d 1 1 + --------a ⎛ 1 – ---⎞ 3s l ⎝ n⎠

Näherungsweise ist (αK )einzelneRohrreihe nach Bild 1.3.5-16 zu bestimmen. Weitere Näherungsgleichungen für Luft gegen Rohrbündel (nach Schack) 0 ,61

w0 -ƒ αK =1,6 (t + 273)0,25 ----------in W/(m2K) 0 ,39 d w0 m/s Luftgeschwindigkeit des Normvolumens zwischen den Rohren f Rohranordnungsfaktor nach Bild 1.3.5-19.

Bild 1.3.5-19. Rohranordnungsfaktor f für Re = 2000

DVD 236

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-2.3

Wasser in Behältern und Kesseln

αK =600 ... 2000 W/(m2K) (freie Strömung) Wasser, nicht siedend, aber gerührt αK =1000 ... 4000 W/(m2K) Wasser, siedend bei freier Konvektion αK =2000 ... 8000 W/(m2K) In allen Fällen steigt α mit der Wandtemperatur und dem Temperaturunterschied zwischen Wasser und Wandung.

Wasser, nicht siedend und nicht gerührt

-2.4 t∞ tW tG Δt H L,B da l g

Freie Strömung an Platten und Rohren

°C °C °C K m m m m m/s2 -2.4.1

Temperatur der unbeeinflußten Umgebung Wandtemperatur mittlere Grenzschichttemperatur tG = (t∞ + tW)/2 Temperaturdifferenz Δt = |tW – t∞| Höhe (Wand, Rohr) Länge, Breite (Platten) Außendurchmesser (Rohr) charakteristische Länge Erdbeschleunigung (g = 9,81 m/s2) Senkrechte Platten (Wände) und Rohre

Nu λαK = --------mit Nu = H (*)

0 ,825 + 0 ,387 Ra

0 ,167

0 ,492 1 + ⎛ -------------⎞ ⎝ Pr ⎠

0 ,563 – 0 ,296 2

3

g Δ t H Pr Ra = -----------------------------(Ideales Gas; Luft); 2 ( t ∞ + 273 ) v 3 g H Pr ρ w – ρ ∞ - ---------------------- (Flüssigkeit); Es gilt stets: λ, v, Pr bei tG . Ra = ------------------2 ρw v Gültigkeitsbereich: 0,1 < Ra < 1012; 0 < Pr < ∞ Darstellung in den Bildern Bild 1.3.5-20 und Bild 1.3.5-21.

Bild 1.3.5-20. Wärmeübergangskoeffizienten an senkrechten Platten und Rohren (H = 0,5 ... 3 m) und an waagerechten Platten in Luft (t∞ = 0 ... 20 °C) in Abhängigkeit der Übertemperatur Δt = |tW – t∞|. (Im Kühlfall bis etwa Δt = 10K anwendbar.)

1.3.5 Wärmeübertragung

237 DVD

Bild 1.3.5-21. Wärmeübergangskoeffizienten an beheizten senkrechten Platten (H= 0,5 m) in Wasser (t∞ = 10 ... 80 °C) in Abhängigkeit der Übertemperatur Δt=(tW – t∞)

Für Vertikalrohre mit der Höhe H und dem Außendurchmesser da gilt mit Nu nach Gl. (*): HNuRohr = Nu + 0,435 ---. da

Weitere Näherungsgleichungen für Luft nach Schmidt-Beckmann, Schack für laminaren Bereich (Höhenabhängigkeit!): Δt αK = 5,6 ----------------------------( t ∞ + 273 )H

0 ,25

in W/(m2K)

αK = 1,35 (Δt/H)0,25 in W/(m2K) für Lufttemperatur t∞ = 20 °C nach Jakob für turbulenten Bereich: Δt αK = 9,7 -----------------------( t ∞ + 273 )

0 ,333

in W/(m2K)

αK = 1,47 Δt0,333 in W/(m2K) für Lufttemperatur t∞ = 20 °C nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung): αK = 1,6 Δt0,3 in W/(m2K) für t∞ = 0 ... 20 °C; H = 0,5 ... 3m Darstellung im Bild 1.3.5-20. Beispiel Wie groß ist der konvektive Wärmeübergangskoeffizient an einer senkrechten Heizplatte (tW = 60 °C; H = 1,2 m), wenn die Lufttemperatur in der unbeeinflußten Umgebung t∞ = 20 °C beträgt? Berechnung nach Nußeltgleichung: tG = (20 + 60)/2 = 40 °C; Pr = 0,71; v = 17,26 · 10–6 m2/s (nach Tafel 1.3.5-11) 3

,81 ⋅ ( 60 – 20 ) ⋅ 1 ,2 ⋅ 0 ,71 - = 5,5 · 109 Ra = 9------------------------------------------------------------------–6 2 ( 20 + 273 ) ( 17 ,26 ⋅ 10 )

Nu =

9 0 ,167

0, 825 + 0 ,387 ( 5 ,5 ⋅ 10 )

0 ,492 0 ,563 1 + ⎛ -------------⎞ ⎝ 0 ,71 ⎠

– 0 ,296 2

= 212

DVD 238

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

⋅ 0 ,0272----------------------------αK = 212 = 4,8 W/(m2K) (mit λ nach Tafel 1.3.5-11). 1 ,2

Berechnung nach Näherungsgleichung: αK = 1,47 · 400,333 = 5,0 W/(m2K) αK = 1,6 · 400,3 = 4,8 W/(m2K). -2.4.2 Waagerechte Platten Die Wärmeübergangskoeffizienten sind stark von den Abmessungen der Heiz- bzw. Kühlfläche, den Einbaubedingungen und der überlagerten Raumluftströmung (s. Abschn. 1.3.5-2.5 s. S. 239) abhängig. Nu λLB αK = --------; l = --------------------l 2(L + B)

Wärmestrom nach oben (turbulente Fluidströmung ohne äußeren Einfluß) Nu = 0,155 Ra0,333 Wärmestrom nach unten (laminare Luftströmung ohne äußeren Einfluß) Nu = 0,485 Ra0,2 3

g Δ t l Pr Ra = -----------------------------; λ, v, Pr bei tG. 2 ( t ∞ + 273 )v Weitere Näherungsgleichungen für Luft Wärmestrom nach oben (Fußbodenheizung, Kühldecke) nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung): αK = 2 Δt0,31 in W/(m2K) für t∞ = 0 ... 20 °C, L oder B = 0,5 ... 10m Darstellung im Bild 1.3.5-20. Wärmestrom nach unten (Heizdecke) nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung): αK = 0,5 Δt0,2 l –0,4 in W/(m2K) (Approximation aus Nußeltgleichung; keinerlei Luftbewegung) nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung nach Michejew): αK = 1,08 Δt0,31 in W/(m2K) (Heizstreifen in Hallen bei thermisch bedingter Luftbewegung) αK ≤ 0,54 Δt0,31 in W/(m2K) (Heizflächen bei stabiler Luftschichtung) Darstellung im Bild 1.3.5-20.

-2.4.3 αK =

Waagerechte Rohre

0, 167 0 ,559 0 ,563 Nu λ--------1 + ⎛ -------------⎞ mit Nu = 0 ,60 + 0 ,387 Ra ⎝ Pr ⎠ da

– 0 ,296 2

3

g Δ t d a Pr Ra = -----------------------------(Ideales Gas; Luft); 2 ( t ∞ + 273 ) v 3

g d a Pr ρ w – ρ ∞ ----------------- ---------------------- (Flüssigkeit); Es gelten stets: λ, v, Pr bei tG . 2 ρW v Gültigkeitsbereich: 0,1 < Ra < 1012; 0 < Pr < ∞ Darstellung in Bild 1.3.5-22 und Bild 1.3.5-23. Weitere Näherungsgleichungen für Luft; nach Glück (Approximation aus Nußeltgleichung):

Ra =

0 ,25 + 0 ,1d a

t ----------------------------- in W/(m2K) für t∞ = 0 ... 20 °C; da = 0,01 ... 1m αK = 1,23 Δ 0,25 da Darstellung im Bild 1.3.5-22.

1.3.5 Wärmeübertragung

239 DVD

Bild 1.3.5-22. Wärmeübergangskoeffizienten an waagerechten Rohren des Außendurchmessers da in Luft (t∞= 0 ... 20 °C) in Abhängigkeit der Übertemperatur Δt = |tW – t∞|. (Im Kühlfall bis etwa Δt = 10K anwendbar.)

Bild 1.3.5-23. Wärmeübergangskoeffizienten an beheizten waagerechten Rohren (da = 10...50 mm) in Wasserbehältern (t∞ = 10...80 °C) bei freier Strömung (Warmwasserbereiter) in Abhängigkeit der Übertemperatur Δt = (tW – t∞)

-2.5

Überlagerung freier und erzwungener Konvektion

In praktischen Fällen – z.B. bei Fußboden- oder Deckenheizungen sowie bei Deckenkühlung (vgl. auch α aus Basiskennlinie, Abschn. 2.4.4-3.2 s. S. 1148 [Fußbodenheizung] und 3.2.3-2 s. S. 1258 [Kühldecken]) – ist der freien Auftriebsströmung die Raumströmung überlagert. Es gilt näherungsweise: Nu =

3

3

3

Nu frei + Nu erzwungen

bzw.

αK =

3

3

3

α K, frei + α K, erzwungen .

DVD 240

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-2.6

Verdampfung von Wasser in Behältern und Kesseln

Vor Beginn der Blasenbildung stellt sich der Wärmeübergang nach den Gesetzen der freien Konvektion ein (vgl. Abschn. 1.3.5-2.3 s. S. 236 und -2.4 s. S. 236). Bei p = 1 bar beginnt ab einer Heizflächenbelastung von q· ≈ 15 kW/m2 die Blasenbildung (Bild 1.3.5-24).

Bild 1.3.5-24. Wärmeübergangskoeffizient an Heizflächen beim Sieden in Abhängigkeit von der Heizflächenübertemperatur Δt für Wasser bei 1 bar

Es gilt für den Wärmeübergangskoeffizienten (Verdampfung) q˙ ⎞ 0 ,771p αV = 2195 p0,29 ⎛⎝ -------------20000⎠

– 0 ,035

in W/(m2K)

und den Temperaturunterschied zwischen Heizfläche und Wasser Δt= q· /αV in K. p bar Druck (1 ... 20 bar) W/m2 q· Heizflächenbelastung (104 ... 106 W/m2) Darstellung im Bild 1.3.5-25

Bild 1.3.5-25. Wärmeübergangskoeffizient bei Verdampfung von Wasser in Abhängigkeit von Heizflächenbelastung und Siededruck mit Angabe der Heizflächenübertemperatur Δt

1.3.5 Wärmeübertragung

241 DVD

Bei Belastung über etwa 1000 kW/m2 zunächst Instabilität und anschließend zusammenhängende Dampfschicht über der Heizfläche (Filmverdampfung), dabei starkes Abfallen des Wärmeübergangskoeffizienten auf αV ≈ 1000 W/(m2K) (bei 1 bar). Der Wärmeübergang beim Blasensieden hängt außer von q· und p auch vom Material der Heizwand ab. Beispiel Wie groß ist der Wärmeübergangskoeffizient bei einer Belastung von q· = 100 kW/m2 und p = 2 bar? 0 ,771 ⋅ 2 ------------------⎞ αV = 2195 · 20,29 ⎛⎝ 100000 ⎠ 20000

– 0 ,035

------------------ = 11K. = 9010 W/(m2K); Δt = 100000 9010

Gleiches Ergebnis folgt aus Bild 1.3.5-25.

-2.7

Kondensation von Wasserdampf1)

Kondensiert ruhender Sattdampf an einer senkrechten Kühlfläche mit konstanter Wandtemperatur, so läuft in der Regel ein geschlossener Wasserfilm zunächst laminar (teils mit Wellen) und mit wachsender Filmdicke turbulent ab: Idealfall, laminar ohne Wellen (Nußelttheorie) αKon,IF = (7388,9 + 57,077 tF–151,35 · 10–3 tF2–29,76 · 10–6 tF3) [(tS–tW) H]–0,25 in W/(m2K) Realfall, laminar mit Wellen αKon,lam = 1,15 αKon,IF Realfall, turbulent αKon,turb = (19,93 + 1,0953 tF + 8,476 · 10–4 tF2–3,273 · 10–6 tF3) [(tS–tW) H]0,618 in W/(m2K) tS °C Sättigungstemperatur des Dampfes tW °C Wandtemperatur tF °C mittlere Fluidtemperatur tF = (tS + tW)/2 H m Höhe der Kühlfläche. Berechnung von αKon an Kühlflächen mit veränderlicher Wandtemperatur nur mit Rechenprogramm2) möglich. Mittelwert des Wärmeübergangskoeffizienten über die Höhe H: αKon = (α4Kon,lam + α4Kon,turb)0,25 Auswertung in Bild 1.3.5-26.

1)

2)

Glück, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren (2. Auflage). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990.VDI-Wärmeatlas (7. Auflage). Düsseldorf: VDI-Verlag 1994 und (9. Auflage). Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. Glück, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren (2. Auflage). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990.VDI-Wärmeatlas (7. Auflage). Düsseldorf: VDI-Verlag 1994.

DVD 242

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-26. Wärmeübergangskoeffizienten von kondensierendem Sattdampf an senkrechten Wänden und Rohren konstanter Temperatur in Abhängigkeit der mittleren Filmtemperatur tF und des Parameters H Δt; t F = 0,5 (t W + t S); H freie Ablaufhöhe; Δt = t S – t W

Kondensation an waagerechten Rohren αKon,waag = 0,75 αKon für H ist da einzusetzen Bündel mit n übereinander liegenden Rohren αKon,Bündel = αKon,waag n–0,08. Die Kondensation von Dämpfen mit Inertgasanteil führt zu einer starken Reduzierung des Wärmeübergangskoeffizienten (Wärmeübertrager sorgfältig entlüften!). Tropfenkondensation (kein geschlossener Kondensatfilm) liefert bis αKon = 120000 W/ (m2K). Die Kondensation von Heißdampf (überhitzter Dampf) ergibt etwas höhere Wärmeübergangskoeffizienten als bei Sattdampfkondensation infolge der höheren Enthalpiedifferenz h–h´ > h´´–h´ = ΔhV ≡ r. Ist die Wandtemperatur höher als die Sättigungstemperatur (tW > tS), dann verhält sich der Heißdampf wie ein Gas (Berechnung gemäß Abschn. 1.3.5-2.1 s. S. 226 oder 1.3.52.2 s. S. 232). Die Wärmeübergangskoeffizienten sind dann bedeutend kleiner als bei Kondensation.

-2.8

Verdunstung und Stoffübergang von Wasser

Für die durch Verdunstung von einer ruhenden Wasserfläche an die Luft übertragene Wassermenge m· W gilt mit genügender Genauigkeit (Merkel 1925): m· W = σ A (xS–x) in kg/h Verdunstungskoeffizient σ nach Analogie zwischen Wärme- und Stoffübertragung: αK - (Gesetz von Lewis); σ = 25 + 19 w in kg/(m2h) σ ≈ --------cp , L verdunstete Wassermasse m· W kg/h A m2 Wasseroberfläche x kg/kg Feuchtegehalt der Luft xs kg/kg Feuchtegehalt der gesättigten Luft bei t0 w m/s Luftgeschwindigkeit t0 °C Temperatur der Wasseroberfläche tf °C Feuchtkugeltemperatur der Luft 2 αK W/(m K) konvektiver Wärmeübergangskoeffizient cp,L J/(kgK) spezifische Wärmekapazität der Luft.

1.3.5 Wärmeübertragung

243 DVD

Die Näherung σ = αK/cp,L gilt im Bereich ungesättigter Luft. In Sättigungsnähe treten Abweichungen auf1). Die Temperatur der Wasseroberfläche t0 ist geringer als im Wasserinnern ti. Bereits in einer nur 1 mm dicken Schicht unterhalb der Wasseroberfläche kann ein Temperaturgefälle von mehreren K auftreten. Nach Häussler ist etwa t0 = ti – 1--- (ti – tf) in °C. 8 Enthalpieänderung der Luft s. Abschn. 1.3.4-7.4 s. S. 211. Wasserverdunstung in Schwimmbädern s. Abschn. 3.6.9-1 s. S. 1819.

-3

Wärmestrahlung

Wärmestrahlung (Temperatur- bzw. Infrarotstrahlung) wird von festen Körpern, Flüssigkeiten und auch von einigen Gasen emittiert und absorbiert. Es handelt sich um elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 0,8 ... 800 µm (Licht: 0,4 ... 0,8 µm). Die Strahlungsintensität (Wärmestromdichte je Wellenlängeneinheit) steigt mit der Temperatur und durchläuft in Abhängigkeit der Wellenlänge ein Maximum (Plancksches Strahlungsgesetz; Bild 1.3.5-27). Die Maxima verschieben sich mit zunehmenden Temperaturen zu kleineren Wellenlängen (Wiensches Verschiebungsgesetz). Die auf einen Körper auftreffende Strahlung kann absorbiert (Absorptionsgrad a), reflektiert (Reflexionsgrad r) oder durchgelassen (Durchlassgrad d) werden (Bild 1.3.5-28). Die Anteile sind vom Stoff, der Oberflächenbeschaffenheit, der Schichtdicke und der Wellenlänge abhängig.

Bild 1.3.5-27. Strahlungsintensität des schwarzen Körpers

Bild 1.3.5-28. Mögliche Aufteilung auftreffender Strahlung (rauhe Oberfläche bewirkt diffuse Strahlung)

1)

Reschke, G.; Stach, H.: Luft- und Kältetechnik 4/87, Siehe 216ff., und 2/88, Siehe 100ff.

DVD 244

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-3.1

Stefan-Boltzmannsches Gesetz, Emissionsgrad

Die Gesamtstrahlungsenergie (Emission) einer schwarzen Oberfläche beträgt · ES = σ T4 A in W bzw. auf die Fläche bezogen E˙ · e S = -----S- = σ T4 in W/m2. A

·

ES W Gesamtstrahlungsenergie T K absolute Temperatur 2 A m Emissionsfläche ·e 2 W/m Gesamtstrahlungsenergie je Flächeneinheit S Strahlungskonstante: σ = 5,67 · 10–8 W/(m2K4). Reale Strahler emittieren weniger Energie. Für den grauen Strahler gilt mit dem Emissionsgrad ε < 1 (s. Tafel 1.3.5-12): · E = ε σ T4 A in W bzw. e· = ε σ T4 in W/m2. Farben nehmen nur wenig Einfluß auf den Emissionsgrad. Aluminiumbronze und blanke Metalle haben sehr geringe Werte. Glas ist für die kurzwellige Lichtstrahlung durchlässig (Größe von Glasart abhängig), jedoch nicht für die langwellige Wärmestrahlung. Tafel 1.3.5-12 Emissionsgrade ε verschiedener Stoffe

-3.2

Kirchhoffsches Gesetz, Absorptionsgrad

Der Emissionsgrad ε eines Strahlers ist identisch mit seinem Absorptionsgrad a bei gleicher Temperatur. Diese Aussage gilt für den schwarzen und grauen Strahler gleichermaßen. Hinweis: Bei solarer Strahlung (Infrarotanteil nur ca. 44%) ist der Absorptionsgrad a aus Angaben für die Albedo ermittelbar. Er ist stark von der Oberflächenstruktur und der Farbe abhängig: Weißlack a ≈ 0,2; Dachpappe a > 0,9; Beton a ≈ 0,6; Neuschnee a ≈ 0,1; Gras a ≈ 0,9.

1.3.5 Wärmeübertragung

245 DVD

-3.3

Lambertsches Kosinusgesetz · Der Energiestrom in Normalenrichtung E (senkrecht zur Emissionsfläche A) beträgt n

˙ · --- , En = E

π

im Winkel β zur Normalen gilt · · E β = E n cosβ. Dadurch erscheint eine strahlende Kugel als Kreisscheibe mit gleicher Helligkeit.

-3.4

Strahlungsaustausch

-3.4.1 Körper mit Umhüllung Der Wärmestrom, der von Körper 1 an seine Umhüllung 2 (Bild 1.3.5-29) übertragen wird, beträgt Q˙ · Q 1 = C1,2(T14–T24) A1 in W; q· 1 = -----1- = C1,2 (T14–T24) in W/m2 A1 –8

5 ,67 ⋅ 10 - W/(m2K4) C1,2= --------------------------------------1 A 1 ⎛1 ⎞ ----- + ------ ----- – 1 ε1 A2 ⎝ ε2 ⎠

·

Q q· A T C1,2 ε

W W/m2 m2 K W/(m2K4)

Wärmestrom Wärmestromdichte Fläche absolute Temperatur Strahlungskoeffizient Emissionsgrad.

Bild 1.3.5-29. Innen- und Mantelrohr (unendlich lang)

Sonderfälle A1 ≈ A2 (z.B. geringer Abstand zwischen Innenrohr und Mantelrohr) –8

5 ,67 ⋅ 10 C1,2= ------------------------1 1 ----- + ----–1 ε1 ε2

W/(m2K4)

A1 A2 (z.B. Heizrohr in einem großen Raum) C1,2 = 5,67 · 10–8 ε1 W/(m2K4). Parallele, unendlich große Platten A1 = A2 –8

,67 ⋅ 10 - W/(m2K4). C1,2= 5------------------------1 1 ----- + ----- – 1 ε1 ε2

DVD 246

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Beispiel Ein ungedämmtes, mit Aluminiumbronze gestrichenes Heizrohr (da = 0,057 m; t = 90 °C; L = 10 m) ist an der Decke eines Kellerganges (Umfang des Querschnitts U = 8 m; t = 18 °C) verlegt. Wie groß ist der Strahlungswärmeverlust? ε1 = 0,3; ε2 = 0,94 (nach Tafel 1.3.5-12) A1 = daπ L = 0,057 · π · 10 = 1,79 m2; A2 = U L = 8 · 10 = 80 m2 wegen A1  A2: C1,2 = 5,67 · 10–8 · 0,3 = 1,7 · 10–8 W/(m2K4) · Q 1 = 1,7 · 10–8 [(90 + 273)4–(18 + 273)4] 1,79 = 310 W. -3.4.2 Zwei Flächen in beliebiger Lage Stehen zwei endlich große Flächen im Raum gegenüber (Bild 1.3.5-30), so trifft nur ein Teil der emittierten Strahlung die Gegenfläche, der Rest tritt durch die gestrichelt gezeichneten Begrenzungsflächen.

Bild 1.3.5-30. Zwei Oberflächen in beliebiger Lage im Strahlungsaustausch

Der zwischen A1 und A2 übertragene Wärmestrom beträgt näherungsweise C1,2 = ε1 ε2 5,67 · 10–8 W/(m2K4) · Q 1,2 = C1,2 Φ1,2 (T14–T24) A1 in W mit der Einstrahlzahl Φ1,2 (s. Abschn. 1.3.5-3.6 s. S. 246). Die Näherung bezieht sich auf die Annahme eines nur bilateralen Strahlungsaustausches zwischen den Flächen 1 und 2, nahe bei Eins liegender Emissionskoeffizienten ε1 und ε2 sowie des Nichtbeachtens des reflektierten Strahlungsanteiles (genauere Rechnung: Abschn. 1.3.5-3.7 s. S. 251).

-3.5

Gasstrahlung

Elementare Gase wie O2, N2, H2, trockene Luft und Edelgase sind diatherm, d.h. für die Wärmestrahlung durchlässig. Andere Gase und Dämpfe wie H2O, CO, CO2, SO2, NH3 absorbieren und emittieren in bestimmten Wellenlängenbereichen die Strahlung mit unterschiedlicher Intensität (selektive Strahler). Die Beladung mit Staub- oder Rußteilchen (entstehen zwischenzeitlich bei der Verbrennung aus der Gasphase der Kohlenwasserstoffe; gelbes Leuchten) verstärkt die Strahlung der Gase beträchtlich.

-3.6

Einstrahlzahl

Die Einstrahlzahl ist eine dimensionslose, geometrisch ableitbare Größe, die angibt, welcher Anteil der von einer Fläche emittierten Strahlung die jeweils betrachtete Gegenfläche trifft. Mitunter wird die Einstrahlzahl auch Formfaktor genannt. Nach Bild 1.3.5-31 strahlt ein Flächenteilchen dAi in den darüberliegenden Halbraum (Gesamtstrahlung), wobei nur die innerhalb des Strahlungskegels emittierte Strahlung die Fläche Aj trifft (Teilstrahlung). Das Verhältnis dieser Teilstrahlung zur Gesamtstrahlung wird als Einstrahlzahl ϕi,j des Flächenteilchens i auf die Fläche j bezeichnet. Die Rei-

1.3.5 Wärmeübertragung

247 DVD

henfolge der Indizes kennzeichnet den betrachteten Strahlengang. Es ist zweckmäßig, bezogen auf die emittierenden Flächen, folgende Einstrahlzahlen zu unterscheiden: – von Flächenelementen auf Flächen ϕi,j (Bild 1.3.5-31) – von Flächen auf Flächen Φi,j (Es handelt sich hierbei um einen Mittelwert von ϕi,j, gebildet über die Fläche i.) – von Kugelelementen auf Flächen ϕ°i,j.

Bild 1.3.5-31. Geometrische Veranschaulichung der Einstrahlzahl ϕi.j; Flächenelement i – Fläche j

Bei konkav gekrümmten Flächen oder bei geknickten Flächen mit einem Winkel < 180° tritt eine Eigenbestrahlung auf. Somit existieren auch Einstrahlzahlen Φi,i usw. Berechnungsgleichungen für einfache Fälle nach Bild 1.3.5-32, weitere nach Spezialliteratur1). Die Einstrahlzahlen wichtiger Anwendungsfälle sind aus Bild 1.3.5-33 bis Bild 1.3.5-36 entnehmbar, eine Zusammenstellung für einen quaderförmigen Raum ist in Tafel 1.3.5-13 gegeben, einfache Umrechnungsgesetze enthält Bild 1.3.5-37. Einstrahlzahlen von Menschen auf Flächen sind von der Stand- oder Sitzpositionen abhängig2). Überschläglich sind die Einstrahlzahlen kugelförmiger Elemente in 1 m Höhe einsetzbar. Für Wärmeaustauschrechnungen der Schädeldecke sind die Einstrahlzahlen horizontaler Flächenelemente zu verwenden.

1)

2)

VDI-Wärmeatlas. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag.Kollmar, A.; Liese, W.: Strahlungsheizung (4. Auflage). München: Oldenbourg 1957.Glück, B.: Ges.-Ing. 2/86, Siehe 98ff. und Strahlungsheizung – Theorie und Praxis. Berlin: Verlag für Bauwesen, Karlsruhe: Verlag C. F. Müller 1981. Siegel, R., Howell, J.R., Lohrengel, J.: Wärmeübertragung durch Strahlung, Teil 2: Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen und Umhüllungen. Berlin/Heidelbergh/New York: Springer-Verlag 1991. Fanger, O. P.: Thermal Comfort – Analysis and Applications in Environmental Engineering. New York: McGraw-Hill Books Co 1973.

DVD 248

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-32. Berechnungsgleichungen für Einstrahlzahlen einfacher Fälle

Tafel 1.3.5-13 Einstrahlzahl Φi,j der Deckenfläche i auf die übrigen Raumflächen j im rechtwinkligen Raum mit der Grundfläche a · b und der Höhe h [nach Kollmar]

1.3.5 Wärmeübertragung

249 DVD

Bild 1.3.5-33. Einstrahlzahl einer Rechteckfläche 1 auf eine dazu gleich große parallel liegende Rechteckfläche 2

Bild 1.3.5-34. Einstrahlzahl einer Rechteckfläche 1 auf eine dazu senkrecht stehende Rechteckfläche 2 gleicher Länge

DVD 250

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-35. Einstrahlzahl eines Flächenelementes 1 auf eine dazu parallel liegende Rechteckfläche 2 (Element 1 unter Mitte A2)

Bild 1.3.5-36. Einstrahlzahl eines kugelförmigen Elementes 1 auf eine Rechteckfläche 2 (Element 1 unter Mitte A2)

1.3.5 Wärmeübertragung

251 DVD

Bild 1.3.5-37. Umrechnungsgesetze für Einstrahlzahlen

-3.7

Strahlungsaustausch zwischen den Oberflächen geschlossener Räume (Bruttomethode)1)

Der von der Fläche i abgegebene Wärmestrom je Flächeneinheit berechnet sich im Falle annähernd gleicher Emissionskoeffizienten aller Umfassungsflächen zu n

·

·

·

q· i = e i – εi ∑ Φ i , j [e j + (1–εj) f mittel ] j=1 n

∑ e˙i A i · i =1 f mittel = ------------------n ∑ εi Ai i=1

q·· W/m2 Wärmestromdichte e W/m2 Gesamtstrahlungsenergie je Flächeneinheit ε Emissionsgrad Φ Einstrahlzahl · 2 f mittel W/m mittlere Flächenhelligkeit 2 A m Fläche. Beispiel Der in Bild 1.3.5-38 dargestellte Büroraum ist mit einer Fußbodenheizung (Fläche 1) ausgestattet. Die Fläche 2 stellt eine Außenwand mit Fensteranteil dar, und Fläche 3 verkörpert die innere Umfassung. Der von Fläche 1 abgegebene spezifische Strahlungswärmestrom ist zu berechnen.

1)

Glück, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren (2. Auflage). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990.

DVD 252

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-38. Raumgeometrie für Beispielrechnung

Emissionsgrade nach Tafel 1.3.5-12: Fläche 1 (Parkett) ε1 = 0,9 Fläche 2 (Glas: ε = 0,87 Tapete: ε = 0,93) ε2 = 0,9 Fläche 3 Tapete: ε3 = 0,93 Einstrahlzahlen: Φ1,1 = 0 nach Bild 1.3.5-34 mit b/h = 1,2 und a/h = 0,6: Φ1,2 = 0,17 nach Bild 1.3.5-37: Φ1,3 = 1–0,17–0 = 0,83 nach Abschn. 1.3.5-3.1 s. S. 244: · e 1 = 5,67 · 10–8 · 0,9 · (27 + 273)4 = 413,3 W/m2 · e 2 = 5,67 · 10–8 · 0,9 · (15 + 273)4 = 351,1 W/m2 · e 3 = 5,67 · 10–8 · 0,93 · (20 + 273)4 = 388,6 W/m2 nach Abschn. 1.3.5-3.7 s. S. 251:

· ,3 ⋅ 30 + 351 ,1 ⋅ 18 + 388 ,6 ⋅ 78------------------------------------------------------------------------------------f mittel = 413 = 423,6 W/m2 0 ,9 ⋅ 30 + 0 ,9 ⋅ 18 + 0 ,93 ⋅ 78 ·

q 1 = 413,3–0,9·{0,17·[351,1 + (1–0,9)·423,6] + 0,83·[388,6 + (1–0,93)·423,6]} · q 1 = 40,7 W/m2.

-3.8

Wärmeübergangskoeffizient beim Strahlungswärmeaustausch

Bei Wärmetransportvorgängen von einer Wand W an ein wärmestrahlungsdurchlässiges Fluid F (z.B. Luft) treten Konvektion und Strahlung parallel auf, da die betrachtete Wand mit anderen Oberflächen der Umgebung U zusätzlich im Strahlungsaustausch steht. Vereinfacht kann der Wärmestrom infolge Strahlung in Form von q· S = αS (tW–tU) dargestellt werden. Für tU ≈ tF folgt der gemeinsame Wärmestrom: q· =q· K + q· S = (αK + αS) (tW–tF). Der Strahlungswärmeübergangskoeffizient berechnet sich zu αS = C b. q· W/m2 Wärmestromdichte αS W/(m2K) Strahlungswärmeübergangskoeffizient 2 αK W/(m K) Konvektionswärmeübergangskoeffizient t °C Temperatur C W/(m2K4) Strahlungskoeffizient 3 b K Temperaturfaktor (Bild 1.3.5-39) T K absolute Temperatur.

1.3.5 Wärmeübertragung

253 DVD

4

4

T –T t1 – t2

1 2 Bild 1.3.5-39. Temperaturfaktor b = ----------------

in K3

Der Strahlungskoeffizient ist von der Lage der im Strahlungsaustausch stehenden Oberflächen abhängig (Abschn. 1.3.5-3.4 s. S. 245). Unterscheidet sich tU von tF und soll dennoch die Gleichung q· = (αK + αS) (tW–tF) angewendet werden, so gilt as = Cb mit dem Temperaturfaktor: 4

4

TW – TU b = -------------------. tW – tF

-3.9

Strahlungstemperatur der Umgebung

Die Strahlungstemperatur der Umgebung tU faßt die unterschiedlichen Oberflächentemperaturen der mit einem Flächenelement oder einer Fläche im Strahlungsaustausch stehenden Umgebung so zusammen, dass die gesamte Umgebung (Summe der Einstrahlzahlen gleich Eins) als eine einheitliche Hüllfläche der Temperatur tU aufgefaßt werden kann. Die exakte Ableitung gründet sich jedoch auf die Flächenhelligkeiten1). Vereinfacht gilt für die Strahlungstemperatur der Umgebung bezogen auf: Flächenelement i n

tU = ⎛⎝ ∑ ϕ i , j T j4⎞⎠

0 ,25

– 273 in °C

j=1

Fläche i n

tU = ⎛⎝ ∑ Φ i , j T j4⎞⎠

0 ,25

– 273 in °C

j=1

Kugelelement i n

4 tU = ⎛⎝ ∑ ϕ io, j T j ⎞⎠

0 ,25

– 273 in °C.

j=1

1)

Glück, B.: Ges.-Ing. 6/97 Siehe 305ff.

DVD 254

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

In erster Näherung kann die mittlere Strahlungstemperatur aus den mit den Flächen gewichteten Oberflächentemperaturen aller Raumumfassungen bestimmt werden: A1 t1 + A2 t2 + … + An tn -. tU ≈ ---------------------------------------------------------A1 + A2 + … + An

Beispiel In der Mitte des im Bild 1.3.5-38 gezeigten Raumes befindet sich ein Mensch. Wie groß ist die Strahlungstemperatur, die er empfindet? Als Ersatzmodell wird ein kugelförmiges Element in 1 m Höhe verwendet: 3 ⋅ 2 ,5 1ϕ°M,1 = 4 ----arctan ----------------------------------= 0,343 (nach Bild 1.3.5-32 oder Bild 1.3.5-36) 4π 2 2 3 + 2 ,5 + 1 1 1 0 , 8 ⋅ 1 ,2 0 , 4 ⋅ 1 ,2 - arctan ----------------------------------------- + 2 ------- arctan ----------------------------------------- = 0,126 ϕ°M,2 = 2 -----4π 4π 2 2 2 2 0 ,8 + 1 ,2 + 1 0 ,4 + 1 ,2 + 1

(nach Bild 1.3.5-32)

ϕ°M,3 = 1– 0,343 – 0,126 = 0,531 (nach Bild 1.3.5-37) tU = [0,343 (27 + 273)4 + 0,126 (15 + 273)4 + 0,531 (20 + 273)4]0,25– 273 = 21,9 °C oder vereinfacht: 30 ⋅ 27 + 18 ⋅ 15 + 78 ⋅ 20 - = 21,0 °C. tU = ------------------------------------------------------------30 + 18 + 78

-4

Gesamtwärmeübergangskoeffizienten (Basiskennlinien) für thermisch aktive Raumumfassungen Neu von Prof. Dr.-Ing. habil Bernd Glück, Jößnitz

Bei möglichst genauen thermisch-energetischen Raumsimulationen1) berechnet man die raumseitigen Oberflächentemperaturen und bestimmt daraus den konvektiven Wärmestrom mit dem Wärmeübergangskoeffizienten αK an die Luft (Abschnitte 1.3.5-2.4 und -2.5) sowie der Lufttemperatur tL in Oberflächennähe und gemäß der Bruttomethode den Strahlungswärmeaustausch mit allen anderen Umgebungsflächen der Temperatur tj (Abschnitt 1.3.5-3.7). In vielen praktischen Fällen ist das thermisch aktive Bauteil (Fußbodenheizfläche, Kühldecke usw.) aber losgelöst von einer Raumgeometrie leistungsmäßig zu beurteilen bzw. wärmetechnisch zu optimieren. Ein Beispiel hierfür ist die Leistungsermittlung von Fußbodenheizungen nach DIN EN 1264-2. Grundlage bildet die sogenannte Basiskennlinie q· = 8,92 ⏐t – tR⏐1,1 in W/m2, woraus α∗ = 8,92 ⏐t – tR⏐0,1 in W/(m2K) mit t Oberflächentemperatur des Bauteils und tR operative Raumtemperatur folgt. In der komplexen Größe α∗ ist die Konvektion als Mischkonvektion (Überlagerung der freien sowie erzwungenen Konvektion) und die Strahlung jeweils mit Bezug auf die Raumtemperatur enthalten. Vorausgesetzt werden Räume mit üblicher Geschosshöhe und Nutzung. Aus einer allgemeingültigen Ableitung2) resultieren die nachfolgenden Gesamtwärmeübergangskoeffizienten gemäß Basiskennlinie q· = α∗⏐t – tR⏐für thermisch aktive Raumumfassungen unterschiedlicher Lage (grafische Darstellung im Bild 1.3.5-40): Horizontale Bauteile mit Wärmestrom nach oben – Fußbodenheizung α∗FBH = 2,60 ⏐t – tR⏐0,31 + 6,12 in W/(m2K) oder nach DIN EN 1264 α∗DIN_FBH = 8,92 ⏐t – tR⏐0,1 in W/(m2K) 1)

2)

Glück, B.: Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung. Bericht der RUD. OTTO MEYER – Umwelt – Stiftung, Hamburg 2004 bis 2006. http://www.rom-umwelt-stiftung.de/arbbisher/pdf/Glueck_Kurzbericht01.pdf Glück, B.: Ges.-Ing. 1/2007. Siehe 1ff.

1.3.5 Wärmeübertragung

255 DVD

– Deckenkühlung α∗DK = 2,76⏐t – tR⏐0,31 + 6,12 in W/(m2K) oder in Analogie zu DIN EN 1264 in W/(m2K) α∗DIN_FBH = 8,92 ⏐t – tR⏐0,1 Horizontale Bauteile mit Wärmestrom nach unten – Deckenheizung α∗DK = 0,18 ⏐t – tR⏐0,31 + 6,12 in W/(m2K) – Fußbodenkühlung α∗FBK = 0,25 ⏐t – tR⏐0,31 + 6,12 in W/(m2K) Vertikale Bauteile – Wandheizung oder Wandkühlung der Innenwand α∗IW = 1,6⏐t – tR⏐0,3 + 6,12 in W/(m2K) – Wandheizung oder Wandkühlung der Außenwand α∗AW = 1,6 ⏐t – tR⏐0,3 + 5,1 in W/(m2K).

Bild 1.3.5-40 Gesamtwärmeübergangskoeffizienten für thermisch aktive Raumumfassungen

-5

Wärmedurchgang

-5.1

Grundgleichungen

Fließt zwischen dem Fluid (i) und dem Fluid (a), die durch eine feste Wand getrennt sind, auf Grund eines Temperaturunterschiedes ein Wärmestrom, so spricht man von Wärmedurchgang: ebene · Wand Q = k A Δt in W bzw. auf die Fläche bezogen q· =

·

Q q· k A

·

Q = k Δt A W W/m2 W/(m2K) m2

in W/m2 Wärmestrom Wärmestromdichte Wärmedurchgangskoeffizient Fläche

DVD 256

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

t °C Temperatur Δt K Temperaturdifferenz Δt = ti – ta zylindrische Wand (Rohr) · Q = kR L Δt in W bzw. auf die Länge bezogen

·

q· *=

Q = kR Δt L

L kR q· *

m W/(mK) W/m

-5.2

in W/m Zylinder-(Rohr-)länge Wärmedurchgangskoeffizient eines Rohres Wärmestrom pro 1 m Länge.

Wärmedurchgangskoeffizient

In die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten gehen die inneren und äuße-ren Wärmeübergangskoeffizienten ein. Sind die Fluide strahlungsdurchlässig – z.B.Luft –, so ist α = αK + αS einzusetzen; sind sie nicht strahlungsdurchlässig – z.B. Wasser –, so gilt α = αK. Gesamtwärmeübergang (Konvektion und Strahlung) für passive Gebäudeflächen

Wärmeübergangs Wärmeübergangswiderstand R koeffizient α

Außenflächen von Gebäuden

0,04 m2K/W

25 W/(m2K)

Wände

0,13 m2K/W

7,7 W/(m2K)

Fußböden, Decken Wärmestrom nach oben

0,13 m2K/W

7,7 W/(m2K)

Wärmestrom nach unten

2

0,17 m K/W

5,9 W/(m2K)

Wärmeübergangskoeffizienten für thermisch aktive Raumumfassungen nach Abschn. 3.2.3 s. S. 1250. Für ebene Wände gilt (s. Bild 1.3.5-41): k=

1 1 ----------------------------------------------= ----------------------------------------------= --1n n R s---⎞ 1 1 1 1 ⎛ ----- + ∑ + ---------- + ∑ R λ, k + -----α i k = 1 ⎝ λ⎠ k α a αi k = 1 αa

Wandtemperaturen: ˙ 1 Q - = ti – q· ---t1 = ti – ----------αi · αi A ˙ Q - = ta + q· tn+1 = ta + -----------· αa A αi αa s λ Rλ R

W/(m2K) W/(m2K) m W/(mK) m2K/W m2K/W

in °C 1----αa

in °C

innerer Wärmeübergangskoeffizient äußerer Wärmeübergangskoeffizient Schichtdicke Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitwiderstand Wärmedurchgangswiderstand

in W/(m2K)

1.3.5 Wärmeübertragung

257 DVD

Bild 1.3.5-41. Temperaturverlauf durch eine mehrschichtige, ebene Wand

Schichtgrenztemperaturen nach Abschn. 1.3.5-1.1 s. S. 214; Beispiel im Abschn. 1.3.5-6 s. S. 265. Für zylindrische Rohre gilt (s. Bild 1.3.5-42) bezogen auf L = 1 m Länge: kR =

π ---------------------------------------------------------------------------------------n d k + 1⎞ 1 1 1-+ ⎛ ---------ln ----------- + -------------------------∑ dk ⎠ aa dn + 1 αi d1 k = 1 ⎝ 2 λk

in W/(mK).

Wandtemperaturen: Q˙ t1 = ti – ---------ai A1

in °C

Q˙ tn+1 = ta + ------------------αa An + 1

in °C

d m Durchmesser A1 = d 1 π L in m2 An + 1 = dn+1 π L in m2 · Q = kR L Δt in W

Schichtgrenztemperaturen nach Abschn. 1.3.5-1.2 s. S. 215.

Bild 1.3.5-42. Temperaturverlauf durch eine mehrschalige Zylinderwand

DVD 258

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Luftschichten zwischen Bauteilen In einer zwischen zwei festen Begrenzungen eingeschlossenen Luftschicht erfolgt der Wärmedurchgang durch Leitung, Konvektion und Strahlung. Detaillierte Darstellungen fassen Leitung und Konvektion mit Hilfe von Nußeltgleichungen zusammen (VDI-Wärmeatlas) und berechnen die Strahlung zusätzlich. Anhaltswerte für Wärmeleitwiderstände abgeschlossener Luftschichten bei nicht blanken Metalloberflächen: Dicke der Schicht mm

Rλ m2K/W

Luftschicht senkrecht

10 20 50 100 150

0,14 0,16 0,18 0,17 0,16

Luftschicht waagerecht Wärmestrom nach oben

10 20 >50

0,14 0,15 0,16

Luftschicht waagerecht Wärmestrom nach unten

10 20 >50

0,15 0,18 0,21

Äquivalente Wärmeleitwiderstände Rλ für Luftschichten

-5.3

Mittlere Temperaturdifferenz

In der Regel sind die Fluidtemperaturen längs der Trennwand (Heiz- oder Kühlfläche) nicht konstant. Die mittlere Temperaturdifferenz (Δtm = ti–ta) ist von der Führung der Fluide abhängig (Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom; Bild 1.3.5-43). Für die Berechnung gilt einheitlich mit den Bezeichnungen nach Bild 1.3.5-43: arithmetisches Mittel (anwendbar: ΔtA/Δt0 ≥ 0,7) Δ t0 + Δ tA - in K Δtarith = ----------------------2

t ′ HF + t ″ HF Sonderfall: Δtarith = --------------------------- – t KF 2

logarithmisches Mittel (empfohlener Wert!) Δ t0 –Δ tA Δtlog = ------------------Δt ln -------0Δ tA

in K

t ′ HF – t ″ HF - . Sonderfall: Δtlog = ----------------------------t ′ HF – t KF ln -----------------------t ″ HF – t KF

Beispiel Wie groß ist die mittlere Temperaturdifferenz, wenn am Heizflächeneintritt Δt0 = 31 K und am Heizflächenaustritt ΔtA = 7 K vorliegen? –7 --------------- = 16,1 K. Δtlog = 31 31 ln -----7

1.3.5 Wärmeübertragung

259 DVD

Bild 1.3.5-43. Verläufe der Fluidtemperaturen in Abhängigkeit der Strömungsart

-5.4

Wärmeübertrager

Sie werden vielfältig eingesetzt, z.B. als Kühler, Lufterhitzer, Wasser/Wasser-Gegenstromapparat, wobei zwischen zwei Masseströmen (Fluiden) – getrennt durch eine feste Wand – eine Wärmeübertragung erfolgt. Bezeichnungen nach Bild 1.3.5-43: t′HF °C Eintrittstemperatur Heiz-Fluidstrom t″HF °C Austrittstemperatur Heiz-Fluidstrom t′KF °C Eintrittstemperatur Kühl-Fluidstrom t″KF °C Austrittstemperatur Kühl-Fluidstrom Temperaturdifferenz am Wärmeübertragereintritt Δt0 K Δt K Temperaturdifferenz am Wärmeübertrageraustritt A · · · c C· HF W/K Wärmekapazitätsstrom des Heiz-Fluidstroms C· HF = m · HF HF C KF W/K Wärmekapazitätsstrom des Kühl-Fluidstroms C KF = mKFcKF · m kg/s Massestrom des Wärmeträgers (Fluids) c J/(kgK) Wärmekapazität des Wärmeträgers (Fluids). Berechnung (Austrittstemperaturen, Heizflächengröße u.a.m.) und Bewertung der Wärmeübertragung erfolgt mit Hilfe der Betriebscharakteristik Φ (Bild 1.3.5-44 bis Bild 1.3.5-46): Gleich- und Gegenstrom Kreuzstrom t ′ HF – t ″ HF Φ = -------------------------t ′ HF – t ′ KF

t″HF,m °C

t ′ HF – t ″ HF , m Φ = ------------------------------t ′ HF – t ′ KF

mittlere Austrittstemperatur.

DVD 260

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.5-44. Betriebscharakteristik eines Gleichstrom-Wärmeübertragers

Bild 1.3.5-45. Betriebscharakteristik eines Gegenstrom-Wärmeübertragers

1.3.5 Wärmeübertragung

261 DVD

Bild 1.3.5-46. Betriebscharakteristik eines Kreuzstrom-Wärmeübertragers (beidseitig quervermischt)

Weitere Berechnungsgleichungen (vgl. auch Bild 1.3.5-43): · · · Q = C HF ΔtHF = C KF ΔtKF = k A Δtlog in W · · ΔtHF = Φ(t′HF – t′KF); C HF/C KF = ΔtKF/ΔtHF ΦΔtlog= --------(t′HF–t′KF) kA--------˙ HF C

k W/(m2K) Wärmedurchgangskoeffizient A m2 Heizfläche. Bei gleichem kA ist bei Gegenstrom die Wärmeübertragung am größten, bei Gleichstrom am kleinsten, bei Kreuzstrom dazwischenliegend. Wenn ein Fluid bei der Wärmeübertragung kondensiert oder verdampft, gibt es keine Abhängigkeit von der Strömungsart(Φ-Werte sind gleich). Beispiel · Ein Gegenstrom-Wärmeübertrager wird mit einem Warmwasserstrom m KF = 1 kg/s · und einem Heißwasserstrom m HF = 0,5 kg/s beaufschlagt. Die Eintrittstemperaturen betragen: t′KF = 70 °C; t′HF = 140 °C. Welcher Wärmestrom kann übertragen werden, wenn für das Produkt kA = 2 150 W/K gilt? · · · · C KF = · 4200 · 1 = 4200 W/K; C HF = 4200 · 0,5 = 2100 W/K; C HF/C KF = 0,5 k A/C HF = 2150/2100 = 1,02; aus Bild 1.3.5-45: Φ = 0,57 weiter folgt: · ΔtHF = 0,57 (140 – 70) = 39,9 K; Q = 2100 · 39,9 = 83790 W oder

· ,57 (140 – 70) = 39,1 K; Q = 2150 · 39,1 = 84065 W. Δtlog = 0---------1 ,02

DVD 262

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-5.5

Wärmeabgabe von Rohren1)

Die Berechnung erfolgt nach den Abschnitten 1.3.5-5.1 s. S. 255 und 1.3.5-5.2 s. S. 256 auf Grundlage von 1.3.5-2.4 s. S. 236 und 1.3.5-3.8 s. S. 252. Spezifische Werte q· * pro 1 m Rohrlänge für nackte, senkrechte und waagerechte Rohre nach Bild 1.3.5-47. · Q = q· * L in W L m Rohrlänge.

Bild 1.3.5-47. Wärmeabgabe nackter Rohre in Räumen

1)

Glück, B.; Nebeck, A.: Arbeitsmappe Heizung der Fa. ROM, Hamburg 1992.Rechenprogramme, in: Glück, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren (2. Auflage). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990.

1.3.5 Wärmeübertragung

263 DVD

Beispiel Ein Heizungsrohr DN 40 (weiß gestrichen) ist auf einer Länge von 2,5 m senkrecht in einem Raum (tL = 20 °C) verlegt. Wie groß ist die Wärmeabgabe bei einer Rohrwandtemperatur tR = 90 °C? q· * = 140 W/m (nach Bild 1.3.5-47; Δt = 90 – 20 = 70 K) · Q = 140 · 2,5 = 350 W. Spezifische Werte q· ** pro 1 m Rohrlänge und 1 K Temperaturdifferenz für gedämmte Rohre in Räumen und im Freien Tafel 1.3.5-14.

Tafel 1.3.5-14 Spezifische Wärmeabgabe q· ** in W/(mK) gedämmter Rohrleitungen

DVD 264 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.5 Wärmeübertragung

265 DVD

·

Q = q· ** L Δt in W. Äußere Oberflächentemperatur tO in Räumen Δt tO = tL + 0,0328 q· ** ---------------d a + 2s

in °C

im Freien Δt tO=tL + 0,0138 q· ** ---------------d a + 2s

in °C

L m Rohrlänge Δt K Temperaturdifferenz (tRohr – tL) da m Rohraußendurchmesser s m Dämmschichtdicke tL °C Raum- bzw. Außentemperatur. Beispiel Ein gedämmtes Stahlrohr DN 50 (da = 60,3 mm; λ = 0,05 W/(mK); s = 50 mm; L = 5 m) ist im Keller eines Hauses (tL = 10 °C) verlegt und wird von Wasser (tF = 90 °C) durchflossen. Wie groß sind Wärmeverlust und Oberflächentemperatur? (Tafel 1.3.5-14) q· ** = 0,301 W/(mK) · Q = 0,301 · 5 · (90 – 10) = 120,4 W 90 – 10 tO = 10 + 0,0328 · 0,301 -------------------------------------------= 15 °C. 0 ,0603 + 2 ⋅ 0 ,050

-6

Wasserdampf-Diffusion1)

Wasserdampfdiffusion ist der molekulare Transport von Wasserdampf in einer Schicht infolge von Dampfdruckdifferenzen. Im Bauwesen ist die Diffusion von Wasserdampf durch Wände und Decken von erheblicher Bedeutung. Je nach Luftfeuchte können große Wassermengen durch Wände hindurchwandern und unter Umständen zur Kondensation innerhalb der Wände führen. Dabei wird der Wärmeleitkoeffizient stark vergrößert; Heizung evtl. nicht ausreichend, Schimmelbildung und andere Schäden.

1)

Glaser, H.: Ges.-Ing. 2/86, Siehe 85ff.DIN V 4108-4:2002-02, DIN EN ISO 13788:2001-11.

DVD 266

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.5-15 Diffusionswiderstandskoeffizienten λ für verschiedene Stoffe λ ist das Verhältnis der Wasserdampfdiffusion eines Stoffes zu derjenigen in Luft. Für Luft ist λ = 1. (Für Nachweisrechnungen sind anzuwenden: Wärmeund feuchteschutztechnische Bemessungswerte nach DIN V 41084:2002-02 und DIN EN 12524:2000-07)

Gleichung für Diffusionsstromdichte (analog Wärmedurchgang): pi – pa i = --------------1⁄Δ

in kg/(m2h)

Durchlasswiderstand für n Baustoffschichten 1/Δ = 1,5 · 106 (µ1 s1 + µ2 s2 + ... + µn sn) in m2h Pa/kg pi Pa Wasserdampfteildruck innen pa Pa Wasserdampfteildruck außen 1/Δ m2hPa/kg Diffusionsdurchlasswiderstand µ Wasserdampf-Diffusionswiderstandskoeffizienten (Tafel 1.3.5-15) s m Bauteildicke.

(*)

(**)

1.3.5 Wärmeübertragung

267 DVD

Der Faktor RDT/D ≈ 1,5 · 106 Pa m h/kg stellt den Diffusionswiderstand einer 1 m dicken Luftschicht gegenüber Wasserdampf dar. Die diffusionsäquivalente Luftschichtdicke sd einer Baustoffschicht folgt aus µs. Beispiel Eine Ziegelwand (36 cm) mit Innenputz (2 cm) und äußerem Wärmedämmputz (4 cm) trennt Innenluft (ti = 20 °C; ϕi = 50%) von Außenluft (ta = –10 °C; ϕa = 80%). Wieviel Wasserdampf diffundiert durch diese Außenwand? Aus Tafel 1.3.4-1 folgen die Sättigungsdrücke für die Innentemperatur von 20 °C von 2337 hPa und für die Außentemperatur von –10 °C von 2,59 hPa. Daraus berechnen sich mit Kenntnis der relativen Feuchte die Partialdrücke des Wasserdampfes in der Luft zu: pi = 2337 · 0,5 Pa = 1169 Pa; pa = 259 · 0,8 Pa = 207 Pa. Der Durchlasswiderstand für die Wand berechnet sich nach Gl. (**) mit den Mittelwerten aus Tafel 1.3.5-15 (Putz λ = 20; Mauerwerk λ = 8; Dämmputz λ = 10) zu: 1/Δ = 1,5 · 106 (20 · 0,02 + 8 · 0,36 + 10 · 0,04) m2h Pa/kg = 5,52 · 106 m2h Pa/kg. Die Diffusionsstromdichte nach Gl. (*) beträgt: – 207 --------------------------- kg/(m2h) = 1,74 · 10–4 kg/(m2h) = 0,174 g/(m2h). i = 1169 5520000

Der Temperaturverlauf in der Wand berechnet sich nach Abschn. 1.3.5-5.2 s. S. 256 in nachfolgenden Schritten. – Wärmedurchgangskoeffizient mit den Wärmeübergangswiderständen 1/αi = 0,13 m2K/W und 1/αa = 0,04 m2K/W sowie mit den Wärmeleitfähigkeiten (z.B. Tafel 1.3.5-3) für Innenputz 0,87 W/(m K), Mauerwerk 0,68 W/(m K) und Dämmputz 0,2 W/(m K) 1 1 - = -------------------------------------------------------------------------------k = ----------------------------------------- W/(m2K) n s 0---------,02 + 0---------,36 + 0---------,04 + 0 ,04 1 1 k 0 , 13 + ----- + ∑ ----- + -----0 ,87 0 ,68 0 ,20 αi k = 1 λk αa

= 1,08 W/(m2K) – Wärmestromdichte q· = k (ti – ta) = 1,08 · (20–(–10)) W/m2 = 32,4 W/m2 – Wandtemperatur innen (vgl. Abschn. 1.3.5-5.2 s. S. 256 und Bild 1.3.5-41) 1 - = 20 °C – 32,4 · 0,13 K = 15,8 °C t1 = ti – q· ---αi

– Wandtemperatur außen (vgl. Abschn. 1.3.5-5.2 s. S. 256 und Bild 1.3.5-41) 1 t4 = ta + q· ----= –10 °C + 32,4 · 0,04 K = – 8,7 °C αa

– Schichtgrenztemperaturen (vgl. Abschn. 1.3.5-1.1 s. S. 214 und Bild 1.3.5-2) zwischen Innenputz und Mauerwerk s ,02 t2 = t1 + q· ----1- = 15,8 °C – 32,4 · 0---------K = 15,1 °C λ1 0 ,87

zwischen Mauerwerk und Außenputz s ,36 t3 = t2 + q· ----2- = 15,1 °C – 32,4 · 0---------K = – 2,1 °C λ2 0 ,68

Zu den einzelnen Wandtemperaturen ergeben sich nach Tafel 1.3.4-1 die Sättigungsdrücke: t1 = 15,8 °C ⇒ pS,1 = 1794 Pa t2 = 15,1 °C ⇒ pS,2 = 1715 Pa t3 = –2,1 °C ⇒ pS,3 = 513 Pa t4 = –8,7 °C ⇒ pS,4 = 291 Pa.

DVD 268

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Die Temperaturen und die Sättigungsdrücke – ergänzt um weitere Werte innerhalb des Mauerwerks – sind im Bild 1.3.5-48 zur Abszisse sd = Σ µs dargestellt. Außerdem ist der Partialdruckverlauf des Wasserdampfes im Bauteil eingetragen. Das Beispiel zeigt, dass keine Kondensation im Bauteil auftritt, da pS > p an jeder Stelle gilt. Um Kondensation im Baukörper zu vermeiden, ist stets die Bauregel Wärmedämmung außen, Dampfsperre innen einzuhalten. Hätte im Bild 1.3.5-48 die Gerade von pi nach pa die Sättigungskurve geschnitten, so zeigte dies Kondensation an. Zur rechnerischen Ermittlung sind dann anstelle der Geraden pi pa die Tangenten von pi und pa ausgehend an die Sättigungskurve zu legen, da pS nicht überschritten werden kann (Bild 1.3.5-49). Wasserdampfströme in und aus dem Bauteil: p i – p SW p SW – p a ii = ------------------; i a = -------------------. 1 ⁄ Δi 1 ⁄ Δa

Die Differenz, summiert über die gesamte Tauperiode, gibt die Tauwassermenge im Bauteil während des Winterbereiches an. Im weiteren ist zu prüfen, ob diese Tauwassermenge im Sommer durch Verdunstung wieder ausgeschieden wird. Die Berechnung erfolgt an Hand der meteorologischen Daten (Tauwasserperiode, Verdunstungsperiode). Trocknet das Bauteil im Sommer wieder völlig aus, so treten in der Regel keine bleibenden Schäden auf (Bewertung nach DIN EN ISO 13788).

Bild 1.3.5-48. Diffusionsdiagramm (Glaserdiagramm) einer Ziegelwand mit innerem Kalkputz und äußerem Wärmedämmputz (Temperaturen und Wasserdampfpartialdrücke gemäß Beispiel)

Bild 1.3.5-49. Wasserdampfdiffusion mit Tauwasserausfall im BauteilDie Neigungen der Tangenten sind maßgebend für den Diffusionsstrom in das Bauteil und aus dem Bauteil

Das Glaser-Dampfdiffusions-Modell vernachlässigt die kapillare Saugfähigkeit und die Hygroskopizität der Baustoffe. Zur Behebung dieser Nachteile gibt es umfangreiche Ergänzungen, Normungsvorschläge und Simulationsprogramme1)2)3).

1) 2) 3)

Häupl, P.; Fechner, H.; Petzold, H.: Ges-Ing. 6/2001, Siehe 285ff. Häupl, P.; Plagge, R.; Fechner, H.: Ges-Ing. 6/2001, Siehe 305ff. Funk, M.; Grunewald, J.: Ges-Ing. 6/2001, Siehe 297ff.

1.3.6 Brennstoffe

269 DVD

Wasserdampfabsorption Bei Verdampfen von Wasser in Räumen, z.B. Kochküchen, Waschräumen u.a., steigt die Luftfeuchte um so langsamer, je größer die Wasserdampf-Absorptionsfähigkeit der Raumumfassungen ist. Kapillare Oberflächen, z.B. Kalkzementputz, sind stark absorptionsfähig; dichte Oberflächen, z.B. Ölfarbanstrich, absorbieren praktisch nicht (Bild 1.3.5-50). Kapillare Wasseraufnahme von Baustoffen bei unmittelbarem Kontakt mit flüssigem Wasser nach 1).

Bild 1.3.5-50. Zeitabhängige Feuchteaufnahme von Putzen aus der Raumluft bei plötzlicher Feuchtesteigerung von 40 auf 80%

1.3.6 -1

Brennstoffe Feste Brennstoffe

Hauptbestandteile aller festen Brennstoffe sind Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, geringe Mengen an Schwefel und Stickstoff sowie Wasser und Asche. Der Gehalt an Kohlenstoff nimmt mit dem geologischen Alter der Brennstoffe zu, der Gehalt an Sauerstoff ab. Den größten Gehalt an Kohlenstoff hat Anthrazit (Bild 1.3.6-1). Asche nennt man die beigemengten, nichtbrennbaren mineralischen Bestandteile wie Steine, Tone, Schiefer usw. Hauptbestandteile der Asche sind Kieselsäure SiO2, Aluminiumoxyd Al2O3, Calziumoxyd CaO und Eisenoxyd Fe2O3.

Bild 1.3.6-1. Zusammensetzung fester Brennstoffe, bezogen auf Reinkohle (asche- und wasserfrei). 1)

Schwarz, B.: Ges.-Ing. 7/72, Siehe 206ff.

DVD 270

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Schwefel ist teils als organische Verbindung, teils als Mineral (Sulfite und Sulfate) in der Kohle vorhanden, etwa 0,5…1,5%. Flüchtige Bestandteile sind diejenigen gasförmigen Produkte (Dämpfe, Teere, Gase), die bei der Erhitzung unter Luftabschluss (Verkokung) entweichen. Der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen nimmt mit dem geologischen Alter der Brennstoffe ab (Bild 1.3.6-1). Wassergehalt: Beim Wassergehalt unterscheidet man die grobe, mechanisch beigemengte oder anhaftende Feuchtigkeit und die hygroskopische Feuchtigkeit, die auch am lufttrockenen Brennstoff immer vorhanden ist und nur durch Erwärmung über 100° entfernt werden kann. Bei allen Analysen sind folgende Bezugsmöglichkeiten zu beachten: Rohsubstanz roh wasserfreie Substanz wf wasser- und aschefreie Substanz waf Man unterscheidet nach der Art der Gewinnung: Natürliche Brennstoffe: Steinkohle, Braunkohle, Torf, Holz, Stroh. Entstehung von Kohle und Torf durch Umbildung und Zersetzung von untergegangenen Pflanzen älterer Erdperioden bei hohem Druck unter Abschluss von der Luft. Steinkohlen sind die geologisch ältesten natürlichen Brennstoffe. Sie werden praktischauf der ganzen Erde in verschiedenen Tiefen gefunden, in Deutschland hauptsächlich im Ruhr-, Aachener und Saargebiet. Die verschiedenen Sorten unterscheiden sich hauptsächlich durch ihren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen. Man unterscheidet gasreiche Kohlen mit Gasgehalten > 30% und gasarme Kohlen mit Gasgehalten < 30%. Gasreiche Kohlen entzünden sich leichter und verbrennen schneller als gasarme Kohlen. Aufbereitung: Nach der Art der Aufbereitung unterscheidet man folgende Kohlensorten: Förderkohlen, nicht aufbereitet, enthält alle Größen einschl. Staub; Stückkohlen, nur große Stücke über 80 mm; Nußkohlen I bis V, in verschiedenen Größen von 6…80 mm; Feinkohlen, in Korngrößen von 0…10 mm; Staubkohlen, in Korngrößen von 0…3 mm. Die Bezeichnungen bezüglich der Größe sind jedoch in den einzelnen Fördergebieten nicht einheitlich. Gewichte, Zusammensetzung und Heizwert s. Tafel 1.3.6-1. Im „Internationalen Klassifikations-System“ nach DIN 23003:1976-04, zurückgezogen 04.90) wurde jede Kohlenart durch eine dreiziffrige Code-Nummer gekennzeichnet. Die erste Ziffer bezieht sich auf den Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, die zweite auf das Backvermögen, die dritte auf das Kokungsvermögen. Beispiel: Steinkohlenart 712 bedeutet Klasse 7 mehr als 33% flüchtige Bestandteile, Gruppe 1 Blähgrad von 1 bis 2, Untergruppe 2 schwach kokend. Braunkohlen sind wesentlich jünger als Steinkohlen, zum Teil noch mit holzartigen Einschlüssen. Wassergehalt 45…60%. Gewinnung meist im Tagebau, in Deutschland hauptsächlich im Rheinland und in Sachsen. Einsatz der Braunkohlen in erster Linie in Großfeuerungsanlagen, mit abnehmender Bedeutung als Briketts. Torf ist durch Zersetzung von Pflanzen unter Wasser entstanden. Stark wasserhaltig. Gewinnung durch „Stechen“ in Sumpfgebieten. Für Heizzwecke Trocknung erforderlich. Holz als Brennstoff fällt vornehmlich bei der Forstbewirtschaftung und bei Sägewerken an, ferner in der Holzverarbeitung und Holzwerkstoffherstellung. Verwendung in Form von Scheitholz, Häckselgut, Sägemehl, Preßlingen u.a. Der Heizwert von Holz1) ist stark abhängig vom Feuchtegehalt: Hu = 16000…7500 kJ/kg bei 10…100% Feuchte. Frisch geschlagenes Holz hat 70…80% Feuchte, nach 1 Jahr Freiluftlagerung 25…30%. Lufttrockenes Holz hat 15…25% Feuchteanteil. Heizwert von Stroh Hu = 14000…10000 kJ/kg.

1)

Strehle, A., u.a.: SH-Technik 2/85. S. 62ff.Wärmetechnik 11/85. S. 427/30.

1.3.6 Brennstoffe

271 DVD

Veredelte Brennstoffe: Steinkohlenbriketts, Braunkohlenbriketts, Kohlenstaub, Koks, Holzkohle. Gewinnung aus natürlichen Brennstoffen durch mechanische, thermische und chemische Aufbereitung. Die Briketts werden aus zerkleinerten und getrockneten Stein- oder Braunkohlen durch Pressung in Brikettiermaschinen gewonnen: Vollbriketts, Halbbriketts, Würfel-, Semmel-, Salon- und Eierformat. Kohlenstaub wird durch Aufmahlen getrockneter Stein- oder Braunkohle gewonnen. Verwendung des Kohlenstaubs in erster Linie in Großfeuerungsanlagen. Kokse entstehen durch trockene Destillation (Austreibung der gasförmigen Bestandteile bei Erhitzung unter Luftabschluss). Gaskoks wird in Gasanstalten aus Steinkohlen gewonnen (Temp. etwa 1000 °C), Zechenkoks für Hochöfen in den Kokereien der Hütten, Schwelkoks und Grudekoks entstehen bei der Steinkohlen- bzw. Braunkohlenschwelung (Temp. etwa 500 °C).

Tafel 1.3.6-1

Mittlere Zusammensetzung und Eigenschaften fester Brennstoffe

DVD 272 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.6 Brennstoffe

273 DVD

Größenbezeichnung bei Koks: Hochofenkoks I >80 mm Brechkoks I 80/60 mm Brechkoks II 60/40 mm Brechkoks III 40/20 mm Brechkoks IV 20/10 mm Brechkoks V 10/6 mm (Perlkoks)Koksgrus 10,0/6,0 mm Gießereikoks >80 mm Holzkohle entsteht bei der Verkohlung von Holz unter Luftabschluss in Meilern. Tafel 1.3.6-2

Schüttdichte fester Brennstoffe

-2

Flüssige Brennstoffe

-2.1

Einteilung

-2.1.1 Mineralöle Entstehung vor Millionen Jahren in Sedimentgesteinen aus tierischen und pflanzlichen Rückständen bei hohen Temperaturen unter teilweiser Mitwirkung von Bakterien. Förderung durch Ölbohrungen mit langen Bohrgestängen als Rohöl (Naphtha) an vielen Stellen der Erde, insbesondere in den USA, Rußland, Venezuela, Nordafrika, Rumänien, Iran, Irak, Arabien. Kennzeichen: Bohrtürme. Transport durch Ölleitungen oder Tankschiffe zu den Raffinerien. Zusammensetzung: Chemisch ist das Erdöl ein Gemisch vieler verschiedener Kohlenwasserstoffe, z.B. Paraffine, Olefine, Aromate u.a. Aufbereitung durch fraktionierte Destillation (Zerlegung in verschieden hoch siedende Bestandteile) und Raffination in Leicht-, Mittel- und Schweröle, ferner durch Kracken (Aufspaltung größerer KohlenwasserstoffMoleküle in kleinere durch Erhitzen unter Druck, Spaltbenzin) (Tafel 1.3.6-3 sowie Bild 1.3.6-2). Aschegehalt gering, meist < 0,1%, Hauptbestandteil Vanadiumpentoxyd V2O5. Leichtöl ist insbesondere Benzin (Sammelname für leicht-siedende Kohlenwasserstoffe, im Gegensatz zu Benzol (C6H6) kein einheitlicher Stoff), Siedepunkt 50…200 °C, bestehend hauptsächlich aus Paraffin-Kohlenwasserstoffen; Verwendung vorwiegend als Kraftstoff in Motoren.

DVD 274

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Mittelöl ist insbesondere Petroleum (Leuchtöl), Siedepunkt 200 bis 250 °C, und Gasöl (Treiböl, Dieselöl), Siedepunkt 200 bis 350 °C, früher zur Ölgaserzeugung verwendet, jetzt besonders als Dieselkraftstoff. Auch Heizöl EL gehört in diese Gruppe. Schweröl, Siedepunkt > 350 °C, insbesondere Schmieröl, Heizöl für Feuerungen (Kraftwerke) und Treibstoff für Maschinen. Rückstände: Aus den Rückständen der Destillation, Pech, Bitumen, Masut, Asphalt, werden chemische Produkte wie Paraffin, Vaseline u.a. hergestellt. Tafel 1.3.6-3

Zusammensetzung und Heizwerte flüssiger Brennstoffe

Bild 1.3.6-2. Destillation von Erdöl.

-2.1.2

Teeröle

Sie sind die Destillationsprodukte der Teere, während die Teere ihrerseits wiederum bei der Destillation (Verkokung) und Schwelung der Brennstoffe entstehen. Man unterscheidet Hochtemperatur- und Tieftemperaturdestillation (oder auch Schwelung genannt). Weiterverarbeitung der Teere durch Destillation, Kracken und Hydrierung zu Leicht-, Mittel- und Schwerölen, insbesondere Benzin, Dieselölen und Heizölen sowie zu einer großen Anzahl chemischer Produkte. Für Heizung wenig Bedeutung. Rückstand der Destillation ist Pech. -2.1.3

Synthetische Öle

Sie werden aus Stein- und Braunkohlen sowie Erdölrückständen und Teeren hergestellt. Bei weiter steigenden Mineralölpreisen kann die Verflüssigung (und Vergasung) von Kohlen zweifellos große Bedeutung gewinnen. -2.1.4

Sonstige flüssige Brennstoffe

Spiritus (denaturierter Äthylalkohol) wird durch alkoholische Gärung aus Kartoffeln gewonnen, als Zusatzmittel zu Benzin verwendet. Benzol C6H6 wird bei der Entgasung der Steinkohle in den Kokereien und Gasanstalten als Nebenprodukt gewonnen.

1.3.6 Brennstoffe

-2.2

275 DVD

Heizöle1)

Die weitaus meisten Heizöle sind Destillationsprodukte des Erdöls. Mit Rücksicht auf die Verschiedenartigkeit der Ölbrenner sind Heizöle aus Schieferöl, Stein- oder Braunkohlenteeren gesondert zu bezeichnen. Mindestanforderungen an Heizöle s. DIN 51603 (Tafel 1.3.6-4). Für Heizungen hauptsächlich Heizöl EL und für sehr große Anlagen namentlich in der Industrie Heizöl S (schweres Heizöl); Heizöl L und M kaum noch verwendet. Bei der Verbrennung entstehen fast ausschließlich CO2 und H2O.

1)

Heinemann, W., u. C. F. Krienke: Feuerungstechn. 6 u. 7/80.Krienke, C. F.: HLH 7/82. S. 237/42 u. Schornsteinfegerhandwerk 1/84. S. 5. Institut für wirtschaftliche Ölheizung e.V. (IWO), Hamburg.

Mindestanforderungen an Heizöl

1) Hergestellt aus Braunkohlen und Steinkohlen, aber auch aus Mineralölen. 2) Wenn >40 °C, vom Lieferer anzugeben. 3) Kleinster angebbarer Wert unter Berücksichtigung der Präzision des Verfahrens. 4) Heizöl EL mit einem höheren Schwefelgehalt gilt als normgerecht, wenn es nach 3. BlmSchV in der jeweils geltenden Fassung zugelassen ist. 5) z.Z. Entwurf.

Tafel 1.3.6-4

DVD 276 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.6 Brennstoffe

277 DVD

Die Farbe ist je nach Herkunft unterschiedlich. Zur Unterscheidung gegen Dieselöl häufig Einfärbung. In anderen Ländern andere Bezeichnungen üblich, z.B. in USA Fuel Oil No. 2 entspricht etwa Heizöl EL,Fuel Oil No. 6 entspricht etwa Heizöl S. -2.2.1 Heizwert Der Heizwert der Öle beträgt: bei den Mineralölen etwa 40000…43000 kJ/kg ≈ 11,1…11,9 kWh/kg bei den Teerölen etwa 36000…40000 kJ/kg ≈ 10,0…11,1 kWh/kg. Der Heizwert ist desto größer, je größer der Wasserstoffanteil. -2.2.2 Dichte Die Dichte der Heizöle bei 15°C schwankt bei Heizöl EL zwischen 0,83 und 0,86 kg/l bei Heizöl S zwischen 0,90 und 0,98 kg/l bei den Steinkohlen-Teerölen zwischen 0,94 und 1,15 kg/l. Je größer das c/h-Verhältnis, um so größer die Dichte. Bei Preisvergleichen ist darauf zu achten, ob ein Kilopreis oder ein Literpreis gemeint ist. Unterschiede bis 20%. -2.2.3 Viskosität Die kinematische Viskosität (Zähigkeit) mit dem Formelzeichen v ist die für die Verbrennung eines Öles wichtigste Eigenschaft. Unter Viskosität versteht man den Grad der Zähflüssigkeit des Öles. Bei Erwärmung sinkt die Viskosität, bei Abkühlung steigt sie. Gemessen wird sie durch Vergleich der Auslaufzeiten zwischen Öl und Wasser aus einer genormten Düse mittels des Viskosimeters von Engler. Die Viskosität wird immer auf eine bestimmte Temperatur bezogen, bei Leichtöl meist 20 °C, bei Mittelöl und Schweröl 50 °C. Meßverfahren nach DIN 51561:1978-12, zurückgezogen 06.94). Im SI-System wird die kinematische Viskosität in m2/s gemessen. (Früher war die Einheit 1 Engler-Grad.) Im Ausland sind auch andere Maßeinheiten für die Zähigkeit in Gebrauch (s. Tafel 1.3.6-5), insbesondere Sayboldt-Sekunden in den USA (S.U. = SayboldtUniversal) und Redwood-Sekunden in England (RI = Redwood-Sekunden I). Hier wird die Zähigkeit direkt ohne Vergleich mit Wasser durch die Auslaufzeit in Sekunden angegeben. Für einwandfreie Verbrennung in Öldruckbrennern muss das Öl eine Zähigkeit von etwa 10…25 mm2/s besitzen (Zerstäubungsviskosität), bei Drehzerstäubern bis 60 mm2/s. Bei Leichtöl ist dies immer der Fall. Mittelöl und Schweröl dagegen müssen vor der Verbrennung erwärmt werden. Teeröle benötigen meist keine Vorwärmung. Viskosität der wichtigsten Öle s. Bild 1.3.6-3.

DVD 278 Tafel 1.3.6-5

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen Umrechnungstafel für Zähigkeitswerte

Bild 1.3.6-3. Viskosität von Heizölen.

-2.2.4 Verkokungsgrad gibt an, wieviel Rückstände in Form von Koks beim Verschwelen des Öles übrigbleiben. Er wird durch den Conradson-Wert ausgedrückt und nach DIN 51551:1993-04 ermittelt. In den Ölfeuerungen beschreibt der Verkokungsgrad die Neigung des Brennstoffs zum Verkoken der Brennerdüsen. Wichtig ist er jedoch bei Verdampfungsbrennern.

1.3.6 Brennstoffe

279 DVD

-2.2.5 Flammpunkt ist die niedrigste Temperatur, bei der sich in einem geschlossenen Tiegel ein durch Fremdzündung entflammbares Dampf/Luft-Gemisch gebildet hat. Prüfgerät nach AbelPensky. Er spielt verbrennungstechnisch keine Rolle, ist aber für die Feuergefährlichkeit eines Stoffes bestimmend. Nach der Höhe des Flammpunktes werden in der „Verordnung über brennbare Flüssigkeiten“ (VbF) vom 27.2.1980 drei Gefahrenklassen unterschieden. Klasse I mit einem Flammpunkt unter 21 °C, z.B. Benzin,Klasse II mit einem Flammpunkt von 21…55 °C, z.B. Petroleum,Klasse III mit einem Flammpunkt von 55…100 °C. Alle normalen Heizöle fallen in Klasse III, nur Schweröl kann gelegentlich einen Flammpunkt über 100 °C haben und unterliegt dann nicht mehr den geltenden Vorschriften. Zündtemperaturen s. Abschn. 1.3.7-6 s. S. 308. Normale Flammpunkte: Benzin –16…+10 °C Heizöl EL 70…120 °C Petroleum 20… 60 °C Heizöl S 120…140 °C -2.2.6 Brennpunkt ist diejenige Temperatur, bei der das Öl nach der Entzündung dauernd brennt. Er liegt meist 15 bis 25 °C höher als der Flammpunkt. Für die Bewertung der Brenneigenschaften ebenfalls ohne Bedeutung. -2.2.7 Stockpunkt, Pourpoint 1) Ersterer ist diejenige Temperatur, bei der das Öl schwerflüssig wird oder erstarrt. Heute genormt als Pourpoint; dieser ist die niedrigste Temperatur, bei welcher das Öl unter festgelegten Bedingungen nach DIN ISO 3016 eben noch fließt. Wichtig für die Pumpfähigkeit des Öles. Vor Erreichen des Stockpunktes treten bei mineralischen Erdölen auch Paraffin-Ausscheidungen, bei Teerölen kristalline Naphthalin-Ausscheidungen auf, die Verstopfungen verursachen können. Bei Leichtölen liegt dieser „Trübungspunkt“ meist unter –10 °C, bei den Schwerölen höher, bei etwa 45 °C. Alle Heizöle sollten daher oberhalb dieser Temperatur gelagert werden. -2.2.8 Schwefel und Asche Schwefelgehalt je nach Sorte und Herkunft unterschiedlich, bei Heizöl EL 0,3% und weniger, bei Heizöl S ≈ bis 3%. Der Schwefelgehalt des Öles verwandelt sich in der Verbrennung überwiegend zu SO2 und nur zu einem geringen Teil zu SO3, das normalerweise in den Abgasen gasförmig und daher unschädlich ist. Erst bei Abkühlung unter den Taupunkt tritt Bildung von H2SO4 (Schwefelsäure) ein, die Umweltschäden verursacht. Durch Verordnungen zum Bundesimmissionsgesetz wurde der Schwefelgehalt von leichtem Heizöl stufenweise bis 1988 auf 0,2% begrenzt (s. Abschn. 1.9 s. S. 452). Schweröl hat höheren Schwefelgehalt als Leichtöl. Bei Abkühlung der Abgase darf der Schwefelsäure-Taupunkt (≈150 °C) nicht unterschritten werden. Asche ist der Rückstand bei der Verbrennung und bei jedem Öl in kleinen Mengen vorhanden, etwa 0,01 bis 0,15%. Hauptanteil Vanadiumpentoxid (V2O5) und Natriumoxid (Na2O). Der Ascheanteil sollte so gering wie möglich sein, da die Asche korrosiv ist und die Wandungen der Kessel schädigt. Heizöl EL enthält fast keine Asche, Heizöl S dagegen viel. -2.2.9 Wasser und Sedimente Wasser kann z.B. durch Schwitzwasserbildung ins Heizöl gelangen und setzt sich am Boden ab. Sedimente sind Spuren von Fremdstoffen, die bei kleinen Brennern evtl. Störungen verursachen können.

1)

DIN ISO 3016:1982-10: Mineralölerzeugnisse; Bestimmung des Pourpoint.

DVD 280

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-3

Gasförmige Brennstoffe1)2)

-3.1

Allgemeines

Die heute zur Verfügung stehenden technischen Heiz- und Brenngase sind in ihren Eigenschaften sehr unterschiedlich. Meistens sind es Gemische von brennbaren und unbrennbaren Gasen. Die brennbaren Bestandteile sind vorwiegend Kohlenwasserstoffe (Methan u.a.) und Wasserstoff, in geringerem Maße Kohlenoxid. Dazu kommen noch einige Spu-rengase. Infolge ungenauer Bezeichnungen entstehen häufig Irrtümer. Einteilung der Gase nach dem Vorkommen Naturgase (Erdgas und Erdölgas sowie Gruben- und Sumpfgas)technisch hergestellte Gase nach dem Brennwert Ho Schwachgase Ho < 2,5 kWh/m3 Mittelgase (Wassergase) Ho = 2,5…4,0 kWh/m3 Starkgase Ho = 4,0…6,0 kWh/m3 Reichgase Ho > 6,0 kWh/m3 oder nach DIN 13403) Gruppe I Ho < 10 MJ/m3 Gruppe II Ho = 10…30 MJ/m3 Gruppe III Ho = 30…60 MJ/m3 Gruppe IV Ho > 60 MJ/m3 nach den Brenneigenschaften (Einteilung in Familien) 1. Gasfamilie: Stadt- und Ferngase (Kurzzeichen S) Untergruppe A (Stadtgase) Untergruppe B (Ferngase) 2. Gasfamilie: Naturgase (Kurzzeichen N) Untergruppe L (low) Erdgas Untergruppe H (high) Erdölgas 3. Gasfamilie: Flüssiggase (Propan, Butan) (Kurzzeichen F) 4. Gasfamilie: Gemische aus Gasen der 2. oder 3. Familie mit Luft. Das für Heizzwecke in den Städten verwandte Stadt- oder Ferngas wurde früher in Gaswerken hauptsächlich durch Entgasung von Steinkohle hergestellt, wobei als Nebenprodukt Koks anfällt. Das gebräuchliche Stadtgas ist ein Gemisch aus Kohlengas und Wassergas oder Generatorgas, eingestellt auf einen Brennwert von Ho = rd. 5,0 kWh/m3. Heute ist an die Stelle dieses Stadtgases das Erdgas getreten, das gegenwärtig über 90% des gesamten Gasverbrauchs deckt. Etwa 28% aller Wohnungen wurden 1986 mit Gas beheizt. Die Heizwerte der Naturgase sind je nach Fördergebiet sehr unterschiedlich, z.B.: Bayern Oldenburg Slochteren Ho = 11,2 12,1 9,8 kWh/m3 Hu = 10,0 10,9 8,9 kWh/m3 Im Ausland, namentlich USA und Russische Föderation, sehr großer Verbrauch an natürlichen Gasen (Erdgas). Auch in Europa und Deutschland schnell zunehmende Verwendung durch den Ausbau überregionaler Gasfernleitungen. Eine wichtige Größe bei der Kennzeichnung der Gasqualität ist der obere bzw. untere Wobbeindex (auch Wobbezahl genannt nach dem Italiener Wobbe 1926): Wo = Ho/ d v bzw. Wu = Hu/ d v in kJ/m3 oder kWh/m3 Ho = Brennwert Hu = Heizwert 1) 2)

3)

Wilke, H.: H. R. 1969. S. 29/37 u. 153/63.Bieger, F.: Wkt 1970. S. 171/5.Loos, J.: SHT 7/76. S. 437/ 41.DIN 1871:1999-05 (Gasförmige Brennstoffe, Dichte). Beachte Hinweise im Vorwort zur internationalen Normen-Harmonisierung. Die bisher in Deutschland gebräuchlichen Formelzeichen (z.B. Ho jetzt HS, Hu jetzt Hi, Erdgas L jetzt LL (low light) bzw. H jetzt E (exelent) werden in dieser Auflage (70.) wegen der noch nicht abgeschlossenen Veränderungen mit den alten Bezeichnungen noch beibehalten. DIN 1340:1990-12 (Gasförmige Brennstoffe, Arten, Bestandteile).

1.3.6 Brennstoffe

281 DVD

dv = Dichteverhältnis zu Luft Die Wobbezahl (Tafel 1.3.6-7 u. Tafel 1.3.6-6), die dimensionsbehaftet ist und sich aus der Gleichung für Düsenausströmung errechnet, gilt bei konstantem Gasdruck als ungefährer Kennwert für die Wärmeleistung und andere Größen wie Flammtemperatur, Primärluftansaugung u.a. Gase gleicher Wobbezahl haben gleiche Brennerleistung, ähnliche Verbrennungseigenschaften und können im gleichen Brenner verbrannt werden, ohne dass eine Änderung des Brenners oder der Düse notwendig ist. Bei unterschiedlichen Gasdrücken gilt für die Wärmebelastung der „erweiterte Wobbeindex“ Woe = Wo Δ p bzw. Wue = Wu Δ p der auch den betrieblichen Gasüberdruck Δp (N/m2) berücksichtigt. Die in einer Brennerdüse je Zeiteinheit durchgesetzte Gasmenge ist nach der Durchflußformel für Düsen proportional der Wurzel aus dem Arbeitsdruck p und der Düsenfläche, also dem Quadrat des Düsendurchmessers D. Bei unterschiedlichen Gasdrücken und konstanter Düse ist die Brennerleistung konstant, wenn die „erweitere Wobbezahl“ W gleich bleibt: Woe = Wo p = konst. bzw. Wue = Wu p = konst. Die erweiterte Wobbezahl berücksichtigt also auch den Gasüberdruck p (N/m). Wenn sich auch der Düsendurchmesser D ändern kann, gilt für gleiche Brennerleistung: W · p · D2 = konst. Tafel 1.3.6-6

Brenneigenschaften von Gasen

Tafel 1.3.6-7

Zusammensetzung, Dichte und Heizwert technischer Gase (nach F.Schuster u.a.) (1 kWh = 3600 kJ)

DVD 282 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.6 Brennstoffe

283 DVD

Bei der Umstellung von einer Gasart 1 auf eine andere Gasart 2 müssen, um gleiche Wärmeleistung zu erhalten, folgende Bedingungen eingehalten werden: Düsendurchmesser D2 = D1 · Gasdruck

W1 p1 ------- ⋅ ----W2 p2

W 2 D p2 = p1 ⎛⎝ ------1-⎞⎠ ⋅ ⎛⎝ -----1-⎞⎠ W2 D2

Beispiel: Stadtgas W1 = 25000, p1 = 800 N/m2, D1 = 2 mm Ø. Bei Umstellung auf Erdgas mit W2 = 42000 und p2 = 2000 N/m2 muss sein D2 = 2 ·

25000 800 --------------- ⋅ ----------42000 2000

= 1,23 mm Ø

Wenn der Durchmesser bleibt, muss der Druck betragen: 2 ---------------⎞ = 285 N/m2 p2 = 800 ⎛⎝ 25000 42000⎠

Zündeigenschaften (s. auch Abschn. 1.3.7 s. S. 290) Die Zündgrenzen sind bei den Gasen der 1. und 2. Familie sehr unterschiedlich. Wichtig für die richtige Gemischbildung an der Zündflamme. (Siehe Abschn. 1.3.7-6 s. S. 308.) Die Zündtemperatur für Erdgase ist wesentlich höher als bei Stadtgas, daher hohe Oberflächentemperatur der Zündeinrichtung, z.B. Glühwendel (Tafel 1.3.7-9 bis Tafel 1.3.7-11). Die Zündgeschwindigkeit ist ebenfalls unterschiedlich, bei Erdgasen geringer als bei Stadtgasen. Wichtig für richtige Abstände zwischen den einzelnen Brenneröffnungen. Für die Gasbeschaffenheit bei der öffentlichen Gasversorgung sind nach DVGW G 260-1 Richtlinien enthalten. Darin werden u.a. brenntechnische Anforderungen der verschiedenen Gasarten angegeben, die vom Gaslieferanten garantiert sein müssen, damit die Gasbrenner und sonstige Gasfeuerstätten einwandfrei arbeiten.

-3.2

Entgasung

bedeutet Austreibung gasförmiger Stoffe durch chemische Zersetzung fester Brennstoffe bei hoher Temperatur unter Luftabschluss. Man unterscheidet Entgasung bei Temperaturen über 600 °C (Verkokung) und bei tiefen Temperaturen (Schwelung) unter 600 °C. Verkokungsgase (Kokereigase) werden aus Steinkohle, vorwiegend Gaskohle und Gasflammkohle, in Gaswerken und Kokereien bei hohen Temperaturen von etwa 900 bis 1200 °C ausgetrieben und danach in verschiedenen Stufen aufbereitet. Beheizung mit Generatorgas. Kokereigas wird in den Koksöfen oben abgesaugt, Koks unten abgeführt und mit Wasser gelöscht. Verwendung insbesondere als Stadtgas und Ferngas, bei den meisten Gaswerken jedoch unter Zumischung von Wassergas (auch Klärgas und Generatorgas). Bestandteile stark voneinander abweichend. Anlieferung bei den Verbrauchern durch Rohrnetze, Entnahme in Wohnungen und Fabriken bei einem Druck bis 50 mbar (Niederdruck). Mindestdruck vor Geräten mindestens 7,8 mbar. Infolge des Kohlenoxidgehaltes sind die Stadt- und Ferngase giftig. Für Haushaltsabnehmer müssen sie einen Warngeruch abgeben (DVGW G280). Schwelgase werden aus Braunkohle, weniger aus Steinkohle, als Nebenprodukt der Teergewinnung bei Temperaturen von etwa 500 bis 600 °C erzeugt.

-3.3

Vergasung

Die Vergasung ist im Gegensatz zur Entgasung die vollständige Umwandlung der festen Brennstoffe in gasförmige Brennstoffe. Der Vergasungsprozeß erfolgt in der Art, dass Luft oder Wasserdampf oder beide zusammen durch glühende Schichten des zu vergasenden festen Brennstoffs, geblasen werden, wodurch Kohlenoxyd CO und Wasserstoff H2 entstehen. Verwendung hauptsächlich in industriellen Feuerungen. Man unterscheidet:

DVD 284

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Gichtgase, die bei Hochofenbetrieb als Nebenprodukt anfallen (Hochofengase). Sie enthalten zu etwa 1 3 die brennbaren Gase CO und H2, zu 2 3 die nicht brennbaren Gase CO2 und N2. Generatorgase, die in Generatoren aus Steinkohle, Braunkohle oder Koks erzeugt werden. Brennbarer Hauptbestandteil CO. Stickstoffreich (≈ 50%). Sauggas ist gereinigtes Generatorgas für Gasmotoren. Kokswassergas entsteht durch Einblasen von Dampf in hocherhitzten Koks; geringer Stickstoffanteil. Brennbare Hauptbestandteile H2 und CO. Durch Zusatz von Ölgas (gespaltete Mineralöle) entsteht das karburierte Wassergas. Kohlenwassergas (Doppelgas)entsteht durch Vergasen von Kohlen mit Wasserdampf. Es ist ein Gemisch von Schwelgas und Kokswassergas.

-3.4

Raffineriegase (Reichgase, Flüssiggase)

Sie fallen in der Öl- und Treibstoffindustrie als Nebenprodukte an. Am wichtigsten sind die hochwertigen Kohlenwasserstoffe Propan und Butan. Sie werden in flüssigem Zustand unter Druck in Behältern gelagert und in Kesselwagen, Straßentankfahrzeugen und in Flaschen (Flaschengas) transportiert. Bei Normaldruck sind sie gasförmig, schwerer als Luft und chemisch neutral. Sie lassen sich bei geringem Druck verflüssigen. Siedepunkt von Propan: –43 °C, von Butan: 0 °C. In den letzten Jahren erhebliche Zunahme des Verbrauchs für Heizung und Brauchwasserbereitung, für das Kleingewerbe, in der Landwirtschaft, für das Camping. Bei Entnahme aus Flaschen entweicht Propan bzw. Butan gasförmig. C3H8 (Propan) und C4H10 (Butan) gibt es mit gleicher Zusammensetzung, aber verschiedener Molekularstruktur (Isomere), z.B. n-Butan und i-Butan. 1 kg Propan = 1,87 l ergibt etwa 0,50 m3 Gas von 0 °C,1 kg Butan = 1,67 l etwa 0,37 m3 Gas. Heizwerte und andere Daten s. Tafel 1.3.7-1 und Tafel 1.3.6-8. Tafel 1.3.6-8

Technische Daten von Flüssigkeiten

1 kg Propan oder Butan entspricht im Heizwert etwa 1,29 m3 Erdgas H oder 1,27 l Heizöl EL. Die Brenneigenschaften sind denen von Erdgas ähnlich. Anforderungen an die Qualität DIN 51622:1985-12.

1.3.6 Brennstoffe

-3.5

285 DVD

Erdgase1)

Unter Erdgas versteht man alle gasförmigen meist verunreinigten Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus der Erde gewonnen werden und brennbar sind. Sie sind von Natur aus geruchlos. Häufige Beimengungen sind NH3, NO, NO2, H2S, CS2 u.a. Entstehung der Erdgasfelder vermutlich gemeinsam mit Erdöl und Kohle aus einfachen Organismen, die sich abgelagert und unter dem Einfluß hoher Drücke und Temperaturen umgewandelt haben. Ansammlung in porösen Gesteinsformationen, die durch tektonische Einflüsse sich bildeten und nach oben durch gasdichte Schichten (Ton) abgedeckt sind. Die Zusammensetzung der Erdgase ist je nach Fördergebiet sehr unterschiedlich. Die Hollandgase haben erhebliche Anteile von N2, während die Nordseegase mehr hochmolekulare Kohlenwasserstoffe wie Äthan und Propan enthalten. Hauptbestandteil ist jedoch immer Methan (CH4), das Anteile von 70…99% erreichen kann. Weitere Bestandteile sind Äthan, Kohlendioxyd, Stickstoff u.a. Wenn das Erdgas auch höhermolekulare Kohlenwasserstoffe enthält, die kondensiert werden können, nennt man es nasses Erdgas oder Erdölgas (Tafel 1.3.6-9). Tafel 1.3.6-9 Erdgasfeld

Zusammensetzung verschiedener Erdgase in % CH4

C2H6

C3H8

C4H10

CO2

N2

H2S

Hu kJ/m3

Deutschland Anzing Bentheim Goldenstedt Isen Rehden 5

94,2 89,2**) 89,6 98,6 74,0

2,0 1,0 1,7 0,5 0,6

1,7 0,5 – 0,2 –

1,1 – – – –

0,8 2,8 0,5 0,1 17,8

– 5,5 8,2 0,6 7,5

– 0,6 – – –

37800 33300 32200 35700 26200

Niederlande De Lier Slochteren Tubbergen

88,8*) 6,2 81,9 3,5 85,1**) 1,8

1,0 0,4 0,8

0,5 – 0,6

0,1 0,8 3,0

1,4 14,4 8,6

– – 0,03

37600 32000 33200

Frankreich Lacq (Rohgas) 69,6*) 3,1 Lacq (gereinigt) 96,5**) 2,7

1,0 0,4

0,3 0,25

10,0 –

– –

Italien Corregio Ravenna

99,6 99,5

– –

0,2 0,1

– –

– –

Österrreich Marchfeld

97,0

0,8

0,3

–

Aserbaidschan Baku

93,0

3,3

–

Algerien Hassi R’Mel

79,6*)

7,4

2,7

*) **)

15,1 –

33200 37000

0,2 0,4

– –

35700 35600

0,6

1,3

–

36300

–

2,2

0,5

–

35500

1,4

0,2

5,1

–

42600

feuchte Erdgase. saure Erdgase (mit Schwefelwasserstoff)

Vor der Verwendung des Erdgases ist eine Aufbereitung erforderlich, wobei unerwünschte Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, Wasser u.a. durch besondere Prozesse wie Trocknung, Auswaschung, Adsorption usw. entfernt werden. 1)

Cerbe u.a.: Gastechnik 1981.Marx, E.: Feuerungstechn. 3/84. S.8.Ruhrgas-Handbuch, 1985.

DVD 286

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Besonders ungünstig sind Anteile von schwefelhaltigen Verbindungen, da durch deren Verbrennung das schädliche Schwefeldioxyd SO2 entsteht. Fortleitung und Verteilung der Erdgase durch Rohrleitungsnetze, die von privaten und kommunalen Unternehmen betrieben werden. Zwecks wirtschaftlicher Ausnutzung der Leitungen werden hohe Drücke mit Druckerhöhungsstationen in geeigneten Abständen verwendet; ferner Untertagespeicher mit großem Fassungsvermögen. Riechbarmachung durch Odorierung. Teilweise wird das Erdgas bei –162 °C verflüssigt und drucklos durch Tanker zu den Verbrauchsstellen geliefert, wo es wieder, meist durch Meerwasserverdampfer, in den gasförmigen Zustand umgewandelt wird (LNG = Liquified Natural Gas). Von großem Vorteil ist der Umstand, dass das Erdgas ungiftig ist, da es im Gegensatz zum Stadtgas kein Kohlenoxyd CO enthält. Sein Heizwert ist ungefähr doppelt so groß wie der von Stadtgas. Mittlere Kennwerte von Stadtgas und Erdgas s. Tafel 1.3.6-6. Richtlinien für die Erdgasbeschaffenheit in der öffentlichen Gasversorgung sind vom DVGW aufgestellt, wobei für die Austauschbarkeit in Brennern 2 Gruppen angegeben werden (Tafel 1.3.6-6). Innerhalb der Gruppen soll der Wobbeindex nur zwischen + 0,7 und –1,4 kWh/m3 (bei Erdgas H) schwanken. Die norddeutschen und holländischen Erdgase gehören der GruppeL an mit Brennwerten von Ho = 9…10 kWh/m3, während die energiereicheren H-Gase von der Nordsee und aus Rußland Brennwerte von Ho = 11…13 kWh/m3 besitzen (mehr Methan, weniger Stickstoff). Mit vermehrtem Einkauf von Erdgas aus Nordafrika und dem Nahen Osten allmähliche Umstellung auf Gase der Gruppe H. (DVGW G260:2000-01). Für Europa Sahara-Erdgas in Zukunft von Bedeutung; jedoch gegenwärtig noch Transportschwierigkeiten; ebenso Gas aus der UdSSR und dem Iran, wo riesige Vorräte vorhanden sind. Transport in Rohrleitungen unter hohem Druck oder nach Verflüssigung in Tankern. Grubengas tritt in Steinkohlengruben durch Vermoderung auf (Schlagende Wetter). Hauptbestandteil Methan. Klärgas entsteht bei der biologischen Abwasserklärung. Hauptbestandteil ca. 60% Methan, 30% CO2. Verwendung als Kraftstoff und Beimischung zum Stadtgas. Auf ähnliche Weise entsteht Sumpfgas.

-3.6

Spaltgase

Sie werden in Gaswerken und Raffinerien durch Spaltung von Mineralölprodukten (Flüssiggas, Benzin, Erdöl u.a.) erzeugt. Eigenschaften ähnlich den Stadtgasen. Je nach Ausgangsprodukt viele thermische oder katalytische Verfahrensarten. Vorteile: Verwendung von Rückständen, Anpassung an Lastspitzen, keine Nebenprodukte, verhältnismäßig billig.

-4

Regenerative Brennstoffe1) Ergänzungen von Dipl.-Ing. Leonhard Thien, Steinfurt

-4.1

Holz

Als natürlicher und nachwachsender Brennstoff hat sich Holz vor dem Hintergrund steigender Preise für fossile Energieträger zu einer technisch und wirtschaftlich gleichwertigen Alternative zu konventionellen Heizsystemen entwickelt. Der Beitrag von fester Biomasse zum Primärenergieverbrauch in Deutschland liegt bei ca. 1,8–2,0%2). Deutschland ist zu einem Drittel bewaldet. Die Gesamtwaldfläche beträgt 10,5 Mio. ha. Die Waldholznutzung in 2005 betrug ca. 70 Mio. Festmeter. Hiervon wurden ca. 54 Mio. Festmeter stofflich und ca. 16 Mio. Festmeter energetisch genutzt.3) Holz verbrennt (ohne vorgelagerte Bereitstellungskette) CO2-neutral, d.h. es wird bei der Verbrennung nur diejenige Menge an CO2 freigesetzt, die in der Wachstumsphase aufgenommen wurde. 1) 2) 3)

Erstbearbeitung für 71. Auflage von Dipl.-Ing. Steffen Hofmann, Wuppertal Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR): Leitfaden Bioenergie 2005, S. 41 Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR): www.FNR.de

1.3.6 Brennstoffe

287 DVD

Holzsortimente: Holz als Brennstoff fällt vornehmlich in der Forstwirtschaft als Waldrestholz, Durchforstungsholz und in der Landschaftspflege als Grünschnitt an. Darüber hinaus gibt es Industrierestholz (Sägewerke, Möbelhersteller, Schreinereien) sowie Altund Gebrauchtholz (Paletten, Möbel, Abbruchholz). Die Energieholzsortimente umfassen Scheitholz, Holzhackschnitzel, Sägemehl, Sägespäne, Presslinge (Pellets und Briketts) u.a. Die Konditionierung erfolgt durch Sägen, Holzspalter (Holzscheite), Scheiben-,Trommel- und Schneckenhacker (Hackgut) oder Pelletier- und Brikettieranlagen. Holzpellets werden in Großanlagen (bis zu 100000 t/a) aus Sägemehl oder Hobelspänen unter hohem Druck gepresst (Qualitätsbeschreibung nach DIN 517311), ÖNORM M 71352)). Für Hackgut gibt es in Deutschland derzeit keine Normung, in Österreich wird Hackgut in der ÖNORM M 71333) beschrieben. Eine einheitliche europäische Norm für Holzbrennstoffe ist derzeit in Vorbereitung4). Eigenschaften von Energieholz: Neben der Holzart bestimmt im Wesentlichen die Feuchte den Heizwert. Nach mindestens 1 Jahr Freiluftlagerung wird der lufttrockene Zustand (lutro) erreicht, der eine Gleichgewichtsfeuchte von etwa 20 bis 30% Wassergehalt beschreibt. Nur durch künstliche Trocknung (< 100…C) wird der Zustand absolut trocken (atro) erreicht. Häufig werden Brennholzlieferungen abhängig vom Energieinhalt abgerechnet (Feuchtemessung oder nach erzeugten Wärmeeinheiten).

Bild 1.3.6-4. Heizwert von Holz*) *)

67. Auflage, Abschn. 136-1.

Maßeinheiten für Energieholz: 1,0 Fm = 1,43 Rm = 2,43 Sm3 0,7 Fm = 1,0 Rm = 1,7 Sm3 0,41 Fm = 0,59 Rm = 1,0 Sm3 (Fm = Festmeter, Rm = Raummeter, Sm3 = Schüttkubikmeter) Der Heizwert von Holz ist stark abhängig vom Feuchtegehalt: Hackgut frisch (ca. 70% Feuchte): Hu = 6000 ... 8500 kJ/kg 350 ... 450 kg/Sm3 Hackgut lufttrocken (ca. 25–35%): Hu = 14000 ... 16000 kJ/kg 230 ... 280 kg/Sm3 Hobelspäne (15–30%) Hu = 12000 ... 13500 kJ/kg 100 ... 170 kg/Sm3 Sägemehl (40–60%) Hu = 7500 ... 10000 kJ/kg 260 ... 320 kg/Sm3 Holzpellets (15 kW) (Quer-)Einschubfeuerung Holzpellets (< 5 kW) Unterschubfeuerung (bis 2000 kW) Vorofenfeuerung (35 bis 2500 kW) Rostfeuerung (ab 1000 kW) stückiges/grobes Holz Sägemehl/Staub

Einblasfeuerung

Pflanzenöle

Bei der energetischen Verwertung werden Pflanzenöle (in Deutschland: Rapsöl, Sonnenblumenöl) überwiegend zum Betrieb von Dieselmotoren und zur reinen Wärmeversorgung in Planzenölheizungen genutzt. Einsatz des reinen Pflanzenöles als Kraftstoff im mobilen Bereich (PKW, LKW, Traktoren) sowie stationär in Blockheizkraftwerken nur bei vorheriger Umrüstung möglich. Derzeit werden Pflanzenöle durch chemische Behandlung (Umesterung) überwiegend zu Biodiesel bzw. RME (Rapsöl-Methyl-Ester) verarbeitet und in herkömmlichen KFZ-Dieselmotoren als Treibstoff eingesetzt (auch stationär: RME-BHKW im Reichstag in Berlin). Aber auch der Einsatz von reinen Pflanzenöl-BHKW wird immer beliebter. Hier gibt es Systeme für den privaten Anwendungsbereich von 8 bis 35 kW. Weitere Einsatzgebiete für Pflanzenöl-BHKW sind vorrangig dort, wo die spezifischen Vorteile des Pflanzenölkraftstoffs besonders zu tragen kommen. Dies ist beispielsweise bei der dezentralen Strom- und Wärmeversorgung in ländlichen Gebieten oder in Gegenden, wo es gilt, hohe Auflagen des Boden- und Gewässerschutzes zu erfüllen (z.B. Gärtnereien/Gewächshäuser, Berghütten, Wasserschutzgebiete). Für diesen Einsatzbereich werden Aggregate mit bis zu 5 MW Leistung angeboten. Voraussetzung für einen störungsarmen und umweltschonenden Betrieb von pflanzenölbetriebenen Motoren ist ebenso wie bei anderen Kraftstoffen eine gesicherte Pflanzenölqualität. Um dies zu gewährleisten, wurden kraftstoffrelevante Mindestanforderungen für Rapsöl, erarbeitet und im „Qualitätsstandard für Rapsöl als Kraftstoff (RK-Qualitätsstandard) 5/2000“ zusammengefasst1). Dieser RK-Standart ist mittlerweile durch die Vornorm DIN 51605 ersetzt worden2).

-4.3

Biogas

In einer Biogasanlage werden organische Stoffe unter Sauerstoffabschluss vergoren. Biogas besteht aus ca. 50 bis 70 Vol% Methan (CH4), 30 bis 50 Vol% Kohlendioxid (CO2) sowie Sauerstoff, Stickstoff und Spurengasen (u.a. Schwefelwasserstoff). Bis Ende 2007 lag der Anlagenbestand in Deutschland bei ca. 3700 Anlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von ca. 1.270 MW. 3) Biogas wird in Deutschland fast ausschließlich in Blochheizkraftwerken zur Stromerzeugung genutzt. Die im Motor entstehende Abwärme muss abgeführt werden und steht für Heizzwecke zur Verfügung. (vgl. auch Abschn. 2.6) In den letzten Jahren sind überwiegend Biogasanlagen mit einer elektrischen Leistung von 300 bis 500 kW entstanden. Ein Teil der Abwärme wird in den Prozess zurückgeführt. Für Heizzwecke stehen bei der angegebenen Größenordnung aber immer noch ca. 200 bis 400 kW Wärme zur Verfügung. Typischerweise wird mit der Abwärme der Wär-

1) 2) 3)

LTV-Arbeitskreis Dezentrale Pflanzenölgewinnung, Weihenstephan. www.din.de Fachverband Biogas e.V., www.biogas.org

DVD 290

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

mebedarf von (einem oder mehreren) Einzelobjekten gedeckt oder die erzeugte Wärme wird in Nah- oder Fernwärmenetzen eingespeist. Typische Einzelobjekte mit hohem Wärmebedarf sind z.B. Hallenbäder, Krankenhäuser oder auch Gewerbebetriebe mit entsprechenden Wärme- oder auch Kälteverbrauch.

1.3.7 -1

Verbrennung Allgemeines

Verbrennung ist die chemische Reaktion (Oxydation) der brennbaren Bestandteile von Brennstoffen mit dem Sauerstoff der Luft unter Bildung von Wärme. Fast alle technisch verwendete Wärme, abgesehen vom elektrischen Strom, wird durch Verbrennung von Brennstoffen erzeugt, deren brennbare Bestandteile in der Hauptsache KohlenstoffC und Wasserstoff H sind, die zu Kohlendioxyd CO2 und Wasserdampf H2O verbrennen. Die Verbrennung wird eingeleitet bei festen Brennstoffen durch Erwärmung, bei flüssigen und gasförmigen Brennstoffen durch momentane Überschreitung der Zündgrenze mittels Zündfunken.

-2

Heizwert und Brennwert

Diejenige Wärmemenge, die bei vollständiger Verbrennung eines Brennstoffes frei wird, nennt man Brennwert (kJ/kg oder kJ/m3). Begriffe s. DIN 5499:1972-01. Bei den Brennstoffen, die Wasserstoff und daher in den Verbrennungsprodukten auch Wasserdampf enthalten, unterscheidet man den Brennwert Ho (früher oberer Heizwert genannt) und den Heizwert Hu (früher unterer Heizwert genannt), je nachdem man die Verdampfungswärme des Wassers in den Verbrennungsgasen berücksichtigt oder nicht. Der Brennwert ist um den Betrag der Verdampfungswärme des in den Abgasen enthaltenen Wassers größer als der Heizwert. In den meisten technischen Feuerungen enthalten die Abgase das Wasser im dampfförmigen Zustand, so dass bei Verbrennungsrechnungen im allgemeinen mit dem Heizwert zu rechnen ist. Es ist also +w ---------------Ho = Hu + r· 9h in kJ/kg bzw. kJ/m3 100

r = Verdampfungsenthalpie des Wassers = 2500 kJ/kg bzw. 2000 kJ/m3 bei 0 °C w = Wassergehalt des Brennstoffs in % h = Wasserstoffgehalt des Brennstoffs in %. Angaben über die Heizwerte fester, flüssiger und gasförmiger Brennstoffe s. Tafel 1.3.6-3, Tafel 1.3.6-7 und Tafel 1.3.6-6 sowie Tafel 1.3.7-1 bis Tafel 1.3.7-4. Bei festen und flüssigen Brennstoffen lässt sich die genaue Größe des Heizwertes wegen der vielen möglichen Bindungsarten der Elemente nur auf kalorimetrische Weise ermitteln. Er kann bei bekannter Zusammensetzung eines Brennstoffes näherungsweise empirisch ermittelt werden (nach Boie): Hu ≈ 34,8 c + 93,9 h + 10,5 s + 6,3 n–10,8 o–2,5 w in MJ/kg c = Gehalt an Kohlenstoff in kg/kg h = Gehalt an Wasserstoff in kg/kg n = Gehalt an Stickstoff in kg/kg o = Gehalt an Sauerstoff in kg/kg s = Gehalt an Schwefel in kg/kg w = Gehalt an Wasser in kg/kg Bei gasförmigen Brennstoffgemischen wird der Heizwert aus der Summe der Heizwerte der Einzelgase berechnet: Hu = 10,78 H2 + 12,62 CO + 35,87 CH4 + 59,48 C2H4 + 56,51 C2H2 MJ/m3 Ho = 12,75 H2 + 12,62 CO + 39,81 CH4 + 63,42 C2H4 + 58,48 C2H2 MJ/m3 Darin ist: H2 = Gehalt an Wasserstoff in m3/m3 CO = Gehalt an Kohlenoxyd in m3/m3 usw. Bei weiteren brennbaren Bestandteilen müssen die Gleichungen sinngemäß erweitert werden. Siehe auch DIN 51857:1997-03 mit den Heizwerten einfacher gasförmiger Brennstoffe.

Tafel 1.3.7-1

Verbrennung gas- und dampfförmiger Brennstoffe 1 kWh = 3600 kJ

1.3.7 Verbrennung 291 DVD

Tafel 1.3.7-2

Verbrennung technischer Heizgase (Richtwerte nach F. Schuster) (s. auch Tafel 1.3.6-7).

DVD 292 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.7-3

Verbrennung fester Brennstoffe 1 kWh = 3600 kJ

1.3.7 Verbrennung 293 DVD

Tafel 1.3.7-4

Verbrennung flüssiger Brennstoffe 1 kWh = 3600 kJ

DVD 294 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.7 Verbrennung

-3

295 DVD

Verbrennungsluftmenge und Abgase

Die zur vollkommenen Verbrennung von Brennstoffen theoretisch erforderliche Luftmenge ist Lmin. Bei den meisten technischen Feuerungen ist jedoch, um eine vollkommene Verbrennung zu erhalten, mehr Luft zuzuführen, als theoretisch erforderlich ist. Das Verhältnis der wirklich zugeführten Luftmenge L zu Lmin nennt man Luftzahl (Luftverhältniszahl) λ: L = λ · Lmin. Mittelwerte von λ s. Abschn. 1.3.7-5 s. S. 304. Hauptreaktionsformeln bei vollständiger Verbrennung: C + O2 = CO2 12 kg C + 32 kg O2 (22,4 m3) = 44 kg CO2 2 H2 + O2 = 2 H2O 4 kg H2 + 32 kg O2 (22,4 m3) = 36 kg H2O S + O2 = SO2 32 kg S + 32 kg O2 (22,4 m3) = 64 kg SO2

-3.1

Feste und flüssige Brennstoffe

Die Berechnung der theoretischen Verbrennungsluftmenge Lmin sowie der Abgase Vamit ihrer Zusammensetzung ist aus Tafel 1.3.7-5 ersichtlich. Verbrennungsprodukte sind Kohlendioxyd, Schwefeldioxyd und Wasserdampf. Außerdem enthalten die Abgase Stickstoff und bei λ>1 auch Sauerstoff. Die theoretische Verbrennungsluftmenge ist (s. Tafel 1.3.7-5): ,4 c h s o ---------- ⎛ ----- + --- + ------ – ------⎞ = 8,88 c + 26,44 h + 3,32 s–3,33 o m3/kg Lmin = 22 0 ,21 ⎝ 12 4 32 32⎠

Darin ist 22,4 = Molvolumen der Gase in m3/kg 0,21= Sauerstoffanteil der Luft. Tafel 1.3.7-5

Verbrennungsrechnung bei festen und flüssigen Brennstoffen

Die trockene Abgasmenge ist Va tr= 1,85 c + 0,68 s + 0,8 n + (λ–0,21) Lmin m3/kg Die feuchte Abgasmenge Vaf ist um den Betrag des Wasserdampfes in den Abgasen größer. Dabei ist zu beachten, dass Wasserdampf nicht nur durch den Wasserstoffgehalt des Brennstoffes, sondern auch durch den Wassergehalt x der Verbrennungsluft auftritt. Weitere Werte s. nachstehendes Beispiel. Beispiel: Verbrennung von 1 kg Steinkohle mit der Luftzahl λ = 1,5. Wassergehalt der Luft x =10 g/kg. Zusammensetzung des Brennstoffs: c h s o n w a 0,80 0,05 0,02 0,07 0,0 0,04 0,02 kg/kg

DVD 296

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Theoretische Luftmenge: Lmin = 8,88 c + 26,44 h + 3,32 s – 3,33 o = 8,88 · 0,80 + 26,44 · 0,05 + 3,32 · 0,02 – 3,33 · 0,07 = 8,26 m3/kg Trockene Abgasmenge Vatr = 1,85 c + 0,68 s + (λ–0,21) Lmin = 1,85 · 0,80 + 0,68 s · 0,02 + 1,29 · 8,26 = 12,15 m3/kg Feuchte Abgasmenge (ohne Luftfeuchte x) Vaf = Vatr + 11,11 h + 1,24 w = 12,15 + 11,11 · 0,05 + 1,24 · 0,04 = 12,76 m3/kg Wasserdampfmenge ohne Luftfeuchte x W = 11,11 h + 1,24 w = 0,61 m3/kg Durch Luftfeuchte x = 10 g/kg zusätzlich entstehende Wasserdampfmenge W′ = λ·Lmin·1,6 x = 1,5 · 8,26 · 1,6 · 0,010 = 0,20 m3/kg Kohlendioxydmenge: 1,85 c = 1,85 · 0,80 = 1,48 m3/kg Kohlendioxydgehalt der trockenen Abgase: 1,48 : 12,15 = 12,3% FaustformelfürdenMindesluftbedarf: Lmin ≈ 0,25 m3 für 1000 kJ oder ≈ 0,9 m3 für 1 kWh.

-3.2

Gasförmige Brennstoffe

Theoretische Luftmenge: Lmin =

CO + H 1 ---------- ⎛ --------------------2-⎞ + ( n + m/4 )C n H m – O 2 ⎠ 0 ,21 ⎝ 2

m3/m3

Wirkliche Luftmenge: L = λ · Lmin m3/m3 Abgasmenge feucht (ohne Luftfeuchte): ---- · CnHm + CO2 + O2 + N2 Vaf = λ · Lmin + 1/2 (CO + H2) + m 4 ----⎞ CnHm m3/m3 = Gasmenge + λ Lmin – 0,5 (CO + H2)– ⎛⎝ 1 – m 4⎠

Wasserdampfmenge im Abgas: H2 + m/2 (CnHm) m3/m3 Volumenverminderung zwischen (Gasmenge + Luftmenge) und feuchter Abgasmenge: ΔV = 0,5 (CO + H2) + (1–m/4) CnHm m3/m3 (Dilatation). Abgas-Zusammensetzung: Abgasbestandteil Kohlendioxyd Wasserdampf Sauerstoff Stickstoff

Zeichen CO2 H2O O2 N2

Abgase in m3/m3 CO2 + CO + n(CnHm) H2 + m/ (CnHm) 0,21 (λ–l) · Lmin 2 N2 + 0,79 λ · Lmin

Beispiel: Verbrennung von 1 m3 Erdgas H mit λ = 1,2 (s. Tafel 1.3.7-1). Zusammensetzung: CH4 C2H6 C3H8 CO2 N2 0,93 0,03 0,02 0,01 0,01 m3/m3 Heizwert Hu = 0,93 · 35880 + 0,03 · 64345 + 0,02 · 93210 = 37162 kJ/m3. Theoretische Luftmenge: 1 Lmin = ---------- (2 · 0,93 + 3,5 · 0,03 + 5 · 0,02) = 9,83 m3/m3 0 ,21

1.3.7 Verbrennung

297 DVD

Wirkliche Luftmenge: L = λ·Lmin = 1,2 · 9,83 = 11,8 m3/m3 Abgasmenge feucht = Gasmenge + λ · Lmin (Dilatation vernachlässigt): Vaf = 1,0 + 11,8 = 12,8 m3/m3 Wasserdampfmenge: 2 · 0,93 + 3 · 0,03 + 4 · 0,02 = 2,03 m3/m3 Abgas-Zusammensetzung: CO2 H2O O2 N2

0,93 + 2 · 0,03 + 3 · 0,02 + 0,01 2 · 0,93 + 3 · 0,03 + 4 · 0,02 0,21 · 0,2 · 9,83 0,01 + 0,79 · 1,2 · 9,83

Gesamte Abgasmenge VAf

-3.3

= = = =

1,06 m3/m3 = 8,3 Vol.-% 2,03 m3/m3 = 15,8 Vol.-% 0,41 m3/m3 = 3,2 Vol.-% 9,32 m3/m3 = 72,7 Vol.-%

= 12,82 m3/m3 = 100 Vol.-%

Näherungswerte

der Luft- und Abgasmengen für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe nach Rosin und Fehling1) s. Tafel 1.3.7-6 und Bild 1.3.7-1 bis Bild 1.3.7-3 mit Beispielen. Abgasmengen bezogen auf feuchte Gase, CO2-Werte bezogen auf trockene Gase. Bei den festen und flüssigen Brennstoffen ist Hu in kJ/kg, bei den gasförmigen Brennstoffen in kJ/m3 einzusetzen. Mit der Luftzahl λ ist die Luftmenge L = λ · Lmin, die Abgasmenge VA = VAmin + (λ–1) Lmin. Tafel 1.3.7-6

1)

Näherungswerte der Luft- und Abgasmengen

Rosin, P., und Fehling, R.: Das it-Diagramm der Verbrennung. Berlin, VDI-Verlag 1929.

DVD 298

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.7-1. Abgasmenge (feucht) und Luftbedarf bei festen Brennstoffen mit 2 Beispielen. 1. Beispiel: Verbrennung von Steinkohle mit dem Heizwert Hu = 32 MJ/kg (8,89 kWh/kg) und dem max. CO2-Gehalt der Rauchgase von 18,7% nach Tafel 1.3.7-3 ergibt bei der Luftzahl λ =1,50: Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 8,25 m3/kg Wirkliche Luftmenge L =1,50 · Lmin = 12,37 m3/kg Wirkliche Rauchgasmenge VA = 12,6 m3/kg CO2-Gehalt der Rauchgase = 12,4% 2. Beispiel: Verbrennung von Braunkohlebriketts mit dem Heizwert Hu = 20000 kJ/kg (5,56 kWh/kg) und dem maximalen CO2-Gehalt der Abgase von 19,5% nach Tafel 1.3.7-3 ergibt bei der Luftzahl λ =1,3: Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 5,3 m3/kg Wirkliche Luftmenge L =1,3 · Lmin = 6,89 m3/kg Abgasmenge bei theoretischer Verbrennung VAmin = 5,89 m3/kg Wirkliche Abgasmenge Va = 7,5 m3/kg CO2-Gehalt der Abgase = 15%

1.3.7 Verbrennung

299 DVD

Bild 1.3.7-2. Abgasmenge (feucht) und Luftbedarf bei flüssigen Brennstoffen mit 2 Beispielen.

1. Beispiel: Verbrennung von Heizöl EL mit dem Heizwert Hu = 42 MJ/kg (11,67 kWh/kg) und CO2max =15,5% nach Tafel 1.3.7-4 ergibt bei einem CO2-Gehalt der Abgase von 10%: Luftzahl λ =1,55 Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 10,4 m3/kg Wirkliche Luftmenge L =1,55 · Lmin = 16,1 m3/kg Wirkliche Abgasmenge (feucht) VA = 16,8 m3/k

2. Beispiel: Heizöl EL mit dem Heizwert Hu = 44,8 MJ/kg und CO2max =15,4% ergibt bei einem CO2-Gehalt der Abgase von 13%: Luftzahl λ =1,18 Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 11,1 m3/kg Wirkliche Luftmenge L =11,1 · 1,18 = 13,1 m3/kg Wirkliche Abgasmenge (feucht) VA = 13,8 m3/kg

DVD 300

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.7-3. Abgasmenge (feucht) und Luftbedarf bei gasförmigen Brennstoffen mit 2 Beispielen.

1. Beispiel:

Verbrennung von Stadtgas mit einem Heizwert Hu =16 MJ/m3 (4,44 kWh/kg) ergibt bei einer Luftzahl λ =1,3: Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 3,9 m3/m3 Wirkliche Luftmenge L =1,3 · Lmin = 5,1 m3/m3 Abgasmenge bei theoretischer Verbrennung VAmin = 4,6 m3/m3 Wirkliche Abgasmenge VA = 5,8 m3/m3

2. Beispiel:

Verbrennung von Erdgas mit einem Heizwert von Hu =34000 kJ/m3 (9,44 kWh/m3) ergibt bei einer Luftzahl λ =1,3: Luftbedarf bei theoretischer Verbrennung Lmin = 8,6 m3/m3 Wirkliche Luftmenge L =1,3 · 8,6 = 11,2 m3/m3 Abgasmenge bei theoretischer Verbrennung VAmin = 9,5 m3/m3 Wirkliche Abgasmenge VA = 12,1 m3/m3

-3.4

Dichte der Abgase

Die Dichte ρ der Abgase errechnet sich aus der Zusammensetzung wie folgt: ρ = ρCO2·CO2 + ρO2·O2 + ρN2·N2 + ρH2O·H2O in kg/m3

1.3.7 Verbrennung

301 DVD

CO2 = Gehalt an CO2 in m3/m3 usw. ρ = p/RT (R = Gaskonstante). Die Dichten der einzelnen Abgasbestandteile sind O2 N2 H2O CO CO2 ρ= 1,97 1,43 1,257 0,804 1,25 kg/m3. Dichte desto größer, je höher CO2-Gehalt, und desto geringer, je größer H2O-Gehalt. Mittlere Werte der Dichte bei festen und flüssigen Brennstoffen s. Bild 1.3.7-4. Bei gasförmigen Brennstoffen sind die Werte von Fall zu Fall zu berechnen, da sehr unterschiedlich. Richtwerte bei mittleren Verhältnissen: feste Brennstoffe ρ ≈ 1,33 kg/m3 Heizöl ρ ≈ 1,32 kg/m3 Stadtgas ρ ≈ 1,25 kg/m3 Erdgas (Methan) ρ ≈ 1,25 kg/m3

Bild 1.3.7-4. Dichte der feuchten Abgase bei festen und flüssigen Brennstoffen. 1000 kJ ≈ 0,28 kWh.

-3.5

Spezifische Wärmekapazität der Abgase

Bei Abgasen mittlerer Zusammensetzung ist die wahre spezifische Wärmekapazität Cp = 1,35 + 0,00030 t in kJ/m3 K. Bei genaueren Rechnungen sind die spezifischen Wärmekapazitäten der einzelnen Bestandteile des Abgases zu berücksichtigen. Es gilt dann bei n Einzelbestandteilen die Beziehung C p = Σ n Cp Die meisten technischen Wärmeübertragungsprozesse verlaufen über einen größeren Temperaturbereich. In diesen Fällen ist mit mittleren Werten Cpm der Wärmekapazität zu rechnen (Tafel 1.3.7-7 und Bild 1.3.7-8). Mittelwert Cpm = 1,35 + 0,00015 t. Einige Richtwerte für Cpm bei Temperaturen zwischen 100 und 300 °C sind bei Kohlefeuerung Cpm = 1,37 kJ/m3 K bei Gasfeuerung Cpm = 1,38 kJ/m3 K bei Heizölfeuerung Cpm = 1,39 kJ/m3 K Tafel 1.3.7-7

Mittlere spezifische Wärmekapazität Cpm von Gasen zwischen 0 und t °C bezogen auf Normalvolumen in kJ/m3 K

DVD 302

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

-3.6

Wasserdampfgehalt und Taupunkt der Abgase

Um den Taupunkt der Abgase zu ermitteln, berechne man zunächst nach Abschn.1.3.73.1 s. S. 295 und -3.2 s. S. 296 den Wasserdampfgehalt der Abgase in Vol.-%: ,20h + 1 ,24w --------------------------------------- , hieraus den dem Volumenanteil proportionalen WasserH2O = 11 VA dampfdruck in mbar und dann aus der Wasserdampftafel die Sättigungstemperatur, die dem Taupunkt entspricht. Der Taupunkt der Abgase ist desto höher, je höher der Wasser- und Wasserstoffgehalt des Brennstoffes ist. Beispiel: Wasserdampfgehalt der Steinkohle-Abgase in Beispiel Abschn. 1.3.7-3.1 s. S. 295: 0 ,61 0,61 m3/kg = ------------= 4,8 Vol.-% ( 18/22,4 · 48 = 0,804 · 48 = 39 g/m3) 12 ,67 4 ,8 - · 1013 = 48 mbar. Dampfdruck: -------100

Taupunkt = 32 °C (aus Tafel 1.3.4-1). Um ein Naßwerden und Verschmieren der Heizflächen sowie Korrosion zu verhindern, dürfen die Abgase nicht unter den Taupunkt abgekühlt werden. Mittlere Taupunkte für verschiedene Brennstoffe in Abhängigkeit vom Luftüberschuß s. Bild 1.3.7-6, in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Abgase in Bild 1.3.7-5. Bei schwefelhaltigen Brennstoffen kann sich in den Abgasen aus SO2 unter Umständen, besonders bei hohem Luftüberschuß, eine mehr oder weniger große Menge SO3 bilden,die sich mit dem Wasserdampf der Rauchgase zu H2SO4 (Schwefelsäure) verbindet. Bei 0,5% Schwefelgehalt des Heizöls liegt der Säuretaupunkt bei etwa 130 °C. Siehe Abschn. 1.10.5 s. S. 499.

Bild 1.3.7-5. Taupunkt und Wassergehalt von Abgasen bezogen auf Normzustand.

-4

Bild 1.3.7-6. Taupunkttemperaturen für Wasserdampf bei verschiedenen Brennstoffen.

Verbrennungstemperatur

Verbrennungstemperatur tv ist diejenige Temperatur, die die Verbrennungsgase theoretisch annehmen würden, wenn keine Wärmeabgabe nach außen erfolgte (adiabate Verbrennung). Sie lässt sich aus dem Heizwert der Brennstoffe Hu und der mittleren spezifischen Wärme Cpm der Verbrennungsgase errechnen. Tafel 1.3.7-7 und Bild 1.3.7-8.

1.3.7 Verbrennung

303 DVD

Bild 1.3.7-7. h,t-Diagramm für Abgase (nach Rosin und Fehling).

Daraus erhält man mit der Abgasmenge VA die theoretische Verbrennungstemperatur Hu - in °C. tv = -------------------C pm ⋅ V A

Theoretische Verbrennungstemperaturen für verschiedene Brennstoffe Bild 1.3.7-9. Die genaue Berechnung ist dadurch erschwert, dass bei Temperaturen oberhalb ≈1500 °C CO2 und H2O unter Bindung von Wärme zerfallen, so dass die Temperaturen geringer werden (Dissoziation). Für praktische Rechnungen genügt es jedoch häufig, eine mittlere Zusammensetzungder Abgase anzunehmen, deren spezifische Wärme dann nur von der Temperatur unddem Luftgehalt abhängt. Hierauf beruht die Konstruktion des h, t-Diagramms, das den Wärmeinhalt je m3 Abgas in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Luftgehalt angibt (Bild 1.3.7-7). Man bestimmt zunächst den Wärmeinhalt der Abgase nach der Formel Hu H h = ----------------------------------------------- = -----u- kJ/m3 V Amin + ( λ – 1 )L min VA

und den Luftgehalt der Abgase l=

( λ – 1 )L min ( λ – 1 )L min ----------------------------------------------- = -------------------------V Amin + ( λ – 1 )L min VA

und kann dann aus dem Diagramm sofort die theoretische Verbrennungstemperatur ablesen. Umgekehrt kann bei bestimmter Temperatur der Wärmeinhalt der Abgase in kJ/ m3 ermittelt werden. In den wirklichen Feuerungen ist die Flammtemperatur infolge Strahlung der Flammen und Wärmeverluste geringer als der theoretische Wert und au-

DVD 304

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

ßerdem sehr unterschiedlich (Tafel 1.3.7-8). Die Dissoziation ist in dem Diagramm bereits berücksichtigt. Beispiel: Verbrennung von Stadtgas mit Hu = 20900 kJ/m3 (5,81 kWh/m3). Anfangstemperatur t1 = 20°, λ = 1,3. Wie groß ist die theoretische Verbrennungstemperatur tv? Lmin

0 ,260 ⋅ 20000 = --------------------------------– 0,25 = 5,18 m3/m3 (Tafel 1.3.7-6). 1000

0 ,272 ⋅ 20900 VAmin = --------------------------------+ 0,25 = 5,93 m3/m3 1000 20900 = ---------------------------------------- = 2792 kJ/m3 5 ,93 + 0 ,3 ⋅ 5 ,18

h

0 ,3 ⋅ 5 ,18 l = ---------------------------------------- = 0,21 5 ,93 + 0 ,3 ⋅ 5 ,18

Verbrennungstemperatur tv = 1700 + 20 = 1720 °C aus h,t-Diagramm. Die Werte für Lmin und VA können auch aus Bild 1.3.7-3 entnommen werden. Tafel 1.3.7-8

Mittlere Verbrennungstemperatur in Feuerungen

Bild 1.3.7-8. Mittlere spez. Wärme von trockenen Abgasen und von Wasserdampf zwischen 0 und t °C.

Bild 1.3.7-9. Theoretische Verbrennungstemperaturen verschiedener Brennstoffe.

-5

Abgasprüfung

Aus der Zusammensetzung der Abgase kann man die Güte der Verbrennung beurteilen. Daher wird in gut geleiteten Feuerungen die Zusammensetzung der Abgase durch besondere Meßinstrumente laufend überwacht. Die günstigste Luftzahl ist diejenige, bei der die geringsten Wärmeverluste auftreten. Größter CO2-Gehalt der Abgase ist nicht am günstigsten, da dabei auch meist CO auftritt. Im allgemeinen ist

1.3.7 Verbrennung

305 DVD

bei Gasgebläsefeuermengen λ = 1,1…1,3 bei atmosphärischen Gasbrennern λ = 1,25…1,5 bei Ölfeuerungen λ = 1,2…1,5 bei Kohlenstaubfeuerungen λ = 1,2…1,3 bei mechanischen Kohlefeuerungen λ = 1,3…1,5 bei handbeschickten Kohlefeuerungen λ = 1,5…2,0 Wirkungsgrade der Verbrennung und Wärmeverluste s. Abschn. 2.3.1-2.6 s. S. 818.

-5.1

Vollkommene Verbrennung

Bei vollkommener Verbrennung enthalten die trockenen Abgase nur CO2, SO2 und N2. Bei festen und flüssigen Brennstoffen, bei denen der Schwefeldioxid- und Stickstoffgehalt praktisch zu vernachlässigen ist, berechnet sich die Luftzahl λ aus dem Kohlendioxidgehalt CO2 der Abgase nach folgender Gleichung: tr

CO 2 max ⎞ V Amin λ = 1 + ⎛⎝ ------------------ – 1 ------------⎠ L min CO 2

CO2 CO2max VtrAmin Lmin

= Kohlendioxidgehalt der Abgase = maximaler Kohlendioxidgehalt der Abgase = theoretisches trockenes Abgasvolumen m3/kg = theoretische Luftmenge m3/kg

Da bei den festen Brennstoffen VAmin ≈ Lmin ist, ist annäherungsweise auch CO 2 max - . λ = -----------------CO 2

Bei Heizöl EL CO 2 max ⎞ λ = 1 + ⎛⎝ ------------------ – 1 0,93…0,97. ⎠ CO 2

Bei Heizgasen schwankt der Wert VtrAmin/Lmin je nach Zusammensetzung des Gases zwischen 0,9 und 1,9, so dass immer mit der genauen Formel zu rechnen ist. Bei Stadt- und Erdgas kann man 0,9…1,0 annehmen. Für Gase mit Stickstoffgehalt allgemein gültig ist die Gleichung O2 ⋅ VN ⎞ 21 - ⎛ 1 + --------------------λ = -----------------------------------21 – 79 O 2 ⁄ N 2 ⎝ N 2 ⋅ O min⎠

VN = Stickstoffanteil des Brenngases in m3/m3 O2 = O2-Gehalt der Abgase in m3/m3 N2 = N2-Gehalt der Abgase in m3/m3 Bildliche Darstellung in Bild 1.3.7-10.

Bild 1.3.7-10. Luftzahl λ und O2-Gehalt in Abhängigkeit vom CO2-Gehalt der Abgase bei verschiedenen Brennstoffen und bei vollkommener Verbrennung.

DVD 306

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Der maximale CO2-Gehalt CO2max der trockenen Abgase ergibt sich bei den verschiedenen Brennstoffen aus 1 ,87 c 1 ,87 c - = ------------------------------------------------------ . CO2max = ---------------------------------------------1 ,87 c + 0 ,79 ⋅ L min 8 ,86 c + 21 h – 2 ,6 ⋅ o

Bei reinem Kohlenstoff (c = 1, h = 0, o = 0) ist CO2max = 0,21, sonst bei festen und flüssigen Brennstoffen immer geringer (Bild 1.3.7-14). Beispiel: Die Abgase eines Heizöls haben einen Kohlendioxidgehalt von 11%. Wie groß ist die Luftzahl λ und wie ist die Zusammensetzung der trockenen Abgase? Aus Bild 1.3.7-10 und Bild 1.3.7-14: λ = 1,40 und O2 = 6,2%. Zusammensetzung der Abgase: 11,0 CO2 + 6,2 O2 + 82,8 N2 100%.

-5.2

Unvollkommene Verbrennung

Bei unvollkommener Verbrennung, die bei Luftmangel oder schlechter Mischung der Brenngase mit Luft oder bei Unterkühlung der Brenngase eintreten kann, enthalten die Abgase auch noch unverbrannte Bestandteile, insbesondere Kohlenoxyd CO und H2 sowie Ruß. Wegen des großen Heizwertes des CO bedeutet ein auch nur geringer CO-Gehalt der Gase bereits einen erheblichen Wärmeverlust. Deshalb ist die CO- und auch H2Messung der Abgase von Feuerungen ein wichtiges Mittel zur Betriebsüberwachung. Die Gleichung für die Luftzahl λ lautet: ( CO 2 + CO ) ⋅ 100 CO 2 max – ------------------------------------------------------tr 100 – 0 ,5 CO – 1 ,5 H 2 V Amin λ = 1 + ----------------------------------------------------------------------------------- ⋅ -------------( CO 2 + CO ) ⋅ 100 L min ------------------------------------------------------100 – 0 ,5 CO – 1 ,5 H 2

Bei vollkommener Verbrennung geht sie in die dafür geltende Gleichung über. Vorschriften nach dem Immissionsschutzgesetz s. Abschn. 2.3.1-2.6 s. S. 818.

-5.3

Verbrennungsdreiecke

Eine übersichtliche Darstellung der Rauchgaszusammensetzung lässt sich durch Abgasdreiecke (Verbrennungsdreiecke) erreichen, von denen es mehrere Arten gibt. Aus dem Ostwald-Dreieck, das für jeden Brennstoff getrennt aufgezeichnet werden muss, lässt sich, abhängig vom CO2- und O2-Gehalt der Rauchgase, der CO-Gehalt und die Luftzahl λ ablesen. Auch zur Kontrolle der Abgasanalysen kann es verwendet werden. Auf der Ordinate ist der Betrag CO2max, auf der Abszisse der Betrag O2 = 0,21 aufgetragen. Die CO-Linien laufen parallel zur Hypotenuse. Beispiele s. Bild 1.3.7-11 bis Bild 1.3.7-13.

1.3.7 Verbrennung

307 DVD

Bild 1.3.7-11. Verbrennungsdreieck nach Ostwald für Erdgas (Groningen).Bei O2 = 3,5% und CO2 = 9,8% ist λ = 1,18.

Bild 1.3.7-12. Verbrennungsdreieck nach Ostwald für Heizöl EL (CO2max = 15,5%). Bei CO2 = 11% ist die Luftzahl λ = 1,43 bei vollkommener Verbrennung.

DVD 308

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.7-13. Verbrennungsdreieck nach Ostwald für Fett- und Gaskohle (CO2max = 18,6%).

Beispiel: Orsat-Analyse bei Steinkohle CO2 = 13%, O2 = 6% ergibt CO = 0,5% Luftzahl λ = 1,38. Beim Bunte-Dreieck, das für beliebige Brennstoffe gilt, liegt der Meßpunkt bei vollkommener Verbrennung auf der unter 45° durch den Nullpunkt gehenden Geraden (Bild 1.3.7-14). Bei unvollkommener Verbrennung Meßpunkt links von der Geraden. Bei Meßpunkten rechts von der Geraden Meßfehler. Beispiel: Verbrennung von Heizöl EL. Nach Bild 1.3.7-14: CO2max = 15,5%. Bei CO2 = 10% ist O2 = 7,4%. λ = CO2max/CO2 = 1,55.

-6

Zündtemperatur und Zündgrenzen

Die Entzündung eines Gemisches von Brennstoff und Luft erfolgt nur oberhalb einer gewissen Temperatur, die man Zündtemperatur (Selbstentzündungspunkt) nennt. Sie hängt von vielen äußeren und inneren Bedingungen ab und ist daher kein konstanter Wert. Bei Gasen und Dämpfen unterscheidet man außerdem eine obere und untere Zündgrenze (Explosionsgrenze). Entzündung des Gemisches erfolgt nur innerhalb dieser Grenzen (Tafel 1.3.7-9 bis Tafel 1.3.7-11).

1.3.7 Verbrennung Tafel 1.3.7-9

Zündtemperatur von Brennstoffen in Luft (Mittelwerte)

Tafel 1.3.7-10 Zündbereiche und Zündtemperaturen der wichtigsten technischen Gase und Dämpfe in Luft bei 1,013 bar

309 DVD

Tafel 1.3.7-11 Zündbereiche, Flammpunkte und Zündtemperatur der wichtigsten Lösemittel

DVD 310 1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

1.3.7 Verbrennung

311 DVD

Zündgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Verbrennung in einem Gemisch fortpflanzt. Sie ist mit der Zusammensetzung des Gemisches veränderlich und hat innerhalb der Zündgrenzen ein Maximum. Im Gemisch mit Sauerstoff ist die Zündgeschwindigkeit 5- bis 12mal größer als im Gemisch mit Luft. Zahlenwerte bei laminarer Strömung Bild 1.3.7-15. Bei hoher Zündgeschwindigkeit leicht Zurückschlagen der Flamme, z.B. bei Ferngas mit hohem H2-Gehalt. Bei geringer Zündgeschwindigkeit leicht Abheben der Flamme vom Brenner. Zwischen diesen Grenzen liegt der stabile Brennprozeß.

Bild 1.3.7-14. Bunte-Dreieck mit CO2max-Werten für verschiedene Brennstoffe.

Bild 1.3.7-15. Zündgeschwindigkeit von Gasen in Luft.

Erdgas enthält keinen freien Wasserstoff und hat daher eine wesentlich geringere Zündgeschwindigkeit als Stadtgas oder Ferngas. Flammpunkt einer Flüssigkeit (Tafel 1.3.7-11) ist im Gegensatz zum Zündpunkt die niedrigste Temperatur, bei der durch eine Flamme die über der Flüssigkeitsoberfläche befindlichen Dämpfe entzündet werden können. Der Dampfgehalt der Luft über der Flüssigkeit muss also die untere Zündgrenze erreichen. Die gemessenen Werte sind je nach Versuchsbedingungen sehr unterschiedlich. Flüssige Brennstoffe sind nach ihrer Feuergefährlichkeit in drei Gefahrenklassen entsprechend dem Flammpunkt eingeteilt: Gefahrenklasse I II III Flammpunkt °C < 21 21–55 55…100. (Verordnung der Bundesregierung über brennbare Flüssigkeiten – VbF – vom 27.2.80)

-7

Katalytische Verbrennung1)2)3)

Bereits 1840 hat Davy eine katalytische Reaktion an der Festkörperoberfläche mit Platin beschichteter Drähte beobachtet. Dennoch fand dieses Themengebiet in der Heizungstechnik erst mit der zunehmenden NOx-Diskussion ein größeres Interesse. Der Katalysator ist ist ein Stoff, der durch seine Anwesenheit eine chemische Reaktion herbeiführt oder sie in ihrem Verlauf bestimmt, selbst aber unverändert bleibt. Bei der katalytischen Verbrennung dienen in der Regel die Elemente Palladium oder Platin als Katalysator. Um eine Vergrößerung der mikroskopischen Reaktionsfläche zu erreichen,

1) 2) 3)

Neubearbeitung erfolgte durch Frau Dr.-Ing. Seonhi Ro, Remscheid, für die 68. Auflage. Schlegel, A.: Experimentelle und numerische Untersuchung der NOx-Bildung bei der katalytisch stabilisierten, mageren Vormischverbrennung. Promotion ETH Zürich 1994. Lamm, A.: Modellmäßige Beschreibung und Simulation eines Heizsystems mit keramischem Strahlungsbrenner. Berichte des Forschungszentrums Jülich 3044, 1994.

DVD 312

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

werden diese Elemente mit speziell aufbereiteten Aluminiumoxiden, dem sogenannten Wash Coat, vermischt, bevor sie auf das eigentliche Trägermaterial aufgebracht werden. Die Unterschiede zwischen einer katalytischen und einer homogenen Verbrennung werden Anhand des Bild 1.3.7-16 ersichtlich.

Bild 1.3.7-16. Funktionsprinzip und energetisches Verhalten der katalytischen Verbrennung.

Bei der homogenen Verbrennung ist zur Auslösung der chemischen Reaktion eine hohe Aktivierungsenergie Ea notwendig. Erst nach der Bereitstellung dieser Energiemenge wird durch die eintretende Reaktion die Energiemenge Ea + E freigesetzt und damit ein Energieüberschuß erzeugt. Daher ist für die homogene Verbrennung eine Mindesttemperatur notwendig, um diese aufrechtzuerhalten. Bei der katalytischen Verbrennung läuft die Oberflächenreaktion vereinfacht über drei Teilschritte ab: 1. Stofftransport der Edukte zur Katalysatoroberfläche und anschließende Adsorption 2. Umwandlung der adsorbierten Edukte in Produkte (chemische Reaktion) 3. Desorption der Produkte und Stofftransport von der Katalysatoroberfläche. Beim zweiten Vorgang wird ebenfalls Aktivierungsenergie für die katalytische Umsetzung benötigt. Sie ist jedoch nicht so hoch wie bei der homogenen Verbrennung, so dass ein niedrigeres Temperaturniveau ausreicht, diese Energiemenge bereitzustellen. Geringere Verbrennungstemperaturen ermöglichen aber zugleich auch die angestrebte geringere NOx-Bildung. Die Oberflächentemperatur des Katalysators ist bestimmend für die Reaktionsgeschwindigkeit (Bild 1.3.7-17). Im niedrigen Temperaturbereich ist die Oberflächenreaktionskinetik für den Reaktionsablauf bestimmend. Dabei kann es aber zu einer unvollständigen Verbrennung der Edukte kommen. Bei der rein katalytischen Verbrennung liegt in der Praxis die Katalysatortemperatur im mittleren Temperaturbereich, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit in der Regel durch den Stofftransport und somit vom Katalysatoraufbau kontrolliert wird.

1.3.8 Wärmekraftmaschinen

313 DVD

Bild 1.3.7-17. Reaktionsgeschwind igkeit in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur.

Bei genügend hohen Temperaturen wird auch das noch nicht reagierende Restgemisch über die homogene Verbrennung in der Gasphase umgesetzt. In einem solchen Fall wird die homogene Verbrennung durch die katalytische Verbrennung stabilisiert, beide Reaktionsvorgänge laufen parallel nebeneinander ab. Die homogene Flamme kann somit auch bei hohen Inertgasanteilen (Produkte aus katalytischer Verbrennung) stabil bleiben und ermöglicht somit auch geringere Temperaturen als die reine homogene Flamme. Dennoch kann eine Null-NOx-Emission, wie bei der katalytischen Verbrennung, nicht erreicht werden. Die Funktion der Katalysatoren kann während der Betriebszeiten durch sogenannte Katalysatorgifte verringert werden. Zu diesen Giften gehören neben vielen Schwermetallen auch Schwefel, welches beispielsweise bei der Odorierung des entschwefelten Erdgases vorkommen kann. Dabei lagern sich diese Stoffe in die Reaktionszentren des Katalysators an und „verstopfen“ diese.

1.3.8 -1

Wärmekraftmaschinen Kolbendampfmaschinen und Dampfturbinen

In den Dampfkraftmaschinen wird die Brennstoffenergie mittelbar mit Hilfe des in den Dampfkesseln erzeugten Wasserdampfes ausgenutzt. Bei den Kolbendampfmaschinen leistet der Dampf durch Ausdehnung in einem Dampfzylinder und Bewegung eines Kolbens Arbeit. In den Dampfturbinen wird die Dampfenergie zunächst in kinetische Energie (Geschwindigkeitsenergie) umgesetzt und diese in den Laufschaufeln der Turbinen in mechanische Arbeit verwandelt. Die Arbeit, die der Dampf in einer verlustlosen Maschine leistet, ist gleich der Abnahme seiner Enthalpie h (Wärmeinhalt). Ist h1 die Enthalpie des Dampfes beim Eintritt in die Maschine, h2 die Enthalpie beim Austritt, so ist die geleistete Arbeit L = h1 – h2. Den Betrag h1 – h2 nennt man auch das adiabatische Arbeitsgefälle. Im h,s-Diagramm ist es durch den senkrechten Abstand zwischen den Zustandspunkten des Dampfes vor und hinter der Maschine gegeben (Bild 1.3.8-1). Im Ts-Diagramm (Bild 1.3.8-2) stellt sich der theoretische Arbeitsprozeß der Dampfkraftmaschinen einschließlich der Vorgänge im Dampfkessel wie folgt dar: 1…2 Erwärmung des Wassers von Kondensator- auf Verdampfungstemperatur im Vorwärmer und Dampfkessel 2…3 Verdampfung des Wassers im Dampfkessel 3…4 Überhitzung des Dampfes im Überhitzer 4…5 Adiabate Expansion des Dampfes in der Dampfkraftmaschine 5…1 Kondensation des Dampfes im Kondensator und Abgabe der Verdampfungswärme an das Kühlwasser.

DVD 314

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.8-1. Dampfmaschinenprozeß im h,sDiagramm.

Bild 1.3.8-2. Dampfmaschinenprozeß im TsDiagramm.

Die von Dampf in Arbeit umgewandelte Wärme ist durch die schraffierte Fläche dargestellt, die aufgewendete Wärme durch die Fläche a 1 2 3 4 5 b. Man nennt diesen theoretischen Prozeß einen Clausius-Rankine-Prozeß und benutzt ihn als idealen Vergleichsprozeß zur Beurteilung der Güte ausgeführter Wärmekraftmaschinen. Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch: a) Zwischenüberhitzung des Dampfes (Bild 1.3.8-3) b) Speisewasservorwärmung mit Anzapfdampf (Bild 1.3.8-4) c) Höhere Drücke und Temperaturen, Luftvorwärmung u.a. Bild 1.3.8-3. Dampfmaschinenprozeß mit Zwischenüberhitzung des Dampfes (links).

Bild 1.3.8-4. Dampfmaschinen-prozeß mit Speisewasservorwärmer (rechts).

Der effektive Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der nutzbaren von der Maschinenwelle abgegebene Arbeit Pe zu der dem Dampf zugeführten Wärmemenge Q = h1 – hsp an. Dieser Wert ist für die praktische Beurteilung der Wärmeausnutzung einer Maschine maßgebend. Er kann durch Messung der Maschinenleistung und des Dampfverbrauches nachgeprüft werden. Weitere Verluste bei der Stromerzeugung werden durch den Generator- und Klemmenwirkungsgrad erfaßt. Im Vergleich mit anderen Maschinen benutzt man statt des Wirkungsgrades ηges meist den spezifischen Wärmeverbrauch q je kWh oder den spezifischen Dampfverbrauch d je kWh. Es ist: ------------ in kJ/kWh spezifischer Wärmeverbrauch q = 3600 η ges

spezifischer Dampfverbrauch d =

q 3600 --------------------------------- = -----------------h 1 – h sp η ges ( h 1 – h sp )

in kg/kWh.

1.3.8 Wärmekraftmaschinen

315 DVD

Bild 1.3.8-5. Vereinfachtes Schaltbild eines modernen Kraftwerkes mit vierstufiger Speisewasservorwärmung und Zwischenüberhitzung.

Moderne Dampfkraftwerke erreichen Frischdampfdrücke (am Eintritt der Turbine) von über 200 bar, teilweise auch Drücke oberhalb des kritischen Drucks (221 bar), bei Frischdampftemperaturen zwischen 500 °C und 580 °C. Ausführung mit 1–2stufiger Zwischenüberhitzung und mehrstufiger Vorwärmung (Bild 1.3.8-5). Großkraftwerke erreichen damit Gesamtwirkungsgrade um 40%.

-2

Verbrennungskraftmaschinen

Bei diesen Maschinen erfolgt die Verbrennung der Brennstoffe unmittelbar in der Maschine. Nach der Art der Verbrennung unterscheidet man Verpuffungs- und Gleichdruckmaschinen sowie Gasturbinen.

-2.1

Verpuffungsmaschinen (oder Ottomotoren)

Brennstoffe sind teils brennbare Gase, insbesondere Generatorgase, Gichtgase und Koksofengase, teils Leichtöle wie Benzin oder Benzol, die vor der Verbrennung durch Vergaser oder Einspritzung fein zerstäubt werden. Das angesaugte Brennstoff-Luftgemisch wird in dem Zylinder der Maschine durch elektrische Funken entzündet, wodurch die Verbrennungsgase bei fast gleichbleibendem Volumen explosionsartig auf hohen Druck und hohe Temperatur gebracht werden und bei der dann folgenden Expansion mechanische Arbeit durch Bewegung eines Kolbens leisten. Verdichtungsgrade bei Kraftwagen ε = 6…9. Einsatz der Gasmotoren heute vorwiegend als ortsfeste Anlagen zum Antrieb von Generatoren, Maschinen, Gebläsen usw., der Benzinmotoren in erster Linie im Kraftverkehr.

-2.2

Gleichdruck-Verbrennungsmaschinen (Dieselmotoren)

Bei diesen Maschinen wird im Gegensatz zu den Ottomotoren in die auf 30 bis 60 bar hochverdichtete Luft (550…600 °C) flüssiger Brennstoff so eingespritzt, dass die Verbrennung bei nahezu gleichem Druck erfolgt. Brennstoffe sind Mittelöle (Gasöle, Dieselöle). Der Hauptunterschied der Dieselmotoren gegenüber den Ottomotoren besteht darin, dass der Brennstoff in flüssigem und nicht in dampfförmigem Zustand in den Zylindereintritt und dass die Zündung nicht durch elektrische Funken, sondern durch Selbstentzündungin der hochverdichteten Luft erfolgt. Normale Verdichtungsgrade bei Kraftwagen ε =12 bis 20.

DVD 316

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Tafel 1.3.8-1

Gesamtwirkungsgrad εges sowie spezifischer Wärme- und Kraftverbrauch bei Brennkraftmaschinen

Der Arbeitsprozeß der Dieselmotoren verläuft bei höheren Temperaturen als der der Ottomotoren, daher höhere Wirkungsgrade. Gesamtwirkungsgrade bis über 40%. Dieselmotoren werden sowohl im Kraftverkehr als auch in ortsfesten Anlagen eingesetzt. Gesamtwirkungsgrade von Otto- und Dieselmotoren s. Tafel 1.3.8-1. Im Teillastbetrieb stark fallende Wirkungsgrade. Faustformel: Der eingesetzte Brennstoff ergibt etwa zu je einem Drittel mechanische Arbeit, Wärme im Abgas, Wärme im Kühler.

-2.3

Gasturbinen

Bei den Gasturbinen (Verbrennungsturbinen) geben die bei der Verbrennung von Brennstoffen (Gas, Öl) entstandenen heißen Verbrennungsgase durch Ausdehnung die Energie an die Schaufeln der Turbine ab, die einen Generator antreibt. Hauptbestandteile einer vollständigen Gasturbinenanlage sind Verdichter (meist mehrstufiger Axialverdichter), Brennkammer (meist ringförmig) und Turbine. Turbine treibt den Verdichter an, beide sitzen auf gemeinsamer Welle. Im pv- und Ts-Diagramm (Bild 1.3.8-6 und Bild 1.3.8-7) verläuft der ideale Arbeitsprozeß wie folgt: 1…2 adiabate Verdichtung (oder isothermische Verdichtung 1…2′) der Luft im Verdichter von p1 auf p2 2…3 Verbrennung bei konstantem Druck p2 in der Brennkammer 3…4 adiabate Ausdehnung der Verbrennungsgase von p2 auf p1 in der Gasturbine 4…1 Austritt der Verbrennungsgase ins Freie. Die schraffierte Fläche ist die Nutzarbeit. Praktisch erreichbare Wirkungsgrade bei 600 °C Gastemperatur bei 800 °C Gastemperatur

ohne mit Abgaswärmeausnutzung ca. 20% ca. 30%

ca. 25 bis 30% ca. 35 bis 40%

Ausführungsformen: Offener Kreislauf. Luft wird aus dem Freien angesaugt und im Verdichter auf 3 bis 8 bar Überdruck verdichtet, Verbrennung in der Brennkammer mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen bei etwa 1500 °C, Eintrittstemperatur in Turbine 600…800 °C, Entspannung und Arbeitsleistung in der Turbine (Bild 1.3.8-8). Etwa 2/3 der Leistung werden im Verdichter verbraucht. Verbesserung des Wirkungsgrades durch Vorwärmung der Luft in einem Wärmeaustauscher, der durch die Abgase der Turbine beheizt wird.

1.3.8 Wärmekraftmaschinen

317 DVD

Bild 1.3.8-6. Gasturbinenprozeß im pv-Diagramm.

Bild 1.3.8-7. Gasturbinenprozeß im Ts-Diagramm.

Bild 1.3.8-8. Schema einer offenen Gasturbine. a = Anwurfmotor b = Generator

Bild 1.3.8-9. Schema einer geschlossenen Gasturbine (Heißluftturbine). A = Anwurfmotor G = Generator K = Kühler WA = Wärmeaustauscher

Geschlossener Kreislauf (Heißluftturbinen). Luft oder andere Gase, wie z.B. Helium, von 10 bis 30 bar laufen in einem geschlossenen Kreislauf um. Erhitzung der Luft in besonderen Heizkesseln mit beliebigen Brennstoffen. Entspannung in der Turbine, Verdichtung im Verdichter (Bild 1.3.8-9). Ein Teil der Abwärme wird an Kühlwasser abgegeben. Abgasturbinen werden bei Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Verdichtern benutzt, um den Motoren eine höhere Leistung zuzuführen (Abgasturbolader). Abgastemperaturen bis 1100 °C. Offene Gasturbinen am häufigsten gebaut. Fast alle flüssigen und gasförmigen Brennstoffe verwendbar. Größe bis etwa 150 MW. Vorteile: Geringe Anfahrzeit, 10…20 min; geringer Raumbedarf (kein Kesselhaus); kein Speisewasser, geringe Bedienungskosten; geringer Kühlwasserverbrauch für Öl- und Luftkühlung; geringe Anschaffungskosten. Nachteile: Geräusche; geringer thermischer Wirkungsgrad, etwa 25…30%, bei Teillast stark fallend. Verwendung besonders: zur Spitzenlastdeckung, als Notstromaggregat, als Zusatzkraftmaschine. Wirtschaftliche Bedeutung gewinnen neuerdings die kombinierten Gasturbinen-Dampfkraftwerke (GUD-Kraftwerke), Bild 1.3.8-10. Das mit ca. 450 °C aus der Turbine austretende Abgas befeuert ohne weiteren Brennstoffaufwand einen Dampfkessel, dessen Dampf einen Generator antreibt. GUD-Kraftwerke erreichen derzeit Wirkungsgrade bis 50%. Eine weitere Steigerung der Wirkungsgrade von bis zu 60% ist vor allem durch weitere Optimierung der Gasturbinen in den nächsten Jahren zu erwarten. Bei Verwendung in Heizkraftwerken Abkühlung der Rauchgase bis auf etwa 100 °C. Beispiel s. Abschn. 2.2.3 s. S. 721.

DVD 318

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

Bild 1.3.8-10. Kombiniertes Gasturbinen-Dampfkraftwerk.

1.3.9

Brennstoffzellen1)

Brennstoffzellen haben hohe elektrische Wirkungsgrade bei geringen Emissionen. Seit Mitte der 90er Jahre werden wieder verstärkt sowohl mobile als auch stationäre Anwendungen weiterentwickelt.

-1

Funktionsprinzip

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in Elektrizität und Wärme um. Das Funktionsprinzip ist die Umkehrreaktion der Elektrolyse und ist in Bild 1.3.9-1 beispielhaft dargestellt: Wasserstoffgas spaltet sich an der katalytisch aktiven Schicht der Anode zu Protonen (H+) und Elektronen (e–) auf. Die H+ gelangen durch den protonenleitenden Elektrolyten zur Kathode, die Elektronen verrichten im äußeren Stromkreis elektrische Arbeit und gelangen danach an die Kathode. Dort reagieren H+ und e– mit Sauerstoff zu Wasser. Zwischen Anode und Kathode entsteht eine Spannung, die im Ruhezustand ca. 1V beträgt. Mit steigender Stromdichte sinkt diese Spannung, während die Leistung zunächst steigt. Höhere Spannungen können durch das serielle Verschalten einzelner Zellen zu Zellstapeln (Stacks) erreicht werden.

Bild 1.3.9-1. Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle mit protonenleitendem Elektrolyten.

-2

Bild 1.3.9-2. Strom-Spannungs-Kennlinie.

Typen

Die fünf Brennstoffzellentypen werden nach dem eingesetzten Elektrolyten benannt. Dieser bestimmt auch die Betriebstemperatur, da die verschiedenen Materialien erst bei un1)

Neubearbeitung von Dr.-Ing. Gesine Arends, Gerlingen, für die 70. Auflage, Ergänzungen für die 71. und 72. Auflage.

1.3.9 Brennstoffzellen

319 DVD

terschiedlichen Temperaturen eine ausreichende Ionenleitfähigkeit erreichen. Niedertemperatur-Brennstoffzellen vertragen nur sehr geringe Mengen an CO im Brenngas, da CO den Elektrodenkatalysator deaktiviert. Je höher die Temperatur, desto unkritischer wird dieser Prozess. Hochtemperatur-Brennstoffzellen können CO sogar direkt als Brenngas verwenden. Die alkalische Brennstoffzelle benötigt hochreinen Wasserstoff und Sauerstoff. Neben einigen Versuchen im automobilen Einsatz wird ihre Zukunft hauptsächlich in Nischenanwendungen gesehen, deshalb wird sie hier nicht weiter betrachtet.1) Die PEFC kann in einer speziellen Ausführung auch direkt mit einem Methanol-Wasser-Gemisch betrieben werden und wird dann als DMFC bezeichnet (Direct Methanol Fuel Cell). Falls die Leistungsdichten noch erhöht werden können, kommt sie neben portablen Anwendungen auch für den Einsatz im Automobil in Betracht. Tafel 1.3.9-1

Brennstoffzellentypen Alkaline Fuel Cell AFC

Proton Exchange Membran Fuel Cell PEFC

Phosphoric Acid Fuel Cell

Molten Carbonate Fuel Cell

Solid Oxide Fuel Cell

PAFC

MCFC

SOFC

Elektrolyt

Kalilauge

Polymermembran

Phosphorsäure

Schmelzkarbonat

Keramik

Betriebstemperatur

60–90 °C

60–90 °C

180–200 °C

650 °C

750–1000 °C

el. WirkungsgradSystem

32–42% 55–60% (reines H2)

37–42%

50–55% mit 50–55% mit GUD > 60% GUD > 60%; Kleinsystem 30–50%

ca. 80%

ca. 80–90%

ca. 90%

H2 aus Erd-/ Bio-/Kohlegas

H2 aus Erd-/ H2, CO aus Bio-/Kohlegas Erd-/Bio-/ Kohlegas

H2, CO aus Erd-/Bio-/ Kohlegas

CO < 2%

Gasaufber. mit StackAbwärme

Gasaufber. teilweise intern

BHKW

KW, BHKW KW, BHKW

Gesamtnutzungsgrad Brennstoff

H2

Besonderheiten

hochreines CO < 100 ppm H2, O2

Anwendung Raummobil, BHKW fahrt, mobil Stand

-3

Raumfahrt, U-Boote, Feldtests mobil

Prototypen Kleinserie 2–5 kW,250 kW 200 kW sowie mobil (H2, Methanol)

Demonstration 300 kW, 2 MW

ca. 90%

Feldtests 1 kW, Demos 250 kW, bald: 2 MW

Systeme

Die grundlegenden Bestandteile eines stationären Systems sind Gasaufbereitung, Brennstoffzellenstapel, Transformator oder Wechselrichter ggf. mit Netzschutzeinrichtung, Wassermanagement, Kühlung/Wärmeübergabe, Regelung und ggf. Zusatzwärmeerzeuger. Für den netzunabhängigen Betrieb ist eine Batterie erforderlich, die den Leistungsbedarf der Peripherie (Pumpen, Gebläse/Verdichter, Steuerungseinrichtungen) beim Start

1)

Wegen potentiell niedriger Kosten wird die Technologie vereinzelt wieder aufgegriffen, z.B. www.astrisfuelcell.com, www.electricauto.com.

DVD 320

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

deckt. Zu Forschungszwecken existieren weiterhin Anlagen, die Wasserstoff über Elektrolyse mit Photovoltaik-Strom erzeugen, wodurch die Gasaufbereitung überflüssig würde. Stationäre Brennstoffzellen-Anlagen werden in Abwesenheit einer H2-Infrastruktur meist mit Erdgas betrieben. Die Nutzung von Kohle- oder Biogas (z.B. Klärgas) ist mit entsprechenden Reinigungsstufen ebenfalls möglich. Das entschwefelte Gas wird in katalytischen Reaktoren (oft insgesamt nach einem möglichen Verfahrensschritt „Reformer“ genannt) zunächst zu H2, CO und weiter zu H2 und CO2 umgesetzt. MCFC und SOFC können direkt mit CO betrieben werden, daher entfallen die aufwendigen weiteren Stufen. Es wird hier daran gearbeitet, die Umwandlung des Erdgases direkt in der Zelle durchzuführen. In Entwicklung befindet sich die katalytische Aufspaltung von CHn in C und H2, wobei das mit Kohlenstoff beladene Katalysatorbett periodisch regeneriert werden muss. Der Gesamtprozeß ist sehr schadstoffarm, insbesondere bezüglich der Emissionen von CO, NOx, und SOx. Geräuschemissionen entstehen lediglich durch die Peripherieaggregate (Verdichter).

Bild 1.3.9-3. Systemskizze einer stationären Brennstoffzellenanlage zur Strom- und Wärmeerzeugung (ohne Zusatzwärmeerzeuger und Prozeßdampfnutzung).

-4

Anwendungen

a) BHKW Der meistverbreitete und erste kommerziell erhältliche Typ ist mit über 150 Anlagen weltweit die 200kWel-PAFC der Firma ONSI. Die Technologie lässt jedoch keine drastische Senkung der derzeitigen Kosten von ca. 1100 $/kW erwarten, sodass sich die Entwicklungsanstrengungen auf andere Typen konzentrieren. Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen MCFC wurden in den USA für Kraftwerks- und Schiffsanwendungen erprobt. Das von MTU entwickelte kompakte 250kW-BHKW „Hot Module“ befindet sich auf dem Weg zur Serienproduktion. SOFC versprechen besonders hohe Wirkungsgrade durch Nutzung der heißen Abgase in Gasturbinen. Die dafür notwendige Technologie röhrenförmiger Zellen und Kombination mit einer Mikro-Gasturbine wurde von Siemens Westinghouse im 220kW-Maßstab demonstriert. Auch PEFC sollen als BHKW zum Einsatz kommen. 250kW-Anlagen von Alstom/ Ballard Generation Systems wurde bei Bewag und EnBW demonstriert. Die Abwärme hat jedoch eine zu niedrige Temperatur, um sie direkt zur Versorgung eines Nahwärmenetzes einzusetzen.

1.3.9 Brennstoffzellen

321 DVD

Bild 1.3.9-4. Systemschema der SOFC-Anlage von Sulzer Hexis (links), Brennstoffzellen-Heizgerät von Vaillant (rechts)*)**) *) **)

http: //www.hexis.ch http://www.vaillant.de

b) Hausenergieversorgung Für die Hausenergieversorgung werden sowohl Niedertemperatur-(PEFC) als auch Hochtemperatur (SOFC)-Systeme in Betracht gezogen. Sulzer Hexis hat basierend auf einem planaren SOFC-Konzept eine 1 kWel-Anlage entwickelt, die in Feldtests erprobt wurde und je nach Lastzustand >30% elektrischen Wirkungsgrad und >85% Gesamtnutzungsgrad erreichen soll. 2,5 kWth sind direkt auskoppelbar; darüberhinaus benötigte Wärmewird mit einem Zusatzbrenner erzeugt. Da der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich auf hoher Temperatur gehalten werden muss, sind lange Laufzeiten und damit kleine Leistung günstig. PEFC-Systeme existieren als Demonstrationsanlagen. Die Firma Vaillant führt seit 2001 Feldtests mit 4,6 kWel-Systemen in Mehrfamilienhäusern und Gewerbe durch. Projekte dieser Leistungsklasse gibt es auch bei Buderus und RWE Fuel Cells, während die Entwicklungen bei Viessmann und der European Fuel Cell GmbH mit 2 bzw. 1,5 kWel auch auf den Einfamilienhauseinsatz abzielen. Die Abwärmetemperaturen von PEFC sind für Heizungen geeignet. Optimierungspotentiale derzeitiger PEFC-Anlagen sind vor allem in Leistungsaufwand und Geräuschentwicklung der Peripherieaggregate (Gasverdichtung, Wechselrichter) und in der Gasaufbereitung (Kompaktheit, Dynamik) sowie der Systemintegration zu sehen. Weiterhin muss entweder die Stack-Lebensdauer erhöht oder die Kosten eines Stackwechsels reduziert werden. Bei der SOFC werden zum Zwecke der Kostensenkung neue Werkstoffe untersucht.

-5

Dimensionierung und Wirtschaftlichkeit

Die Anlagendimensionierung erfolgt nach Strom- und Wärmebedarfskennlinien wie bei konventionellen Kraftwärmekopplungs-Anlagen. Vorteile der Brennstoffzellentechnik sind potentiell kleinere Leistungen, hohe Stromzahlen sowie Modulation weitgehend ohne Wirkungsgradeinbuße. Beim Einsatz in der Hausenergieversorgung lassen sich durch wärmegeführte Betriebsweise die höchsten Primärenergieeinsparungen im Vergleich zu konventioneller Strom- und Wärmeerzeugung erzielen.1) Die Wirtschaftlich-

1)

C. Hutter, T. Krammer. Stationäre Anwendung von Brennstoffzellen in der Kraft-Wärme-Kopplung. Wasserstoff-Initiative Bayern, Februar 2000.

DVD 322

1. Grundlagen / 1.3 Wärmetechnische Grundlagen

keit richtet sich jedoch nach Gas- und Strompreisen incl. möglicher Steuervergünstigungen sowie Einspeisevergütung, sodass bei geringer Einspeisevergütung und Verwendung eines Wärmespeichers eine stromgeführte Betriebsweise günstiger sein kann. Denkbar ist auch der Betrieb durch EVU, die dezentral erzeugte Wärme und Strom verkaufen könnten. Verschiedene EVU beteiligen sich daher an Demonstrationsprojekten.

1.4.1 Strömung ohne Reibung

1.4

Strömungstechnische Grundlagen

1.4.1

Strömung ohne Reibung

-1

323 DVD

Ideale Flüssigkeit

Die Strömungslehre befaßt sich mit den Gesetzmäßigkeiten strömender Flüssigkeiten (Fluide). Zur Vereinfachung bei der Darstellung der Bewegungsvorgänge hat man den Begriff der idealen Flüssigkeit eingeführt, die reibungsfrei und inkompressibel gedacht ist. Unter Flüssigkeiten im weiteren Sinne sind dabei auch Luft und andere Gase verstanden, wobei die durch Druckunterschiede hervorgerufenen Dichteänderungen vernachlässigt werden. Eine reibungsfreie Flüssigkeit bewegt sich ohne Widerstände durch ein Rohr, und in der Strömung liegende Körper werden widerstandslos umflossen. Mathematisch ist die Strömung der idealen Flüssigkeit auch dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen unendlich klein gedachten Flüssigkeitsteilchen während des Strömungsvorganges zwar deformiert werden, sich aber nicht um ihre Achse drehen. Man nennt daher solche Strömungen auch drehungsfrei (Potentialströmung).

-2

Kontinuitätsgleichung

Aus dem Satz von der Erhaltung der Masse folgt für ein von der inkompressiblen Flüssigkeit durchströmtes Rohr (Bild 1.4.1-1): A1w1 = A2w2 A1 und A2 = Querschnittsfläche m2 w1 und w2 = Geschwindigkeit m/s.

Bild 1.4.1-1. Strömung in einem Rohr.

-3

Energiesatz

Strömt ein Flüssigkeitsteilchen mit dem Volumen v und der Masse m ohne Höhenänderung durch ein waagerechtes sich verengendes Rohr, so erhöht sich die Geschwindigkeit an der engsten Stelle von w1 auf w2. Nach den Grundsätzen der Dynamik ist der Zuwachs an kinetischer Energie gleich der von der angreifenden Kraft geleisteten Arbeit, also nach Bild 1.4.1-1: (p1 – p2) υ = m (w22 – w12) oder mit m = ρ (Dichte) υ 2 ρ p1 – p 2 = (w22 – w12) oder 2 ρ 2 p+ w = konstant (Bernoullische Gleichung) in Pa 2 p = s t a t i s c h e r D r u c k (Druck auf die Endfläche des Elements = Wanddruck)

ρ 2 w = dynamischer Druck oder Geschwindigkeitsdruck oder S t a u d r u c k in Pa 2 ρ 2 p+ w = pges = G e s a m t d r u c k 2 Die Summe des statischen Drucks p und des Staudrucks ρ/2 · w2 ist an allen Stellen bei der verlustfreien Strömung konstant. Geschwindigkeitsenergie kann also in Druckenergie und diese in Geschwindigkeitsenergie umgewandelt werden. Bei den wirklichen Strömungen ist jedoch dieser Vorgang, namentlich der erstgenannte, mit Verlusten verbunden.

DVD 324

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Beispiel: Wie hoch ist der Druck p2 an der engsten Stelle des von Luft durchströmten Rohres in Bild 1.4.1-1, wenn p1 = 1 bar = 100000 Pa, w1 = 10 m/s, w2 = 20 m/s = 2 w1? (υ = 1,20 kg/m3) p1 – p 2 = p2

ρ (w22 – w12) 2

= p1 –

ρ (4 w12 – w12) 2

= p1 –

ρ 3 w12 2

,20 ⋅ 3 ⋅ 100 - Pa = 100000 Pa – 1------------------------------2

= 99820 Pa Aus dem Druckunterschied lässt sich die Geschwindigkeit und damit die durchfließende Menge bestimmen. Prinzip des Venturirohres. Weitere Beispiele sind Zerstäuber, Bunsenbrenner, Strahlpumpe.

-4

Kreisströmung

Bewegt sich eine reibungsfreie Flüssigkeit im Kreis, so wird durch die Zentrifugalkraft 2

w - ein nach außen zunehmender Druck erzeugt. m ----r

Infolge dieser Druckverteilung nimmt nach der Bernoullischen Gleichung die Geschwindigkeit nach außen ab und folgt der Gleichung rw = konstant (Bild 1.4.1-2). Für r = 0 (Strömung im Zentrum eines Wirbels) ergibt sich also eine unendlich hohe Geschwindigkeit ( P o t e n t i a l - W i r b e l ) . Bei der wirklichen Strömung tritt diese unendlich hohe Geschwindigkeit nicht auf, sondern die Flüssigkeit bewegt sich in der Nähe der Wirbelachse wie ein fester Körper (w/r = konst). In gewisser Entfernung vom Kern trifft jedoch das obige Gesetz rw = konstant mit guter Annäherung zu. Die Druckzunahme in radialer Richtung ist 2

Δ pρw-----= --------. Δr r

Diese Gleichung wird benutzt, um angenähert die Druckänderung z.B. bei Strömung von Luft in einem Bogen zu errechnen. Beispiel: Luft strömt mit 12 m/s mittlerer Geschwindigkeit in dem Bogen nach Bild 1.4.1-3. Wie groß ist der Druckunterschied zwischen der inneren und äußeren Begrenzung? Druckunterschied Δp ≈ Δr · ρ · w2/r ≈ 0,2 · 1,20 · 122/0,5 = 69 Pa

Bild 1.4.1-2. Geschwindigkeitsverteilung bei Kreisströmung.

Bild 1.4.1-3. Kreisströmung.

1.4.1 Strömung ohne Reibung

-5

325 DVD

Strömungsbilder

Bei vielen Strömungsfiguren lassen sich die Geschwindigkeits- und Druckverhältnisse an allen Stellen der Strömung genau errechnen. Die Mathematik bedient sich hierzu der Potentialtheorie. Bei einer reibungs- und drehungsfreien Strömung (Potentialströmung) gibt es nämlich für das ganze Gebiet eine Potentialfunktion ϕ der Art, dass die Geschwindigkeit ϕin irgendeiner Richtung gleich der Ableitung d-----ist. dx

Beispiel: Einfache Potentialströmungen sind z.B. die Parallelströmung und die Quelle (Bild 1.4.1-4). Durch Übereinanderlagerung beider Strömungen entsteht wieder eine Potentialströmung, die der Strömung um einen vorn abgerundeten Widerstandskörper entspricht. Richtung und Geschwindigkeit lassen sich an jeder Stelle der Strömung genau berechnen.

Bild 1.4.1-4. Reibungsfreie Strömung.

-6

Impulssatz

Impuls I = Masse · Geschwindigkeit = m · w in kg · m/s. Der Impulssatz der Mechanik (Kraft P = m dw/dt = dI/dt = Zunahme des Impulses I) gilt für die Flüssigkeit in der Form: Die Differenz der in ein abgeschlossenes Raumgebiet einund austretenden Impulse I1 und I2 ist mit den äußeren Kräften P im Gleichgewicht: P = I2 – I1. Beispiel 1: · Strömung eines Luftstrahls V = 0,1 m3/s mit einer Geschwindigkeit w = 10 m/s gegen eine Platte. Wie groß ist der Strahldruck (Bild 1.4.1-5)? · Eintretender Impulsstrom I1 =V · ρ · w in N Austretender Impulsstrom I2 = 0 (in waagerechter Richtung) Daher äußere Kraft, die dem Strahldruck das Gleichgewicht hält: · P = I2 – I1 = – V · ρ · w = – 0,1 · 1,20 · 10 Newton = – 1,20 N

Bild 1.4.1-5. Strömung gegen eine Platte.

Bild 1.4.1-6. Stoßverlust bei Querschnittsvergrößerung.

Beispiel 2: Strömung einer Flüssigkeit in einem Rohr mit plötzlicher Erweiterung nach Bild 1.4.1-6 (Stoßdiffusor)1). Die strömende Masse m = ρw1A1 = ρw2A2 ist konstant. Druckanstieg nach Bernoulli: Δp1 = ρ/2 (w12 – w22)

1)

Regenscheit, B.: HLH 9/79. Siehe 319/24

DVD 326

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Druckanstieg nach dem Impulssatz: Δp2 = mΔw = ρw2 (w1 – w2) Die Differenz ist der Carnot-Bordasche Stoßverlust: Δpυ = Δp1 – Δp2 = ρ/2 · (w1 – w2)2 Die Länge der Ausgleichstrecke, nach der die Strömung den vollen Querschnitt wieder ausfüllt und bei der der Druckanstieg abgeschlossen ist, beträgt annähernd L ≈ 10 · ( A 2 – A 1 )

-7

Strömung durch ein Schaufelgitter

Das Schaufelgitter, bestehend aus mehreren nebeneinander liegenden feststehenden Schaufeln beliebiger Form, wird von Luft durchströmt (s. Bild 1.4.1-7). Der auf das Gitter ausgeübte Druck lässt sich nach dem Impulssatz berechnen, wenn man als abgeschlossenes Gebiet die gestrichelte Fläche annimmt. In Richtung der x-Achse ergibt sich: · Eintretender Impulsstrom I1 = V· · ρ · w1x Austretender Impulsstrom I2 = V· · ρ · w2x Daher Kraft auf Gitter Px = V · ρ (w2x – w1x). Die Kraft in der Gitterrichtung ist also proportional der Differenz der Geschwindigkeitskomponenten in dieser Richtung.

-8

Impulsmomentensatz

Drehmoment ist das Produkt aus Kraft und Hebelarm (Nm). Impulsmoment oder Drall ist das Produkt aus Impuls und Hebelarm (kg m2/s). Der Impulsmomentensatz lautet: Das Drehmoment M der äußeren Kraft ist gleich der Änderung des Impulsmomentes. Beispiel: Anwendung auf Laufrad eines Radialventilators oder einer Pumpe ergibt das Drehmoment M der äußeren (treibenden) Kraft (Bild 1.4.1-8): · M = V · ρ (c2u · r2 – c1u · r1) in Nm. Nach Multiplikation mit der Winkelgeschwindigkeit ω ist die Leistungsaufnahme des Rades · M ω = V · ρ (c2u · u2 – c1u · u1) in Nm/s oder Watt. Bei verlustloser Strömung muss · dieser Betrag gleich der abgegebenen Leistung, d.h. dem Produkt aus Volumenstrom V und Gesamtdruckdifferenz Δp sein, also · · M ω = V Δp = V ρ (u2c2u – u1c1u) in Nm/s oder Watt Förderdruck Δp = ρ (u2c2u – u1c1u) in N/m2(Eulersche Gleichung, Euler 1755) oder mit Berücksichtigung der trigonometrischen Zusammenhänge in den Geschwindigkeitsdreiecken nach Bild 1.4.1-8 mit w2 = u2 + c2 – 2uc cos α = u2 + c2 – 2ucu ρ ρ --- (c22 – c12) + --- (u22 – u12) + --- (w12 – w22) Förderdruck: Δp = ρ 2 2 2

Bild 1.4.1-7. Strömung durch ein Schaufelgitter.

Bild 1.4.1-8. Impulsmomentensatz bei Radialventilatoren.

1.4.2 Ausfluß aus Öffnungen

327 DVD

Der erste Term ist die Änderung des dynamischen Drucks, der zweite und dritte Term gibt die Erhöhung des statischen Drucks. Da bei Axialmaschinen u1 = u2, entfällt der zweite Term und statischer Druck wird nur aus der Verzögerung der Relativgeschwindigkeiten w erzeugt. Radialventilatoren erzeugen also unter vergleichbaren Bedingungen mehr statischen Druck als Axialventilatoren. Bei letzteren werden am Austritt daher öfter Diffusoren vorgesehen, um dynamischen Druck in statischen umzuwandeln.

1.4.2

Ausfluß aus Öffnungen

Für w1 = 0 folgt bei kleinen Druckunterschieden aus der Bernoullischen Gleichung p1+

ρ ρ w 2 = p2 + w 2 die theoretische Ausflußgeschwindigkeit 2 1 2 2

w2 = w =

2 ( p1 – p2 ) ------------------------- = ρ

2 Δp ----------- in m/s ρ

und der ausfließende Massenstrom M beim Querschnitt A M w Δp A

= Aw ρ = A 2 Δ p ⋅ ρ kg/s = Ausflußgeschwindigkeit m/s = p1 – p2 = Wirkdruck N/m2 = Querschnitt m2

Beispiel: In Luft von 20°C und 1 bar ist ρ = 1,2 kg/m3 und w=

2Δp ---------- = ρ

2 ⋅ Δp------------= 1,29 1 ,2

Δp in m/s.

Die wirkliche Ausflußmenge stimmt mit der theoretischen infolge Strahleneinschnürung und sonstiger Abweichungen (Verluste) nicht überein. Man berücksichtigt diese Abweichungen durch Einführung der Durchflußzahl α und erhält für den wirklich ausströmenden Massenstrom:

·

M = α A w ρ = αA 2 ⋅ Δ p ⋅ ρ in kg/s. Diese Gleichungen gelten nur für konstante Dichte, also für Flüssigkeiten und für Gase bei geringen Druckunterschieden vor und hinter der Öffnung. Bei Gasen oder Dämpfen mit höheren Druckunterschieden ist noch die Expansion zu berücksichtigen, was durch Einführung der Expansionszahl ε erfolgt. Dann ist also

·

M = εα A w ρ = εαA

2 Δ p ρ in kg/s

Zahlenwerte für α s. Tafel 1.4.3-1. Beispiel: Wieviel Leuchtgas (ρ = 0,5 kg/m3) strömt stündlich durch eine gut abgerundete Öffnung von 1 mm2 Querschnitt bei einem Überdruck von 300 N/m2? w=

2Δp ---------- = ρ

2 ⋅ 300--------------= 34,6 m/s. 0 ,5

Stündliches Volumen · V = A · w · 3600 = 1 · 10–6 · 34,6 · 3600 = 125 m3/h. Bei winkeligem Ausströmen aus dünnwandigen Kanälen oder Rohren nach Bild 1.4.1-9 ist

DVD 328

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Bild 1.4.1-9. Strömung aus einem Loch in einem dünnwandigen Rohr oder Kanal.

α = 0,62

p-------p ges

Der Austrittswinkel ist dabei

β = arc tg

2 p ---------- . ρ w2

Beispiel: Unter welchem Winkel β und wieviel Luft strömt aus der scharfkantigen Öffnung des Luftkanals in Bild 1.4.1-9? 2320, praktisch Re > 3000, ist die Strömung in geraden Rohren immer turbulent, bei Re < 2320 laminar. Die kritische Geschwindigkeit, bei der der Umschlag von der laminaren zur turbulenten Strömung erfolgt, ist für mehrere Flüssigkeiten und Durchmesser aus Bild 1.4.6-3 ersichtlich. Werte von υ für verschiedene Stoffe s. Tafel 1.4.7-1 bis Tafel 1.4.7-3, für Heizöle Bild 1.3.6-3.

Bild 1.4.6-2. Laminare und turbulente Strömung.

Bild 1.4.6-3. Kritische Geschwindigkeiten für Umschlag laminar/turbulente Strömung.

Einheit der dynamischen Zähigkeit ist η = 1 Pa · s = 1 kg/ms (= 10 P (Poise)). Einheit der kinematischen Zähigkeit ist υ = η/ρ = 1 m2/s (= 104 St (Stokes)). Zahlenangaben υ in cSt (Centistokes) sind gleich Zahlenangaben 106 υ in m2/s. Mit steigender Temperatur wird die Zähigkeit bei Flüssigkeiten geringer, da sie dünnflüssiger werden, bei Gasen dagegen größer. Um eine Flüssigkeit oder ein Gas durch ein Rohr zu fördern, ist zur Überwindung des an den Wandungen des Rohres auftretenden Reibungswiderstandes ein Druckunterschied Δp erforderlich nach der empirischen Gleichung --- w2 in N/m2 Δp = λ · --l- · ρ d 2

λ l

= Reibungszahl (dimensionslos); = Rohrlänge in m; ρ = Dichte in kg/m3

Den Druckunterschied je m Rohr nennt man auch das Druckgefälle R, so dass Δp = Rl in N/m2 R

--- w2 = --λ- ρ d 2

λ ist die sogenannte Reibungszahl, die sich als Funktion der Reynoldsschen Zahl Re darstellen lässt. Bei laminarer Strömung ist λ unabhängig von der Rauhigkeit des Rohres, wie man rechnerisch nachweisen kann, λ = 64/Re, und damit wird das Druckgefälle R = 32 · υ · ρ · w/d2 Der Druckverlust ist also proportional der Geschwindigkeit (Gesetz von Hagen-Poisseuilles).

1.4.7 Reibungszahl

333 DVD

Beispiel: Wie groß ist bei 15 °C das Druckgefälle R in einer Heizölleitung von d = 8 × 1 mm, wenn die Geschwindigkeit w = 0,1 m/s ist? υ = 6 · 10–6 m2/s. ρ = 860 kg/m3. 32 ⋅ 6 ⋅ 860 ⋅ 0 ,1 - = 460 N/(m2·m) = 460 Pa/m = 4,6 mbar/m. = -------------------------------------6 2 10 ⋅ 0 ,006 Bei turbulenter Strömung und glatten Rohren ist λ = 0,3164/4 Re (nach Blasius für Re > 2 · 103). Bei rauhen Rohren hängt λ außerdem von der relativen Rauhigkeit der Rohre ε/d ab, wobei ε die in mm gemessene absolute Rauhigkeit der Rohrwandungen ist. Für gewöhnliche Rohre ist λ bei gleicher Reynoldsscher Kennzahl Re desto größer, je kleiner der Durchmesser ist. Die Reibungszahl λ kann berechnet werden1), so dass es nicht mehr nötig ist, empirische Formeln zu verwenden. Die von Nikuradse, Prandtl, Kármán, Moody und Colebrook für λ angegebenen Werte sind graphisch in Bild 1.4.6-4 dargestellt. Dabei sind drei Strömungsgebiete unterschieden:

R

1 - = 2,0 lg (Re λ /2,51) Strömung im glatten Rohr: -----λ (λ hängt nur von der Reynoldsschen Kennzahl Re ab) 1 ε⁄d ε - = –2 lg ⎛ ----------⎞ =1,14 – 2 lg --Strömung im rauhen Rohr: -----⎝ 3 ,71⎠ d λ (λ hängt nur von der relativen Rauhigkeit ε/d ab)

Gleichung von Colebrook

1 ε ⁄ d + ------------2 ,51 ⎞ - = –2,0 lg ⎛ ---------Strömung im Übergangsgebiet: -----⎝ 3 ,71 Re λ⎠ λ (λ hängt sowohl von Re als auch ε/d ab) Die letzte Gleichung geht bei Re = ∞ in Gleichung 2, bei ε = 0 in Gleichung 1 über. Die Berechnung von λ in der dritten Gleichung ist in geschlossener Form nicht möglich. Mit Computern (z.B. PC) ist jedoch eine iterative Lösung wie folgt möglich: Auf der linken Seite der Gleichung 3 wird 1/ λ nach Gleichung 2 eingesetzt, wodurch eine erste Näherung von 1/ λ 1 entsteht. Dieser Wert wird wieder in Gleichung 3 auf der linken Seite eingesetzt und es folgt eine 2. Näherung usw. Die 3. Näherung für λ hat bereits einen Fehler < 3%, die 4. Näherung < 0,5% im gesamten rauhen und Übergangsbereich. Die Werte der Tafel 1.4.7-3 sind am zuverlässigsten und daher bei allen Berechnungen von Reibungszahlen zu benutzen. Dabei muss man allerdings die Größe der Rohrrauhigkeiten ε kennen, wodurch eine gewisse Unsicherheit entsteht. Einige Werte für ε sind in Tafel 1.4.7-4 angegeben. Die kinematische Zähigkeit υ kann aus Tafel 1.4.7-1 oder bei höheren Genauigkeitsanforderungen z.B. nach Glück2) approximiert werden. Bei Wellrohren ist λ nicht nur von der relativen Rauhigkeit abhängig, sondern auch von dem Verhältnis Rillenhöhe ε zum Rillenabstand3). Für ε = 0,15 (verzinktes Stahlrohr oder gefalzte Blechkanäle nach Tafel 1.4.7-4) kann aus Bild 1.4.6-4 die Reibungszahl λ für verschiedene Durchmesser abhängig von Re abgelesen werden. Zwecks noch weiterer Vereinfachung sind für drei strömende Medien (Wasser von 80 °C, Dampf von 0,1 bar Überdruck, Luft von 20 °C) auf Hilfsabszissen an Stelle der Re-Werte die wd-Werte (Geschwindigkeit · Durchmesser in m2/s) aufgetragen, die sich leicht errechnen lassen.

1) 2) 3)

Kirschmer, O.: Reibungsverluste in geraden Rohrleitungen. MAN-Forschungsheft 1951. Siehe 81/ 95. Colebrook, C. F.: Journ. Inst. Civ. Engs. London 11 (1938/39), Siehe 133/56. Glück, B.: Zustands- und Stoffwerte, Wasser, Dampf, Luft. Berlin VEB-Verl. 1986. Kander, K.: HLH 7/74. Siehe 226/32.

DVD 334 Tafel 1.4.7-1

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen Kinematische Zähigkeit v von Luft, Wasser und gesättigtem Wasserdampf

Die Rohrreibungstafeln im „Rietschel-Raiss 1968/70“ sind mit ε = 0,045 mm für handelsübliche Stahlrohre (s. Tafel 1.4.7-4) berechnet. Bei nicht kreisförmigen Querschnitten rechnet man zur Ermittlung der Druckverluste mit dem hydraulischen Rohrdurchmesser ------- (A = Fläche, U = Umfang) dH= 4A U

Bei rechteckigen Kanälen mit den Seitenlängen a und b ist ⋅b ------------dH= 2a a+b

Die Querschnitte A sind trotz gleichem Durchmesser in beiden Fällen unterschiedlich. In Tafel 1.4.7-5 ist der hydraulische Durchmesser dH für rechteckige Querschnitte abzulesen. Man erkennt, dass beim quadratischen Querschnitt (a/b = 1) der hydraulische Durchmesser gleich der Seitenlänge ist. Das einen Kreis umhüllende Quadrat hat also bei gleicher mittlerer Geschwindigkeit w die gleiche Reibungszahl λ und gleichen Druckabfall Δp/l. Tafel 1.4.7-2

Kinematische Zähigkeit v von Wasser bei höheren Temperaturen

1.4.7 Reibungszahl Tafel 1.4.7-3

Dynamische und kinematische Zähigkeit verschiedener Stoffe bei 20°C

Tafel 1.4.7-4

Rauhigkeit ε verschiedener Rohre*)

335 DVD

DVD 336

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Man sieht aber auch, dass der Querschnitt – und damit der Volumenstrom – 27,3% größer als beim Kreisquerschnitt ist. Auch der Umfang U ist entsprechend größer. Um auf gleichen Volumenstrom bei gleichem Druckabfall Δp/l zu kommen, wurde noch der gleichwertige Durchmesser definiert1): 2

3 3

3 3

d*= 5 32 ⁄ π ⋅ 5 a b ⁄ ( a + b ) = 1 ,265 ⋅ 5 a b ⁄ ( a + b ) Zahlenwerte für d* bei Rechteck-Kanälen s. Tafel 1.4.7-5. Beispiel: Rechteckiger Kanal mit a/b = 1,5 mit gleichem Druckabfall Δp/l ergibt: bei gleicher Geschwindigkeit hydraulischen Durchmesser dH = 1,2 · b; bei gleichem Volumenstrom (V = konst) für dH = d* reicht a/b = 1,19 aus. Tafel 1.4.7-5

1)

Hydraulischer und gleichwertiger Durchmesser für rechteckige Kanäle mit verschiedenen Seitenverhältnissen a/b

Rietschel-Raiß 1970. Anmerkung: Beim Arbeiten mit d* ist aber zu beachten, dass bei glatten Rohren – wie sie bei Lüftungskanälen meist vorliegen – sich λ mit Re gemäß Bild 1.4.6-4 ändert. Der λ-Wert ist aber mit dH zu ermitteln. Anderenfalls wird Re zu groß und damit λ zu klein ermittelt. Z.B.: Bei a/b = 1, entsprechend d*/dH = 1,10, würde gemäß Blasius-Formel λ = 0,3164/4 Re der Fehler für λ ~ 4 1 ,1 = 1,024 also 2,4% betragen. Bei größeren Werten für a/b verschwindet die Abweichung.

1.4.7 Reibungszahl

337 DVD

Bild 1.4.6-4. Die Reibungszahl λ bei geraden Rohren nach Prandtl, Kármán und Colebrook.

Beispiele: 1. Wie groß ist die Reibungszahl λ bei einem handelsüblichen Stahlrohr NW 100, wenn es von Wasser mit einer Temperatur 80 °C und mit einer Geschwindigkeit von w = 1 m/s durchströmt wird? Innendurchmesser d = 0,1 mGeschwindigkeit w = 1,0 m/s Rauhigkeit ε = 4,5 · 10–5 m wd = 0,1 m2/s ε/d = 4,5 · 10–4 Aus dem Bild 1.4.6-4 ergibt sich nach dem eingezeichneten Weg (1) für dieses Beispiel Re = 2,7 · 105 und eine Reibungszahl λ = 0,018.

DVD 338

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

2. Wie groß ist die Reibungszahl λ bei demselben Rohr, wenn die Rauhigkeit ε = 0,15 mm ist? Man findet bei wd = 0,1 m2/s und bei d = 100 mm (Weg 2): λ = 0,023. 3. Gegeben ein Dampfrohr NW 25, stark verrostet, Dampfgeschwindigkeit w = 15 m/s. Dampfüberdruck 0,1 bar. d = 0,0277 m, w = 15 m/s, wd = 0,415 m2/s, ε = 1,0 · 10–3, ε/d = 3,61 · 10–2, Reibungszahl λ = 0,063 (Weg 3). 4. Gegeben ein Blechrohr von d = 125 mm lichte Weite, Luftgeschwindigkeit w =5m/s, Lufttemperatur 20°C. d = 0,125 m, w = 5 m/s, wd = 0,625 m2/s, ε = 0,15 · 10–3, ε/d = 1,2 · 10–3, Reibungszahl λ = 0,027 (Weg 4). 5. Wie groß ist der Druckverlust bei Strömung von Heizöl S (ρ = 850 kg/m3) in einem l = 100 m langen Rohr von d = 50 mm Ø mit einer Geschwindigkeit w = 0,6 m/s? Zähigkeit 40°E. Kinematische Zähigkeit v = 303 · 10–6 m2/s (Tafel 1.3.6-5) Re = wd/v Reibungszahl λ Druckverlust Δp

0 ,6 ⋅ 0 ,05 - =99 = ----------------------–6 303 ⋅ 10 = 64/ Re = 64/99 = 0,65 (laminare Strömung) --- w2 = λ --l- ρ d 2 2

100 850 ⋅ 0 ,6 ----------------------= 0,65 ---------0 ,05 2

= 200000 N/m2 = 2 bar

1.4.8

Einzelwiderstände

Den Druckabfall durch Einzelwiderstände wie Bogen, Ventile usw., der durch Wirbel, Strömungsablösungen, Sekundärströmungen verursacht wird, drückt man unter Bezug auf den Staudruck der strömenden Flüssigkeit durch folgende Gleichung aus: --- w2 in N/m2 Δp = ζ ρ 2

Darin ist ζ der sogenannte Widerstandsbeiwert, der meist durch Versuche bestimmt werden kann und bei den verschiedenen Rohreinbauten in weiten Grenzen schwankt. Der gesamte Druckverlust setzt sich aus zwei Teilen zusammen, dem Druckverlust durch Wandreibung und dem Druckverlust durch Umlenkung, Querschnittsveränderung usw. Dementsprechend ist der ζ-Wert auch in einen Rohrreibungsbeiwert ζr = λ · --ld (gem. Abschn. 147) und einen Umlenkungsbeiwert ζu aufgeteilt: ζ = ζr + ζu. Der ζu-Wert bezieht sich nur auf den Zusatzverlust, so dass bei Widerständen mit längeren Rohrstrecken wie Bogen oder Dehnungsausgleichern der Reibungsverlust eines geraden Rohrstücks gleicher Achsenlänge hinzuzufügen ist, wenn man den Gesamtverlust ermitteln will. Werte von ζu Tafel 1.4.8-1 und Tafel 1.4.8-2. Weitere Werte s. Abschn. 2.4.3 s. S. 1109 und 3.3.5 s. S. 1346. Wegen unterschiedlicher Bauart der Armaturen Verluste stark voneinander abweichend. Beispiel: Wie groß ist der Druckverlust in einer Drosselblende bei w = 1 m/s Wassergeschwindigkeit und dem Flächenverhältnis A/A0 = 2? α = 0,69 aus Tafel 1.4.3-1 (m = 0,5) und ζ für Blende nach Tafel 1.4.8-1 Δp = ζ · ρ/2 · w2 = (A/αA0 –1)2 · 500 · 12 = (2/0,69 –1)2 · 500 · 1 = 1800 Pa.

1.4.8 Einzelwiderstände Tafel 1.4.8-1

1)

339 DVD

Widerstandsbeiwerte ζu von Rohrleitungsteilen1) Weitere Werte in Abschn. 2.2.2 s. S. 648 und 3.3.5 s. S. 1346

Rietschel-Raiss 1970. – Eck: Technische Strömungslehre Bd.1. 1978. Bd.2. 1981. – Richter, H.: Rohrhydraulik 1962. – Stradtmann: Stahlrohr-Handbuch 1982. – Idel’chik-Handbuch 1966. – Gersten, K.: Einführung in die Strömungsmechanik 1974. – Kalide, W.: Techn. Strömungslehre 1976 u. FLT-Handbuch 1988. 2) einschl. Rohrreibung (λ = 0,02); turbulentes Zuströmprofil. 3) Glück, B.: Druckverluste, VEB-Verlag, Berlin 1988.

DVD 340 Tafel 1.4.8-2

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen Widerstandsbeiwerte ζu von Armaturen

1.4.9 Druckverlust

341 DVD

Bild 1.4.8-1. Widerstandsbeiwerte von 3 hintereinander geschalteten Krümmern im Vergleich zu den mit 3 multiplizierten ζ-Werten der Einzelkrümmer (nach H. Sprenger, SBZ 1969, Heft 13).

Bei allen Widerstandsbeiwerten ist zu beachten, dass gleichmäßige parallele Anströmung vorausgesetzt ist. Wenn dies nicht der Fall ist, werden die ˙-Werte wesentlich größer, teilweise mehr als 100%. Beispiel Bild 1.4.8-1. Der Gesamtwiderstand ist größer als die Summe der Einzelwiderstände. Zum Beispiel bei Hochgeschwindigkeitsanlagen in der Lüftungstechnik entstehen durch Kombination mehrerer Formstücke erhebliche Zusatzverluste. Die gleichwertige Rohrlänge Der zusätzliche Einzelwiderstand ζu lässt sich auch durch eine gleichwertige Rohrlänge lgl ersetzen, wobei lgl = ζud/λ in m Rohrlänge. lgl hängt also nicht nur vom Einzelwiderstand, sondern auch vom Rohrdurchmesser wie von der Geschwindigkeit ab. Anwendung in Abschn. 2.4.3-1.1 s. S. 1110 bei der Warmwasserrohrnetzberechnung.

1.4.9

Druckverlust1)

Der gesamte Druckverlust Δp in einer Rohrleitung mit beliebigen Einzelwiderständen setzt sich nunmehr aus den beiden Teilen für Reibung und Einzelwiderstand wie folgt zusammen: 2 --- w + Δp = λ --l- ρ d 2

ρ

∑ ζu --2- w

2

= Rl + Z in Pa

oder mit der gleichwertigen Rohrlänge lgl = ζud/λ für die Einzelwiderstände: l ges ρ 2 - --- w in Pa Δp = λ -----d 2

lges = l + lgl in m ρ = Dichte in kg/m3. Beispiele: 1. Wie groß ist der Druckverlust Δp in einer 100 m langen geraden Wasserleitung von 70 mm in l. W., durch die stündlich 20 m3 Wasser von 80 °C strömen? Die Rauhigkeit ε sei 0,15 mm, somit ε/d = 0,15/70 = 2,1 · 10–3 20 Geschwindigkeit w = ------------------------= 1,45 m/s 2 πd 3600 ⋅ --------4

wd = 1,45 · 0,07 = 0,102 m2/s Reibungszahl λ = 0,025 (aus Bild 1.4.6-4) 2 --- w = 1000 Staudruck ρ ------------ 1,452 = 1050 Pa 2 2 2 0 ,025 --- ρ --- w = ------------Druckgefälle R = λ 1050 = 375 Pa/m d 2 0 ,070 1)

Hell, F.: HLH 1/83. Siehe 28/30.

DVD 342

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Druckverlust R · l = 375 · 100 = 37500 N/m2 ≈ 3,75 m WS 2. Gegeben eine Rohrleitung DN 300, Dampfstrom G = 40000 kg/h, Anfangsdruck p1 = 12 bar, Temperatur t1 = 300°C, gestreckte Rohrlänge l = 500 m mit 10 Bogen (R = 3d), 5 Absperrschiebern, 6 Faltenrohr-Lyrabogen, 2 Wasserabscheidern. Wie groß ist der Druckverlust Δp? Rohrrauhigkeit ε = 0,1 mm. Dichte ρ = 4,67 kg/m3 (aus Tafel 1.3.3-7) 40000 - = 33,7 m/s Geschwindigkeit w = ---------------------------------------2 πd 4 ,67 ⋅ 3600 ⋅ --------4

Bild 1.4.8-2. Das Druckgefälle R bei Strömung von Kaltwasser von 10°C in Gewinderohren (Rauhigkeit ε = 0,15 mm). Pa/m = 1 mbar/m · = 1,5 l/s 100 Beispiel: Bei m und w = 1 m/s ist R = 370 Pa/m

1.4.9 Druckverlust

343 DVD

Kinematische Zähigkeit v = η/ρ = 20,2/4,67 · 106 = 4,3 · 106 m2/s (aus VDI-Wasserdampftafeln). ,7 ⋅ 0 ,300 ------- = 33 Re = wd ----------------------------- = 2,35 · 106 –6 v 4 ,310 Relative Rauhigkeit ε/d = 0,1/300 = 3,3 · 10–4 Rohrreibungszahl λ = 0,016 (aus Bild 1.4.6-4) Widerstandsbeiwerte: 10 Bogen (ζu = 0,15) 5 Schieber (ζu = 0,3) 6 Lyrabogen (ζu = 1,5) 2 Wasserabscheider (ζu = 5)

10 · 0,15= 1,5 5 · 0,3 = 1,5 6 · 1,5 = 9,0 2 · 5 =10,0 Σ ζu =22,0

Gleichwertige Rohrlänge der Einzelwiderstände ,300 lgl = ζu --d- = 22 ,0 ⋅ 0------------= 413 m 0 ,016 λ

Gesamte Rohrlänge lges = l + lgl = 500 + 413 = 913 m 2 λ 0 ,016 4 ,67 --- w = ------------- ⋅ ---------- 33,72 = 141 Pa/m Druckgefälle R = --- ρ d 2 0 ,300 2

Druckverlust Δp = R · lges = 141 · 913 = 129000 Pa = 1,29 bar. Bei langen Leitungen ist zu bedenken, dass sich die Zustandsgrößen des strömenden Mediums infolge Druck- und Temperaturabfalls ändern. In solchen Fällen ist mit mittleren Werten zu rechnen oder die Leitung in mehrere Abschnitte aufzuteilen. Bei gegebenem Massenstrom und Durchmesser d lässt sich das Druckgefälle R auch aus folgender nicht dimensionsgerechten Gleichung berechnen: .2 ⋅m · in kg/h d in mm) -------------- in Pa/m R = 62,5 · 106 λ (m 5 ρ⋅d oder .2 ⋅m · in kg/s und d in m) -------------- in Pa/m R = 0,81 λ (m 5 ρ⋅d Für Überschlagsrechnungen empfiehlt es sich, Reibungsdiagramme zu verwenden, aus denen bei gegebenen Verhältnissen das Druckgefälle sofort abgelesen werden kann. Ein solches Diagramm ist in Bild 1.4.8-2 für Wasser von 10°C dargestellt, wobei ein rauhes Stahlrohr angenommen ist, bei dem λ praktisch von der Re-Zahl unabhängig ist. Das Druckgefälle folgt dabei gegebenem Durchmesser und gegebener Rauhigkeit ε angenähert dem quadratischen Widerstandsgesetz: R = konst · w2. Die Rauhigkeit ε ist mit 0,15mm zugrunde gelegt. Ein weiteres Diagramm für Wasser von 50°C mit ε = 1,5 mm ist in Abschn. 4.4.7 s. S. 1937 (Bild 4.4.7-1) abgebildet. Diagramme für die Berechnung der Rohre in Heizungsanlagen s. Abschn. 2.4.31) s. S. 1109 Bei Kunststoffrohren rechnet man mit einer Rauhigkeit von ε = 0,007 mm. Die Druckverluste sind nur geringfügig größer als bei Kupferrohren (Bild 2.4.3-9).

1)

Weitere Diagramme s. Feurich: Rohrnetzberechnung. 1973.DVGW W 302:1981-08.

DVD 344

1.4.10

1. Grundlagen / 1.4 Strömungstechnische Grundlagen

Anlagenkennlinien1)

Die Darstellung des · gesamten Druckverlustes Δp nach 1.4.9 über dem veränderlichen Volumenstrom V (aus den jeweiligen Geschwindigkeiten w) nennt man die Anlagenkennlinie eines Rohrleitungs- oder Luftkanal-Systems. Der Betriebspunkt einer Anlage liegt immer im Schnittpunkt der momentanen Anlagenkennlinie mit der Kennlinie der zugehörigen Pumpe, s. Abschn. 2.3.6-1 s. S. 973 bzw. des zugehörigen Ventilators, s. Abschn. 3.3.1 s. S. 1276.

Bild 1.4.10-1. Kennlinien im Koordinatensystem mit linearer Teilung.

Die übliche Darstellung einer Pumpen- (Ventilator-) Kennlinie mit zwei verschiedenen Anlagenkennlinien A und B im linearen Koordinatensystem zeigt Bild 1.4.10-1. Die Anlagenkennlinien ergeben sich aus Δp = S · V 2, sind also Parabeln mit der jeweiligen Systemkenngröße S. Bei wesentlichen Anteilen laminarer Strömung (Exponent 1, z.B. Luftfilter) wird der Exponent entsprechend kleiner als 2. Diese Kennliniendarstellung ist nicht sehr aussagefähig und in der Handhabung unpraktisch. Geeigneter ist die in Bild 1.4.10-2 gezeigte Darstellung der gleichen Kennlinien in einem Koordinatensystem mit logarithmischer Teilung beider Achsen. An der Pumpen- (Ventilator-) Kennlinie erkennt man jetzt deutlich einen flachen und einen steilen Ast, etwa in der Mitte der Krümmung liegt der Punkt mit dem höchsten Wirkungsgrad. Bei den Anlagenkennlinien wird aus Δp = S · V 2 die logarithmische Form log Δp = log S + 2 · log V, also eine gerade Linie mit dem Anstieg 2 zu 1 (bei der üblichen gleichen logarithmischen Teilung beider Koordinaten kommen damit auf 1 cm horizontal 2 cm vertikal, bei laminarem Strömungsanteil entspr. weniger), log S ist die Systemkenngröße und bestimmt die Lage der Geraden im Koordinatennetz. Damit ist mit einem gegebenen Berechnungs- oder Meßwert die Anlagenkennlinie leicht zu zeichnen. Liegt ein weiterer Meßwert nicht auf dieser Linie, so ist mindestens einer von beiden falsch! Auch Veränderungen lassen sich leicht darstellen, wie z.B. in Bild 1.4.10-2 mit den gestrichelten Linien eine Verdoppelung des Strömungswiderstandes in den beiden Anlagen. Hier zeigen sich deutlich die Unterschiede der gewählten Auslegung:

1)

Erstbearbeitung erfolgte durch Dipl.-Ing. Gerhard Trenkowitz, Gorxheimertal, für die 69. Auflage, Ergänzung bis zur 73. Auflage

1.4.10 Anlagenkennlinien

345 DVD

Bild 1.4.10-2. Kennlinien im Koordinatensystem mit doppelt-logarithmischer Teilung.

Auslegung B: Betriebspunkt im steilen Ast der Pumpen- (Ventilator-) Kennlinie. Die Widerstandsverdoppelung verringert den Volumenstrom im Beispiel von 300 auf 260 m3/h um 13%. Der Betriebspunkt wandert in Richtung höheren Wirkungsgrades. Auslegung A: Betriebspunkt im flachen Ast der Pumpen- (Ventilator-) Kennlinie. Die Widerstandsverdoppelung verringert den Volumenstrom im Beispiel von 100 auf 70 m3/ h um 30%. Der Betriebspunkt wandert in Richtung geringeren Wirkungsgrades. Beide Auslegungsvarianten haben ihre Berechtigung. Auslegung nach A im flachen Ast ist notwendig, wenn z.B. bei einer Warmwasserheizung einzelne Heizkörper gedrosselt werden (Thermostatventile). Ein dadurch entstehender Druckanstieg vor den übrigen Heizkörpern würde deren Regelfähigkeit erheblich stören. Eine Auslegung nach B im steilen Ast ist erforderlich, wenn trotz Widerstandserhöhung (Drosselung, Filterverschmutzung) der Volumenstrom möglichst konstant bleiben soll, z.B. in den Kältemittelverdampfern von Wasserkühlanlagen.

DVD 346

1.5

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Schalltechnische Grundlagen1) Überarbeitet von Prof. Dr.-Ing. Karl-Josef Albers, Esslingen

1.5.1

Allgemeine Bezeichnungen2)

Mit Schall bezeichnet man mechanische Schwingungen der materiellen Teilchen in einem elastischen Medium um eine gewisse Mittellage im Frequenzbereich des menschlichen Hörens. Schwingungen in der Luft nennt man Luftschall, Schwingungen in festen Körpern Körperschall. Der Effektivwert p der wahrnehmbaren Druckschwankungen reicht von p = 2 · 10–5 N/ m2 bis 2 · 10 N/m2. Das menschliche Ohr vermag nur Luftschall zu empfinden. Die untere Grenze der Empfindung (der tiefste Ton) liegt bei etwa 20, die obere Grenze bei etwa 20000 Schwingungen in der Sekunde (Hertz). Schwingungen, die darunter liegen, nennt man Infraschall (Erdbeben, Erschütterungen, Gebäudeschwingungen), der meist als nicht hörbar bezeichnet wird, aber bei höherer Intensität doch wahrnehmbar ist3), Schwingungen, die darüber liegen, Ultraschall (wichtig für viele physikalische, chemische und biologische Zwecke). Je größer die Zahl der Schwingungen in der Sekunde ist, als desto höher empfinden wir den Schall. Schwingen die einzelnen Teilchen in Richtung der Fortpflanzung der Welle, spricht man von Longitudinalwellen (Verdichtungswellen), schwingen sie senkrecht dazu, nennt man die Wellen Transversal- und Biegewellen. In Luft und Flüssigkeiten sind nur Verdichtungswellen möglich. Ist die Schwingung sinusförmig, nennt man den Schall einen Ton (Bild 1.5.1-1). Mehrere gleichzeitig hörbare Töne ergeben einen Klang, wenn die Schwingungszahlen der einzelnen Töne im Verhältnis ganzer Zahlen (harmonisch) zueinander stehen. Sind die Schwingungen der einzelnen Töne beliebig, entsteht ein Geräusch. Ein Geräusch, welches nach Stärke, Art oder Dauer geeignet, Personen zu stören, zu belästigen oder gesundheitlich zu schädigen wird als Lärm bezeichnet. Ein Knall ist ein kurzzeitiger Schallstoß von meist großer Schallstärke.

Bild 1.5.1-1. Schwingungen bei Tönen, Klängen und Geräuschen pL = atmosphärischer Druck pA = Amplitude p = effektiver Druck = 0,71pA f = Frequenz.

1.5.2

Schallfeldgrößen

Die Schallgeschwindigkeit c ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Schwingung im Medium fortpflanzt: c = λ · f in cm/s λ = Wellenlänge (cm)

1) 2)

3)

Ergänzungen in 70. und 71. Auflage von Prof. Dr.-Ing. Karl-Josef Albers, Esslingen. DIN 1320:1997-06. Akustik, Begriffe. DIN 45630-1:1971-12. Grundlagen der Schallmessung. VDI-Richtlinie 2081:2001-07, korrigierter Nachdruck 2003-8: Geräuscherzeugung und Lärmminderung in RLT-Anlagen. Hönmann, W.: Ges.-Ing. 4/86. S. 209/212.

1.5.2 Schallfeldgrößen

347 DVD

f = Zahl der Schwingungen, Frequenz in s–1. Die Schallschnelle u (zum Unterschied von der Schallgeschwindigkeit so genannt) ist die mittlere Geschwindigkeit des schwingenden Teilchens: u = a · ω in cm/s a = Amplitude der Schwingung (cm) ω = 2 πf = Kreisfrequenz (s–1). Durch die abwechselnden Verdichtungen und Verdünnungen entsteht ein periodischer Wechseldruck. Unter dem Schalldruck p versteht man den quadratischen Mittelwert der Drücke in einer Periode (quadratisch deswegen, weil sonst die Summe = 0 wäre). Er ändert sich in einem Schallfeld meist von Ort zu Ort. Ein Schall ist desto lauter, je mehr die Luftteilchen aus der Mittellage schwingen, je größer also die Amplitude a der Schwingung und damit die Verdichtung oder Verdünnung der Luft ist. Der Schalldruck wird gemessen in N/m2. 1 N/m2 = 1 Pa = 10 µbar. Zwischen dem Schalldruck p und der Schallschnelle u besteht die Beziehung: p = u · ρc („Ohmsches Gesetz der Akustik“) ρ = Dichte des Mediums (kg/m3). p/u = ρc heißt Schallwiderstand (kg/m2s). Den geringsten Schallwiderstand von allen Stoffen hat Luft (Tafel 1.5.2-1). Die Schallintensität I = p · u (W/m2) ist die Schallenergie, die in der Sekunde durch eine Fläche von 1 m2 strömt. Für Luft von 20 °C ist 2

2

p p - = --------- (W/m2) I = p · u = ----ρc 413 2

≈ p----- µW/cm2. 4 Durch diese Gleichung lässt sich also I aus p bzw. p aus I berechnen. Ferner ist I = u2 · ρc = 400 u2 (µW/cm2). Tafel 1.5.2-1

Schallwiderstände z verschiedener Stoffe

Die nicht direkt meßbare Schallleistung P ist die von einer Schallquelle insgesamt abgegebene Leistung. Sie wird bestimmt, indem der Schalldruck z.B. über eine kugelförmige Fläche S um die Schallquelle herum integriert wird. Für Luft ist 2

p - ≈ 400 S · u2 (µW). P = S · I = S · ----ρc

Gewöhnliche Unterhaltungssprache erzeugt in etwa 1 m Abstand vom Mund des Sprechenden Schalldrücke von ca. 0,002 Pa. Geringster wahrnehmbarer Druck 2 · 10–5 Pa, Schmerzgrenze etwa 20 Pa. Leistungen einiger anderer Schallquellen s. Tafel 1.5.2-2. Die Größen der verschiedenen Schallfeldeinheiten bei verschiedenen Schalldrücken s. Tafel 1.5.2-3.

DVD 348

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Tafel 1.5.2-2

Leistung verschiedener Schallquellen

Tafel 1.5.2-3

Schallfeldgrößen bei verschiedenen Luft-Schalldrücken

Schalldruck p Pa 0,1 1 10 100

Schallintensität I µW/cm2 0,0025 0,25 25 2500

Schallschnelle u cm/s 0,025 0,25 2,5 25

Schallamplitude a 10–6 cm bei 1000 Hz 4 40 400 4000

Schalldruckpegel dB 74 94 114 134

Die Schalldichte E (10–7 J/cm3) ist die in der Raumeinheit enthaltene Schallenergie. Bei ebenen Wellen ist E = I/c. In geschlossenen Räumen wird nach der Nachhalltheorie durch eine Schallquelle von der Leistung P eine Schalldichte E = 4 P/Ac erzeugt (A = Absorption der Wände in m2, s. Abschn. 3.3.6 s. S. 1395.

1.5.3

Tonspektrum und Klangfarbe

Jedes Geräusch lässt sich nach dem Fourierschen Prinzip in einfache sinusförmige Schwingungen zerlegen. Man erhält ein Tonspektrum, wenn man über der Frequenzskala die Intensität der Einzelschwingungen aufträgt. Die tiefste Schwingung ist der Grundton, die höheren Schwingungen heißen Obertöne. Töne gleicher Tonhöhe, aber verschiedener Charakteristik unterscheiden sich durch die Obertöne. Man sagt, sie haben verschiedene Klangfarbe (Bild 1.5.1-2).

Bild 1.5.1-2. Tonspektren verschiedener Schalle.

Bei der menschlichen Stimme werden der Grundton durch die Stimmbänder im Kehlkopf, die Obertöne und damit die charakteristische Klangfarbe der verschiedenen Laute durch Stellung und Form der Lippen und der Mundhöhle erzeugt. Die Hauptobertöne liegen z.B.

1.5.4 Geräuschbewertung

349 DVD

für den Vokal a bei etwa 3000 Hz für den Vokal u bei etwa 500 Hz für den Vokal i bei etwa 500 und 3000 Hz. Zischlaute enthalten hohe Frequenzen. Geräusche enthalten meist kontinuierliche Spektren mit mehr oder weniger ausgeprägten Spitzen bei bestimmten Frequenzen. Ist der Schalldruckpegel über alle Frequenzen konstant, spricht man von „weißem Geräusch“. Die Kenntnis der Spektren von Geräuschen ist sehr wichtig bei Geräuschbekämpfung, da das Ohr die Geräusche auch auf Grund der Frequenz beurteilt. Der technisch wichtige Bereich liegt zwischen 50 und 10000 Hz. Er wird unterteilt in Oktaven (Frequenzverhältnis 2:1) oder Terze (= 1/3 Oktave). Die Mittelfrequenzen der in der Raumlufttechnik benutzten 8 Oktavbänder sind in Tafel 1.5.4-2 angegeben.

1.5.4

Geräuschbewertung

-1

A-Bewertung

Das schwächste Geräusch, das ein gesundes menschliches Ohr noch wahrnehmen kann, beträgt ca. 20 µPa, die Schmerzgrenze liegt bei etwa 20 Pa. Um den Umgang mit unhandlichen Zahlen im Bereich von 7 Zehnerpotenzen zu vermeiden, gibt man den Schalldruck p im logarithmischen Verhältnis zu einem Bezugsdruck p0 = 20 µPa (Hörschwelle) an: p ⎞2 p - = 20 lg ----- in dB Schalldruckpegel L = 10 lg ⎛⎝ ---p 0⎠ p0

Der Schalldruckpegel ist eine dimensionslose physikalische Größe. Maßeinheit Dezibel benannt nach Graham Bell (1847–1922). Die Skala des Dezibel-Pegels erstreckt sich demnach von der Hörschwelle Lp = 0 bis zu der 20 - = 120 dB. Schmerzgrenze L = 20 lg -------------------–6 20 ⋅ 10

Auch für Schallintensität I und Schallleistung P wird der Dezibel-Maßstab verwendet: Li

= 10 lg ---I- in dB I0

PLW = 10 lg ----in dB P0

2

p0 - = 10–12 W Der Bezugswert I0 ist dabei 10–12 W/m2, der Bezugswert P0 = S0 -----ρc (in USA häufig auch 10–13 W). Fläche S0 = 1 m2. Durch Umrechnung aus den Gleichungen in 152 wird dabei der Schallleistungspegel 2

p S- ⋅ ---LW = 10 lg -----= 10 lg 2 p0 S0

p ⎞2 S S ⎛ ---- + 10 lg ----- = L p + 10 lg ----⎝ p 0⎠ S0 S0

Bei S = S0 ist PW = Pp. Der Schallleistungspegel ist für eine gegebene Schallquelle kennzeichnend, da er nicht wie der Druckpegel von anderen Faktoren wie Kanalfläche, Absorption usw. abhängig ist. Er ist zahlenmäßig gleich dem Schalldruckpegel, wenn sich der Druckpegel auf die Fläche von S = 1 m2 bezieht. Tafel 1.5.4-1

Aus Bild 1.5.4-1 abgelesene Oktav-Schalldruckpegel

Oktavfrequenz in [HZ]

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

LpOkt

69

74

73

70

68

63

58

46

in [dB]

DVD 350

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Bei der Addition mehrerer Schallquellen ist zu beachten, dass sich nicht die Drücke, sondern die Intensitäten I1,I2, … oder die Schalldruckquadrate p12, p22, … bzw. die Schallleistungen P1, P2 … addieren. Addieren sich n unterschiedliche Einzelpegel L1, L2, ... so ist der resultierende Gesamtpegel Lges Lges = 10 · lg (10 0,1 · L1 + 10 0,1 · L2 + … + 10 0,1 · Ln) Für den Sonderfall, dass alle Einzelpegel gleich sind, also L1 = L2 = … = Ln = L, vereinfacht sich die Gleichung zu Lges = 10 · lg (n · 10 0,1 · L) = L + 10 · lg n Die Pegeladdition wird auch dazu verwendet, um aus einem Oktav- oder Terzspektrum den Gesamtpegel zu berechnen. In Bild 1.5.4-1 ist das gemessene Oktavspektrum eines Geräusches dargestellt. In Tafel 1.5.4-1 sind die aus dem Diagramm abgelesenen OktavSchalldruckpegel zusammengestellt. Mit Hilfe der Pegeladdition berechnet sich der Gesamtpegel des Geräusches zu Lges = 79 dB.

Bild 1.5.4-1. Meßwert-Diagramm einer Schallquelle.

-2

Frequenzspektren

Die meisten Geräusche setzen sich aus Geräuschanteilen verschiedener Frequenzen zusammen. Daher reicht es für akustische Untersuchungen und Berechnungen nicht aus, nur einen Gesamtpegel zu betrachten. In der Raumlufttechnik ist vor allem der Frequenzbereich zwischen 44 Hz und 11360 Hz von Interesse, der in Bänder mit der Breite von Oktaven unterteilt ist. In Tafel 1.5.4-2 sind die Oktaven, die nach den Mittelfrequenzen fm benannt werden, zusammen mit ihrer unteren (fu) und oberen (fo) Frequenzgrenze angegeben. Weiterhin sind auch die Terzbänder mit ihren Frequenzgrenzen angegeben. Denn für genauere Untersuchungen, die in der Regel in der Bauakustik gefordert werden, ist die Unterteilung des o.a. Frequenzbereiches in 8 Oktavbänder zu grob. Hier wird mit den Terzbändern gearbeitet.1) Tafel 1.5.4-2

Mittenfrequenzen, Bandgrenzen und Bandbreiten der Oktav- und Terzbänder in [Hz]

Oktavbänder fm 63

1)

fu 45

Oktavbreite ΔfOkt

fo 89

45

Terzbänder fm 50 63 80

fu 45 56 72

Terzbandbreite ΔfTerz

fo 56 70 90

11 14 18

Möser, M.; Akustische Meßtechnik; Kapitel 2 in: Heckl, M.; Müller, H.A.; Taschenbuch der Technischen Akustik; 2. Auflage, Berlin, Springer-Verlag 1994.

1.5.4 Geräuschbewertung Tafel 1.5.4-2

Mittenfrequenzen, Bandgrenzen und Bandbreiten der Oktav- und Terzbänder in [Hz]

Oktavbänder fm

351 DVD

fu

Oktavbreite fo

ΔfOkt

Terzbänder

Terzbandbreite

fm

fu

fo

ΔfTerz

125

88

177

88

100 125 160

90 112 140

112 140 180

22 28 40

250

177

354

177

200 250 315

180 224 280

224 280 355

44 56 75

500

354

707

354

400 500 630

355 450 560

450 560 710

95 110 150

1000

707

1414

707

800 1000 1250

710 900 1120

900 1120 1400

190 220 280

2000

1414

2828

1414

1600 2000 2500

1400 1800 2240

1800 2240 2800

400 440 560

4000

2828

5657

2828

3150 4000 5000

2800 3550 4500

3330 4500 5600

750 950 1100

8000

5657

11314

5657

6300 8000 10000

5600 7100 9000

7100 9000 11200

1500 1900 2200

-3

Lautstärke

Das menschliche Ohr ist nicht für alle Frequenzen gleichermaßen empfindlich. Die subjektiv empfundene Lautstärke steht in keinem gesetzmäßigen Verhältnis zu dem physikalisch meßbaren Schalldruck oder der Schallstärke. Um nun ein Maß für die Lautstärke zu erhalten, ist man folgendermaßen vorgegangen: Man definiert zunächst für Töne von 1000 Hz die Einheit der Lautstärke L, das phon, wie folgt: L = 10 lg ---I- (phon) I0 oder, da I = p2/420 L = 20 lg p/p0. Die Lautstärke eines 1000-Hz-Tones ist also zahlenmäßig gleich groß wie der Schallpegel in dB.

DVD 352

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Bild 1.5.4-2. Kurven gleicher Lautstärke nach DIN 45630-2:1967-09.

Um nun für Töne anderer Frequenz ebenfalls die Lautstärke anzugeben, hat man Töne von 1000 Hz bei verschiedener Lautstärke mit Tönen anderer Frequenz subjektiv verglichen und festgestellt, auf welchen Schalldruck der Normalschall von 1000 Hz eingeregelt werden muss, damit er, von einer größeren Anzahl von Beobachtern abgehört, im Mittel ebenso laut erscheint wie der zu messende Ton. Dabei hat man die in Bild 1.5.4-2 dargestellten Kurven gleicher Lautstärke erhalten, die zuerst von Fletscher und Munson 1933 aufgestellt und später von anderen Seiten verbessert wurden (Robinson und Dadson). Ein Sinuston hat demnach die Lautstärke L phon, wenn er sich genauso laut anhört wie ein Ton von 1000 Hz und dem Schalldruckpegel L, wobei L = 10 lg I/I0 ist. Man sieht aus diesem Bild, dass bei Tönen niederer Frequenz ein erheblich größerer Schalldruckpegel erforderlich ist, um dieselbe Lautstärke zu erzielen. Beispielsweise ist bei 125 Hz und 30 phon der Schalldruckpegel 39 dB. Die Kurven beschreiben die frequenzabhängige Empfindlichkeit des Ohres für Einzeltöne, sind jedoch zur Beurteilung von Breitbandgeräuschen, mit denen man es meist zu tun hat, nur bedingt geeignet.

-4

Bewerteter Schallpegel

Um bei der Messung von Geräuschen mit einem einzigen Zahlenwert auszukommen und objektiv vergleichbare Werte zu erhalten, hat man in die Schalldruckmeßgeräte Filter eingebaut, die die Schalldrücke in den verschiedenen Frequenzbereichen unterschiedlich bewerten, s. Abschn. 1.6.10-4 s. S. 402). Es wird gewissermaßen die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres simuliert. Die damit gemessene Größe ist ein sog. A-bewerteter Schalldruckpegel LpA, der in dB(A) angegeben wird und im ganzen Schallpegelbereich gültig ist. Die in Deutschland früher übliche und 1968 zurückgezogene DIN-Lautstärke (Einheit DIN-phon) ist unterhalb 60 DIN-phon mit dem Schallpegel in dB(A) identisch. Ferner ist auch eine A-Bewertung des Schallleistungspegels (ASchallleistungspegel) LWA möglich. A-bewertete Schalldruckpegel verschiedener Geräusche sind in Tafel 1.5.4-3 aufgeführt.

1.5.4 Geräuschbewertung Tafel 1.5.4-3

-5

353 DVD

Schalldruckpegel verschiedener Geräusche

Grenzkurven

Bei breitbandigen Geräuschen mit hervorragenden Einzeltönen, wie sie z.B. bei Ventilatoren auftreten, erhält man ein falsches Bild, wenn man nur die Schallpegel in dB(A) angibt. Liegt z.B. ein Geräusch vor, das sich nur über ein einziges Oktavband erstreckt, dann ist der dB(A)-Meßwert dieses Geräusches um 9 dB geringer als der eines breitbandigen Geräusches, das in allen 8 Oktavbereichen die gleiche Lautstärke besitzt. Denn 8 Schallquellen gleicher Stärke ergeben einen Gesamtpegel, der um 10 log 8 = 9 dB höher liegt. In Wirklichkeit wird das Einzelgeräusch physiologisch jedoch lästiger empfunden als das „weiße“ Geräusch. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, hat man Kurven gleicher Lästigkeit aufgestellt, bei denen die Frequenzzusammensetzung des Geräusches berücksichtigt wird, s. Bild 1.5.4-3, das aufgrund einer ISO-Empfehlung die sogenannten NR-Kurven enthält (Noise rating). Wenn die einzelnen in den Oktaven gemessenen Schalldruckpegel alle dem Verlauf einer dieser Grenzkurven folgen, liegt der bewertete Schalldruckpegel LpA eines derartigen Geräusches um 7 bis 10 dB über dem Wert der Grenzkurve. Bei den in Lüftungsanlagen vorkommenden Geräuschen ist die Differenz im Mittel nur etwa 5 dB(A), weil das Spektrum dieser Geräusche nicht in allen Oktaven ein und dieselbe Grenzkurve erreicht. Außer der NR-Grenzkurve gibt es auch noch einige andere Kurven, z.B. die NC-Kurve. Man kann auch bei akustischen Berechnungen von raumlufttechnischen Anlagen, wenn ein bestimmter A-Schallpegel vorgegeben ist, die zu Bild 1.6.10-3 inverse (umgekehrte)A-Kurve wie eine Grenzkurve verwenden. Für Rundfunkstudios gelten Grenzkurven1), die im tief- und mittelfrequenten Bereich identisch mit den NR-Kurven sind, im hochfrequenten Bereich aber einen konstanten Wert besitzen.

1)

DIN 15996:2006-02: Bild- und Tonbearbeitung in Film-, Video- und Rundfunkbetrieben – Grundsätze und Festlegungen für den Arbeitsplatz.

DVD 354

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Bild 1.5.4-3. NRGrenzkurve nach VDI 2081:2001-07.

Bei breitbandigen Geräuschen, d.h. Geräuschen ohne hervortretende Einzeltöne, genügt im allgemeinen die „A-Bewertung“. Wenn in einem Raum jedoch Geräusche mit deutlich hörbaren Einzeltönen auftreten, ist eine Messung der Schallpegel in den einzelnen Oktaven vorzunehmen, um festzustellen, wo die Grenzkurve erreicht wird. Meßgeräte s. Abschn. 1.6.10 s. S. 401.

Schallausbreitung1)

1.5.5

In Gasen ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles c

=

x-------pρ

(m/s)

p = Druck der Luft (N/m2) ρ = Dichte der Luft (kg/m3) x = cp/c0 = Verhältnis der spez. Wärmen. Für Luft ist c = 331 1 + 0 ,004t oder genauer c = 20,1 T . Die Geschwindigkeit des Schalles ist abhängig von der Temperatur, nicht jedoch vom Druck. Bei Flüssigkeiten ist c=

1 ----------K⋅ρ

Δ VK = Kompressibilität = ---------in m3/N. V⋅p

Bei festen Körpern ist c=

1)

E --ρ

E = Elastizitätsmodul (N/m2).

Grebig, K.: HLH 1971. S. 143/6.

1.5.5 Schallausbreitung

355 DVD

Tafel 1.5.5-1

Schallgeschwindigkeit c in Luft

Tafel 1.5.5-2

Tafel 1.5.5-3

Schallgeschwindigkeit c in festen Körpern

Schallgeschwindigkeit c in Wasser (dest.)

An sich ist der in festen Körpern sich fortpflanzende Schall nicht hörbar, da das menschliche Ohr nur für Luftschall empfindlich ist. Der Körperschall kann jedoch durch Schwingungen an der Oberfläche aus den Körpern heraustreten und an die Luft übertragen werden, so dass er hörbar wird. Zahlenwerte für die Schallgeschwindigkeit Tafel 1.5.5-1 bis Tafel 1.5.5-3. Ist die Schallquelle punktförmig, so bildet sich um sie ein kugelförmiges Schallfeld aus. Gemäß der Gleichung in Abschn.1.5.4 -1 s. S. 349 ist der Schalldruck in der Entfernung r bestimmt durch: 2

⋅π⋅r ⎞ - mit S0 = 1 m2 Lp =Lw –10 · lg ⎛⎝ 4------------------S0 ⎠

Durch Anwendung der Rechenregeln für den Logarithmus erhält man schließlich: Lp =Lw –20 · lg(r)–11 Demnach verringert sich im akustisch freien Feld (Freifeld) der Schalldruck bei Verdoppelung der Entfernung um 6 dB (20 · lg (2) = 6). Dieser Zusammenhang wird auch als Freifeldgesetz bezeichnet. Bei dieser vereinfachten Betrachtungsweise bleibt unberücksichtigt, dass technische Schallquellen ihre Energie nicht gleichmäßig über die Oberfläche abstrahlen. Sie haben häufig eine Richtwirkung. Weiterhin bleiben, von der Ausbreitungsdämpfung abgesehen, weitere Dämpfungsmechanismen sowie Reflexionen an Oberflächen unberücksichtigt. Allgemein kann man nach DIN ISO 9613-21) die Schallausbreitung im Freien wie folgt berechnen: Lp = Lw + Kc – D mit Kc = DI + K0 und D = Ddiv + Datm + Dgr + Dbar + Dmisc KC (in der DIN ISO 9613-2 als DC bezeichnet) ist dabei die Richtwirkungskorrektur in dB, die sich aus dem Richtwirkungsmaß DI und dem Raumwinkelmaß KΩ zusammensetzt. Das Richtwirkungsmaß DI gibt an, um wie viel dB der von einer Schallquelle erzeugte Schalldruckpegel in der betrachteten Richtung von dem Schalldruckpegel einer ungerichteten punktförmigen Schallquelle gleicher Schallleistung abweicht. Es muss in der Regel experimentell ermittelt werden. Mit dem Raumwinkelmaß KΩ wird berücksichtigt, dass die Schallausbreitung nicht immer in den ganzen Raum, also mit einem Raumwinkel Ω = 4π erfolgt. Es gilt:

1)

DIN ISO 9613-2: 1999-10, Akustik – Dämpfung des Schalls bei der Ausbreitung im Freien – Allgemeines Berechnungsverfahren

DVD 356

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

⋅ π⎞ KΩ = 10 · lg ⎛⎝ 4---------Ω ⎠

Für die ungerichtete punktförmige Schallquelle, die vor keinen Flächen angeordnet ist, ergibt sich somit für die Richtwirkungskorrektur KC = 0. Die Dämpfung D1) setzt sich aus der Ausbreitungsdämpfung Ddiv, der Dämpfung aufgrund von Luftabsorption Datm, der Dämpfung auf Grund des Bodeneffektes Dgr, der Dämpfung auf Grund von Abschirmung Dbar, und der Dämpfung auf Grund sonstiger Effekte Dmisc zusammen. Für die Ausbreitungsdämpfung Ddiv gilt im Abstand d zur Schallquelle: d-⎞ Ddiv = 20 · lg ⎛⎝ ---+ 11 dB mit d0 = 1m d 0⎠

Die anderen o. g. Dämpfungseffekte sind in der Haustechnik auf Grund der hier nur betrachteten geringen Abstände zu der Schallquelle (Abstand Schallquelle zur Grundstücksgrenze) in der Regel vernachlässigbar. Die Schallausbreitung in Räumen wird nach VDI 2081-12) berechnet. Dieses ist im Abschnitt 3.3.6-4.3 beschrieben.

1.5.6 -1

Luftschalldämmung Definition3)

Trifft auf eine Wand Schallenergie, so wird ein Teil durch Reflexion oder Biegeschwingungen (Wand schwingt wie eine Membran) zurückgeworfen, ein zweiter Teil wird in der Wand absorbiert oder fortgeleitet, ein dritter Teil wird durch die Poren der Wand hindurchgelassen oder durch Biegeschwingungen der Rückseite der Wand abgestrahlt (Bild 1.5.6-1). Bei festen Wänden erfolgt die Schallübertragung zum größten Teil durch die Biegeschwingungen der Wand. Herrscht auf der einen Seite einer Wand oder Decke der Schallpegel L1, auf der anderen Seite L2, so ist (Dämmung) D = L1 – L2 (dB) die Schallpegeldifferenz. Diese hängt nicht nur von dem nachstehend erwähnten Schalldämm-Maß der Wandkonstruktion, sondern auch von der Größe der Fläche und dem Schallschluckvermögen der Wände des Empfangsraums ab.

Bild 1.5.6-1. Durchgang der Schallenergie durch eine Wand.

1)

2) 3)

In der DIN ISO 9613-2 wird die Dämpfung mit A und nicht wie hier mit D bezeichnet. Mit A wird in der Akustik aber schon die äquivalente Absorptionsfläche gekennzeichnet. Da in anderen akustischen Normen für die Dämpfung der Buchstabe D verwendet wird, wird hier diese, von der DIN ISO 9613-2 abweichende Schreibweise verwendet. VDI 2081-1: 2001-07, korrigierter Nachdruck 2003-08, Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen DIN 4109:1989-11, Schallschutz im Hochbau. Gösele, K.: Ges.-Ing. 1967. S. 95/98.

1.5.6 Luftschalldämmung

-2

357 DVD

Schalldämm-Maß

Das Schalldämm-Maß ist kennzeichnend für die Wandkonstruktion. Es wird bei einer Wand oder Decke durch Messung für die verschiedenen Frequenzen aus folgender Gleichung bestimmt: S --- . = L1 – L2 + 10 · lg -----2- mit A2 = 0,163 · V A2 T

R

R = Schalldämm-Maß in [dB] L1 = Schalldruckpegel im Senderaum in [dB] L2 = Schalldruckpegel im Empfangsraum in [dB] S2 = Fläche des Prüflings (z.B.: eine Wand) auf der Empfängerseite in [m2] A2 = äquivalente Absorptionsfläche im Empfangsraum [m2 Sabine] V = Raumvolumen in [m3] T = Nachhallzeit in [s] Zahlenwerte in DIN 4109, DIN EN 12354-1 und VDI 27191).

-3

Bewertetes Schalldämm-Maß

Die Schalldämmung eines Bauteils ist abhängig von der Frequenz der auftreffenden Schallwellen. Um die Schalldämmung analog zur A-Bewertung von Geräuschen durch einen Einzahl-Wert zu charakterisieren, hat man eine Bezugskurve eingeführt (DIN EN ISO 7172)), die in Bild 1.5.6-2 dargestellt ist. Diese entspricht ungefähr dem theoretischen Verlauf des Schalldämm-Maßes einer 25 cm dicken Vollziegelwand. Der mit Hilfe der Bezugskurve ermittelte Einzahl-Wert wird als bewertetes Schalldämm-Maß RW bezeichnet. Die Vorgehensweise zur Bestimmung des bewerteten Schalldämm-Maßes RW ist die folgende: In das Diagramm mit der Bezugskurve wird der gemessene Verlauf des SchalldämmMaßes eines Prüflings eingetragen (s. Bild 1.5.6-2). Die Messung erfolgt in der Regel für die Terzen im Bereich zwischen 100 Hz und 3150 Hz (16 Terzen) Bei gröberen Untersuchungen werden nur die 5 Oktav-Bänder im Bereich zwischen 125 und 2000 Hz gemessen. Anschließend wird die Bezugskurve soweit nach oben oder unten parallel verschoben, bis die Summe der Unterschreitungen der Meßpunkte durch die verschobene Bezugskurve (RMeßwert – Rverschobene Bezugskurve< 0) möglichst groß ist, aber höchstens 32dB (bei Meßwerten in den 16 Terzen) bzw. höchstens 10 dB (bei Meßwerten in den 5Oktaven) beträgt. Überschreitungen der Meßpunkte durch die verschobene Bezugskurve (RMeßwert–Rverschobene Bezugskurve> 0) bleiben unberücksichtigt. Der Wert der verschobenen Bezugskurve bei f = 500 Hz ist das Schalldämm-Maßes RW. Bei diesem bewerteten Schalldämm-Maß werden keine Schallübertragungen über flankierende Bauteile berücksichtigt. Werden diese berücksichtigt, erhält man das resultierende Schalldämm-Maßes R’W (Bauschalldämm-Maß). Die Anforderungen an Prüfstände ohne bauähnliche Flankenübertragung (Messung von R) und solche mit bauähnlicher Flankenübertragung (Messung von R’) sind in DIN EN ISO 140-1:1998033) beschrieben. Ein Rechenverfahren zur Ermittlung des resultierenden SchalldämmMaßes R’W,R ist im Beiblatt 1 zu DIN 41094) aufgeführt. Mindestanforderungen an das resultierende Schalldämm-Maßes R’W,R von Bauteilen sind in der DIN 41095) aufgelistet.

1)

2) 3) 4) 5)

DIN EN 12354-1:2000-12: Bauakustik – Berechnung der akustischen Eigenschaften von Gebäuden aus den Bauteileigenschaften – Teil 1: Luftschalldämmung zwischen Räumen. VDI 2719:1987-08: Schalldämmung von Fenstern und deren Zusatzeinrichtungen DIN EN ISO 717-1: 2006-11: Bewertung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen – Luftschalldämmung. DIN EN ISO 140-1:2005-03: Messung der Schalldämmung in Gebäuden und von Bauteilen – Anforderungen an Prüfstände mit unterdrückter Flankenübertragung. Beiblatt 1 zu DIN 4109:1989-11: Schallschutz im Hochbau – Ausführungsbeispiele und Rechenverfahren. DIN 4109:1989-11: Schallschutz im Hochbau – Anforderungen und Nachweise.

DVD 358

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Bild 1.5.6-2. Prüfung einer Wand; Gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise muss die Bezugskurve um 11dB nach unten verschoben werden. Der Wert der verschobenen Bezugskurve bei 500Hz ergibt das bewertete Schalldämm-Maß, also Rw = 41 dB.

-4

Einschalige Wände und Decken

bestehen aus einheitlichem Material, z.B. Beton, Ziegel usw. Sie dämmen um so besser, je schwerer sie sind. Gemessene Werte für mittlere Schalldämmung s. Tafel 1.5.6-1. Näherungsweise gilt für das Schalldämm-Maß R: R = 20 · lg f + 20 · lg m"–47 f = Frequenz in [Hz] m" = flächenbezogene Masse des Bauteils in [kg/m2] Diese Gleichung sollte in der Praxis weniger dazu verwendet werden, das SchalldämmMaß einer einschaligen Wand zu berechnen sondern um Maßnahmen zur Verbesserung des Schalldämm-Maßes zu bewerten. Verdoppelt man die flächenbezogene Masse des Bauteils, ergibt sich aus der obigen Gleichung, dass durch diese Maßnahme das Schalldämm-Maß für jede Frequenz um 6 dB (20 · lg 2) verbessert wird. Muss das Schalldämm-Maß um größere Beträge verbessert werden, ist also eine sehr große flächenbezogene Masse erforderlich. Damit stößt man sehr schnell an die Grenzen der Baustatik. Um starke Verbesserungen des Schalldämm-Maßes zu erreichen, sind daher Vorsatzschalen oder mehrschalige Bauteile erforderlich. Tafel 1.5.6-1

Mittlere Luftschalldämmung einschaliger Wände, beiderseits verputzt

Tafel 1.5.6-2

Mittlere Luftschalldämmung von zweischaligen Wänden

1.5.6 Luftschalldämmung

-5

359 DVD

Mehrschalige Wände und Decken

Diese bestehen aus zwei oder mehreren Schalen, die nicht in starrer Verbindung miteinander stehen. Um Hohlraumresonanzen zu bedämpfen, ist der Zwischenraum lose mit einer porösen Dämmschicht ausgefüllt. Bei richtiger Ausführungen ergeben sich gegenüber einschaligen Konstruktionen höhere Schalldämm-Maße bei geringeren Gewicht. Die Berechnung des Schalldämm-Maßes eines zweischaligen Bauteils ist sehr komplex. Für den theoretischen Fall, dass der Schall nur senkrecht auf die Wand auftrifft, gilt näherungsweise: R = 60 · lg f + 40 · lg m" + 20 · lg d – K f = Frequenz in [Hz] m" = flächenbezogene Masse des Bauteils in [kg/m2] d = Abstand der zwei Wandschalen in [m] K = Konstante Da der Schalleinfall auf das Bauteil in der Praxis nicht senkrecht sondern vielmehr diffus ist, kann diese Gleichung nicht zur Berechnung des Schalldämm-Maßes eines zweischaligen Bauteils herangezogen werden. Jedoch kann sie dazu verwendet werden, um Maßnahmen zur Verbesserung des Schalldämm-Maßes zu bewerten. Während bei einem einschaligen Bauteil die Verdoppelung der flächenbezogenen Masse zu einer Erhöhung des Schalldämm-Maßes um 6 dB führt (siehe vorherigen Abschnitt), beträgt hier die Erhöhung des Schalldämm-Maßes 12 dB (40 · lg 2). Bei der zweischaligen Wand sind verschiedene Ausführungen möglich. Beispielsweise kann vor eine Massivwand eine weiche Schale (z.B. eine Leichtbauplatte mit möglichst wenig Verbindungspunkten zur Massivwand) gesetzt werden (Bild 1.5.6-3, oder es können zwei gleich schwere Schalen in einem definierten Abstand zu einander aufgestellt werden (Bild 1.5.6-4). Auch bei zweischaligen Decken sind viele Ausführungen möglich. In Bild 1.5.6-5 ist unter der Tragdecke eine Unterdecke mit nur geringen Berührungsflächen montiert. Bild 1.5.6-6 zeigt eine Decke mit einem sog. schwimmenden Estrich. Zwischen der massiven Decke und dem Estrich befindet sich eine Dämmschicht. Die Kombination der Konstruktionen in Bild 1.5.6-5 und Bild 1.5.6-6 ergibt eine dreischalige Decke, mit der bei einer richtigen Ausführung besonders hohe Schalldämm-Maße erreicht werden.

Bild 1.5.6-3. Wand mit vorgesetzter Leichtbau- Bild 1.5.6-4. Wand mit platte. zwei gleichen Schalen.

Bild 1.5.6-5. Decke mit untergehängter Schale. Bild 1.5.6-6. Decke mit schwimmendem Estrich.

DVD 360

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

-6

Fenster und Türen

Die Schalldämmung von Fenstern und Türen hängt außer von der Dicke des Materials außerordentlich stark von der mehr oder weniger guten Ausführung der Dichtung an den Auflageflächen ab. Gemessene Werte daher außerordentlich streuend (Tafel 1.5.6-3). In verkehrsreichen Straßen mit einem Pegel von z.B. 75 dB sind Schallschutzfenster unerlässlich. Schallpegel im Raum dabei 75 – 35 = 40 dB. Tafel 1.5.6-3

Mittlere Luftschalldämmung von Fenstern und Türen Die höheren Werte beziehen sich auf Türen bzw. Fenster mit zusätzlicher Dichtung.

Bauteil

Mittlere Dämmzahl dB

-7

Übliche Doppel- EinfachEinfachtür fenster tür

Isolierglas

Kastendoppelfenster

Schallschutzfenster

20…25

30…35

30…35

35…45

30…40

20…30

Zusammengesetzte Bauteile

Dieses sind Bauteile mit darin befindlichen Flächen anderer Schalldämmung. Ein Beispiel ist eine Wand mit Fenster und Tür (Bild 1.5.6-7). Sind die Schalldämm-Maße der einzelnen Bauteile bekannt, berechnet sich das Schalldämm-Maß des zusammengesetzten Bauteils wie folgt: n

∑ Si ⋅ 10

– 0 ,1 ⋅ R W , i

=1 = i-------------------------------------------n

R'W,res

∑ Si

i=1

R'W,res = Schalldämm-Maß des zusammengesetzten Bauteils = Fläche des i-ten Einzelbauteils Si RW,i bzw. R'W,i = Schalldämm-Maß des i-ten Einzelbauteils n = Anzahl der Einzelbauteile Beispiel: Gegeben ist die Wandkonstruktion in Bild 1.5.6-7 mit den folgenden Daten: Wand ohne Tür und Fenster: RW = 52dB; S = 9 m2 Fensterelement: RW = 40dB; S = 1 m2 Türelement: RW = 35dB; S = 2 m2 Damit ergibt sich das Schalldämm-Maß der Wandkonstruktion zu: – 0 ,1 ⋅ 52

R'W,res

=

– 0 ,1 ⋅ 40

– 0 ,1 ⋅ 35

⋅ 10 + 1 ⋅ 10 + 2 ⋅ 10 - = 41,8 dB = 41 dB. – 10 lg 9---------------------------------------------------------------------------------------------------12

Hinweis: Ergebnisse für das Schalldämm-Maß von zusammengesetzten Bauteilen werden grundsätzlich auf volle dB abgerundet.

1.5.7 Körperschalldämmung

361 DVD

Bild 1.5.6-7. Beispiel für ein zusammengesetztes Bauteil (Bild Lindner AG).

1.5.7

Körperschalldämmung

Körperschall ist der Schall, der sich in einem festen Medium bei einer Frequenz > 15 Hz ausbreitet. Körperschall ist an sich nicht hörbar, wird jedoch dann hörbar, wenn er durch Abstrahlung von Flächen in Luftschall verwandelt wird, z.B. beim Trittschall. Weiterleitung des Schalles ist also möglichst zu dämmen, zumal sich der Schall in festen Körpern mit nur geringen Verlusten fortpflanzt (Heizungsrohre). Die Gesetzmäßigkeiten bei der Körperschalldämmung sind wegen der Kopplung verschiedener Wellen sehr unübersichtlich. Verhinderung der Schallausbreitung hauptsächlich durch Zwischenschaltung einer elastischen Schicht wie Kork, Gummi u.a., an der die Schallwellen reflektiert werden. Allgemein lässt sich sagen, dass die Dämmung desto größer ist, je weicher und je stärker belastet die elastische Schicht ist. Bei langsamen Schwingungen, wie sie z.B. bei rotierenden Maschinen auftreten, spricht man von Erschütterungen. Sie werden durch sogenannte Schwingungsdämpfer verringert. Dabei ist es wichtig, die Eigenschwingzahl nei der Anordnung möglichst weit unterhalb oder oberhalb der Erregungsschwingzahl ner zu halten, damit Resonanz vermieden wird. Eigenschwingzahl ist die Schwingzahl je Sekunde, die die Maschine auf der Federung beim Ausstoßen annimmt. Erregerschwingzahl ist durch den Takt der Erregerkräfte gegeben, z.B. durch die Drehzahl der Maschinen, Nutenzahl bei Motoren, Schaufelzahl bei Lüftern usw. (Weiteres s. Abschn. 3.3.6-6 s. S. 1431)

1.5.8

Schallabsorption

Bei porigen Stoffen wie Textilien, Mineralwolle, Filzen, Holzfaserstoffen usw. wird ein wesentlicher Teil der auftreffenden Schallenergie in den Poren absorbiert und in Wärme verwandelt. Diesen Vorgang der Schallpegelabnahme nennt man Schalldämpfung (im Gegensatz zur Schalldämmung). Der Schallabsorptionsgrad αs (DIN EN ISO 354:200312) eines Stoffes gibt an, wieviel von der auftreffenden Schallenergie absorbiert wird. Sie ist das Verhältnis der absorbierten zur auftretenden Schallintensität. Der Schallabsorptionsgrad nimmt bei fast allen Stoffen mit der Frequenz stark zu. Bei tiefen Frequenzen ist sie um so größer, je dicker die Schallschluckplatte ist. Sie ist für zahllose Stoffe gemessen worden. Einige Werte zeigt Bild 1.5.6-8, weitere Zahlenwerte in Abschn. 3.3.6 s. S. 1395. Diese Methode der Schallabsorption wird in den „Schalldämpfern“ der Lüftungstechnik in großem Maßstab benutzt. Dabei erhalten die Kanäle schallschluckende Einbauten (Kulissen) aus Glas- oder Mineralwolle. Die Stärke der Schallabsorption lässt sich annähernd berechnen.

DVD 362

1. Grundlagen / 1.5 Schalltechnische Grundlagen

Bild 1.5.6-8. Schallschluckzahlen verschiedener Stoffe nach Thienhaus. a) Glattputz b) 2,5 cm Holzwolle-Leichtbauplatte c) dito mit 5 cm Luftraum d) 3 cm Glaswatte-Matte

e) 1 Lage Wachstuch über 5 cm durch Glaswatte gedämpften Luftraum f) 3 mm Sperrholz über 5 cm ungedämpften Luftraum g) poröse und schwingfähige Stoffe kombiniert

Bild 1.5.6-9. Schallabsorption bei Schallschluckstoffen und mitschwingenden Platten.

Eine bessere, auch für tiefere Frequenzen geeignete Schallabsorption erhält man, wenn man hinter dünnen, mitschwingenden Platten, z.B. Sperrholz, Gipskarton u.a. Luftzwischenräume vorsieht, die ganz oder teilweise mit Schallschluckstoffen ausgefüllt werden (Bild 1.5.6-9). Die in den Zwischenräumen auftretenden Schallschwingungen werden von dem Schluckstoff mehr oder weniger stark absorbiert. Diese Anordnung ist besonders wirksam bei oder in der Nähe der Frequenz: f

c ρ- ------= ----2π l m

ρ = Dichte der Luft (kg/m3) l = Luftzwischenraum (m) m = Massen der Platte (kg/m2) c = Schallgeschwindigkeit der Luft (m/s). Für Luft von 20 °C ist 60 = ------------- in Hz. l m Von der Schallabsorption macht man auch Gebrauch, wenn man die Geräuschstärke in einem Raum verringern will. Dabei werden in großem Umfang gelochte Platten oder Bleche verwendet, hinter denen Mineralwolle angebracht ist. Der Prozentsatz der Lochung beeinflußt die akustische Wirkung ebenso wie der Strömungswiderstand (Dicke) der Mineralfaserplatten (Akustikplatten). Verwendung in Büroräumen, Maschinenräumen u.a. Siehe auch Abschn. 3.3.6 s. S. 1395.

f

1.5.9 Akustik großer Räume

1.5.9

363 DVD

Akustik großer Räume

In geschlossenen Räumen wird der Schall an den Raumbegrenzungsflächen, vor allem an Decken und Wänden, ein- oder mehrmals zurückgeworfen. Je nach der Größe und Form der Räume sowie Schallschluckung der Flächen ist die Verständlichkeit und Klanggüte verschieden. Räume mit großen Glas- oder Betonflächen, die stark reflektieren, haben eine lange Nachhallzeit (Hallräume), evtl. sogar Echo und damit eine geringe Verständlichkeit. Räume mit schallschluckenden Wänden, Vorhängen oder dergl. (schallweiche Räume) haben eine kurze Nachhallzeit und damit gute Verständlichkeit. Daher ist der Nachhall, der mit einem Pegelschreibgerät aufgenommen wird, ein einfaches Maß für die Klanggüte. Unter Nachhallzeit versteht man diejenige Zeit, während der die Schallenergie auf den millionsten Teil ihres Anfangswertes herabsinkt, der Schallpegel sich also um 60 dB verringert. Nach Sabine ist die Nachhallzeit in einem Raum T

--= 0,163 · V A

T = Nachhallzeit in [s] V = Raumvolumen in [m3] A = äquivalente Absorptionsfläche im Raum [m2 Sabine] Aus der Nachhallzeit lässt sich also die äquivalente Absorptionsfläche berechnen. Tafel 1.5.9-1

Übliche Nachhallzeiten von Räumen in Sekunden

Einen weiteren qualifizierten Maßstab für die Hörsamkeit und Klanggüte großer Räume bilden die in den ersten 50 ms nach dem Direktschall eintreffenden Reflexionsschallanteile.

DVD 364

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

1.6

Messtechnische Grundlagen1) Ergänzungen von Dipl.-Ing. Detlef Makulla, Köln (ausgenommen Abschn. 1.6.6-1.2 s. S. 388 und 1.6.10-3 s. S. 402)

1.6.1

Allgemeines2)

Bestandteile eines Messgerätes sind grundsätzlich: der Aufnehmer, Fühler, Geber oder Sensor, das Mess- oder Rechensystem zur Auswertung, das Anzeigesystem (Zeiger, Skala, Display), der Datenspeicher, das System zur Datenausgabe (analog D-1 bzw. 10V, 0–2 s zu 0–20 mA oder digital). Da der Sensor oftmals kein lineares Signal in Abhängigkeit der Messgröße liefert, sind im Messgerät elektrische Schaltungen zur Linearisierung erforderlich. Sind zwischen Sensor und Signalauswertung längere Leitungen erforderlich, eignen sich digitale Signale besser als Spannungssignale (Spannungsabfall auf der Leitung). Die Leitungen von Messsignalen sind gegen Störungen von aussen (z.B. von Frequenzumformern) abzuschirmen.

1.6.2 -1

Druckmessung Allgemeines

Es ist stets zwischen Relativdrücken (= Differenzdrücken) und Absolutdrücken zu unterscheiden. Bei Relativdrücken ist der Bezugsdruck in der Regel der atmosphärische Luftdruck. Die meisten technisch gemessenen Drücke sind Über- oder Unterdrücke, bezogen auf den atmosphärischen Druck, z.B. Dampfdruck in einem Kessel oder Luftdruck in einem Lüftungsrohr. Die absolute Höhe des atmosphärischen Luftdruckes, der in den Grenzen von 0,95…1,05 bar schwankt, ist dabei als unwesentlich angesehen. Bei der Messung von Druckdifferenzen bezieht man sich auf einen der beiden zu messenden Drücke. Beim Absolutdruck ist der Bezugsdruck = Null (Barometer, Vakuummeter). Da in der Praxis meistens Differenzdrücke gemessen werden, ist im Messprotokoll der atmosphärische Druck anzugeben. Einheiten des Druckes sind im SI-System: 1 Newton/m2 = 1 N/m2 = 1 Pascal (Pa) 1 bar = 105 N/m2 = 1000 mbar. Die Wasserdampftafeln geben den absoluten Druck in bar an. In der Vakuumtechnikwird der Druck auch in % Vakuum angegeben, wobei 0% Vakuum = Atmosphärendruck = 1013 mbar. Tafel 1.6.2-1

Druckmessverfahren, Anwendungsbereich und Messbereich

Gerätetyp

typische Anwendungsbereiche

häufige Messbereiche

U-Rohr und Schrägrohrmanometer

Druckdifferenzen in Anlagenteilen (z.B. Filter, Messblenden, Ventilatoren)

100–5000 Pa

Federmanometer

Überwachung Druckleitungen, Druckluft, Wasserdruck, Gasdruck

1–100 bar

1) 2)

Ergänzungen und Korrekturen von 68. bis 72. Auflage durch Dr.-Ing. Franc Sodec, Bergisch Gladbach, ab 73. Auflage durch Dipl.-Ing. Detlef Makulla, Köln DIN EN 12599:2000-08: Prüf- und Messverfahren für die Übergabe eingebauter raumlufttechnischer Anlagen.

1.6.2 Druckmessung Tafel 1.6.2-1

365 DVD

Druckmessverfahren, Anwendungsbereich und Messbereich

Gerätetyp

typische Anwendungsbereiche

häufige Messbereiche

elektrische Manometer Druckdifferenzen in Lüftungsanlagen, Geschwindigkeiten mit Prandtl-Sonde

bis 200 Pa

Mikromanometer

bis 50 Pa

-2

Druckdifferenzen zwischen Räumen

U-Rohr-Manometer

bestehend aus einem U-förmig gebogenen Glasrohr (Bild 1.6.2-1), sind die einfachsten Druckmesser zur Messung des Über- oder Unterdruckes, Messflüssigkeit ist meist Wasser oder Alkohol. Sonstige Flüssigkeiten s. Tafel 1.6.2-2. Messbereich ≈ 0 bis 1000 mm Flüssigkeitssäule. Messgenauigkeit ≈1 mm Flüssigkeitssäule. Für kleine Drücke mittels U-Rohr wird in beiden Schenkeln eine spez. leichtere Flüssigkeit über eine spez. schwerere Flüssigkeit eingefüllt, z.B. Benzin auf Wasser (Bild 1.6.2-2).

Bild 1.6.2-1. U-Rohr-Manometer.

Bild 1.6.2-2. Zweistoffmanometer.

Bild 1.6.2-3. Schrägrohrmanometer.

Für sehr geringe Drücke werden Mikromanometer (Schrägrohrmanometer) verwendet, bei denen ein Schenkel schräg gelegt ist (Bild 1.6.2-3). Neigung meist 1 : 10. Messbereich ≈ 1 bis 25 mm Flüssigkeitssäule, Messgenauigkeit ≈ 0,1 mm Flüssigkeitssäule. Neigung auch verstellbar 1 : 25 bis 1 : 2 (Schwenkrohrmanometer). Sonderausführungen für kleinste Drücke (Minimeter) gestatten Ablesungen bis zu etwa 10–4 Pa. Alle U-Rohr-Manometer können auch zur Differenzdruckmessung verwendet werden, indem die zu messenden Drücke mit den beiden Messstellen verbunden werden. Sie sind auch als Messinstrumente für absoluten Druck geeignet, indem der eine Schenkel luftleer gemacht wird, wie es beim Quecksilber-Barometer geschieht. Tafel 1.6.2-2

-3

Manometerflüssigkeit

Federmanometer

haben als druckempfindliche Organe meist metallische Federn verschiedener Bauart. Man unterscheidet (Bild 1.6.2-4): Plattenfeder-Manometer (Bild 1.6.2-4a) mit kreisförmiger, flacher Federplatte, in die ringförmige Wellen eingepresst sind, um eine lineare Charakteristik zu erhalten. Geeignet für hohe Drücke.

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ROBUST

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15.09.2008 11:27:31 Uhr 10.10.2008 13:45:09 Uhr

DVD 366

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Rohrfeder-Manometer (Bild 1.6.2-4b), bei denen die Feder in Form einer elastischen, kreisförmig gebogenen Röhre mit flachem Querschnitt (früher Bourdonröhre genannt) ausgebildet ist. Beim Einleiten des Messdruckes in das Rohr streckt es sich, wobei die Bewegung des freien Endes auf ein Zeigerwerk übertragen wird. Besonders für hohe Drücke geeignet.

Bild 1.6.2-4. Feder-Manometer a) Plattenfeder b) Rohrfeder

c) Kapselfeder

d) Balgfeder

Kapselfeder-Manometer mit 2 an den Rändern zusammengefügten Membranen, wodurch der Hub wesentlich vergrößert wird. Der Druck wird in den Hohlraum geleitet. Besonders geeignet für geringe Drücke oder Unterdrücke, z.B. Zugmesser bei Feuerungen. Die Instrumente können auch zur Messung des absoluten Druckes verwendet werden, indem das Innere der Membrane vollkommen luftleer gemacht wird (AneroidBarometer, Bild 1.6.2-4c). Balgfeder-Manometer verwenden metallene Balgfedern, die innen oder außen beaufschlagt sein können. Nullpunkteinstellung durch Gegenfeder (Bild 1.6.2-4d). Vorteile der Federmanometer sind insbesondere Unempfindlichkeit und geringe Kosten. Besonders geeignet für mittlere und hohe Drücke. Nachteilig ist, dass eine Eichung nur mit Hilfe von Flüssigkeitsmanometern möglich ist. Bei Dampfdruckmessern Rohrschleifen vor Manometer, um direkte Berührung der Federn mit Dampf zu vermeiden.

-4

Elektrische Manometer

Digitale Mikromanometer sind sowohl für Messungen auf Baustellen als auch im Labor sehr praktisch. Bild 1.6.2-5 zeigt das Messprinzip. Elektroden bilden mit einer Membran eine elektrische Luftspalt-Kapazität. Bewegt eine Druckdifferenz die Membran aus der Symmetrielage, werden die beiden Kapazitäten verschieden, so dass ein elektrisches Messsignal entsteht. Messbereich umschaltbar z.B. für Drücke 0…200 bis 0…5000 Pa. Sondergeräte auch für andere Messbereiche. Zu beachten ist die Lageabhängigkeit der meisten Geräte, deshalb sind Geräte mit automatischem Nullpunktabgleich zu bevorzugen. Eingebauter Mikrorechner für Quadratwurzel-Funktion erlaubt direkte Anzeige für Geschwindigkeit bei Druckmessung mit Pitot-Rohr. Tragbares Gerät für Baustellenmessung zeigt Bild 1.6.2-6. Gleiches System wird auch für digitale Weiterverarbeitung von Messdaten in Labor- oder Leittechnik verwendet. Siehe auch Bild 1.6.10-10.

1.6.3 Temperaturmessung

367 DVD

Bild 1.6.2-5. Digitales Mikromanometer, Messprinzip: Luftspalt-Kondensator.

1.6.3 -1

Bild 1.6.2-6. Digitales Mikromanometer, batteriebetriebenes Handgerät (E. Müller).

Temperaturmessung1) Allgemeines

Die verschiedenen Messverfahren beruhen auf solchen Eigenschaften der Körper, die sich mit der Temperatur in messbarer Weise ändern, insbesondere: 1. Ausdehnung fester, flüssiger und gasförmiger Körper, 2. Änderung des elektrischen Widerstandes, 3. Stärke der elektromotorischen Kraft, 4. Stärke der Licht- und Wärmestrahlung. Die Messbereiche der verschiedenen Thermometer sind in Tafel 1.6.3-1 angegeben. Tafel 1.6.3-1

Messbereiche verschiedener Thermometer

Messbereich in °C

Messgerät

– 100 bis + 50 – 35 bis + 300 – 35 bis + 500 – 35 bis + 800 bis + 300 bis + 600 – 25 bis + 500 – 40 bis + 130 – 100 bis + 150 – 200 bis + 750 – 200 bis + 600 – 200 bis + 800 0 bis + 1000 – 200 bis + 1300 0 bis + 1600 – 100 bis unbegrenzt

Alkohol-Thermometer Gewöhnliches Quecksilber-Glasthermometer Quecksilber-Glasthermometer mit Gasfüllung Quecksilber-Quarzglasthermometer Bimetall-Thermometer Stabförmige Metallthermometer Feder-Thermometer NTC Nickel-Widerstandsthermometer Platin-Widerstandsthermometer Kupfer-Konstantan-Thermoelemente Eisen-Konstantan-Thermoelemente Nickelchrom-Konstantan-Thermoelemente Nickelchrom-Nickel-Thermoelemente Platinrhodium-Platin-Thermoelemente Strahlungsthermometer

Die Schwierigkeiten der richtigen Temperaturmessung liegen häufig weniger an den Messgeräten, hier sind Genauigkeiten von ± 0,1 K möglich, als am Einbau der Fühler. Zufuhr oder Abfuhr von Wärme an der Messstelle durch Leitung oder Strahlung verändern dabei die wirkliche Temperatur, so dass die Anzeige verfälscht wird. Daher ist auf den Einbau oder die Anordnung von Thermometern große Sorgfalt zu legen.

1)

VDI/VDE 3511-1:1996-03 VDI/VDE 3511-2:1996-04, VDI/VDE 3511-3:1994-11, VDI/VDE 3511-4:1995-01, VDI/VDE 3511-5:1994-11: Technische Temperaturmessungen Blatt 1–5.

DVD 368

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.3-1. Quecksilber-Federthermometer.

-2

Bild 1.6.3-2. DampfdruckThermometer.

Ausdehnungs-Thermometer

a) Quecksilber-Glasthermometer sind bis etwa 300 °C brauchbar. Bei Füllung mit Stickstoff erhöht sich der Verwendungsbereich bis 500 °C, bei Quarzglas an Stelle von Glas bis auf 800 °C. Die untere Messgrenze liegt wegen des Erstarrungspunktes des Quecksilbers (–39 °C) bei etwa –35 °C. Für Messungen tieferer Temperaturen müssen andere Flüssigkeiten verwendet werden, insbesondere Alkohol, Toluol und Pentan. Da fast nie der ganze Flüssigkeitsfaden des Thermometers die zu messende Temperatur aufnehmen kann, weil ein Teil des Fadens aus der Hülse herausragt, ist bei genauen Messungen die sogenannte Fadenkorrektur notwendig, die bei Quecksilber nach folgender Formel erfolgt: n ( ta – tf ) - in °C Δt = -------------------6300

n = Zahl der herausragenden Temperaturgrade ta = angezeigte Temperatur tf = Fadentemperatur, in halber Höhe des herausragenden Fadens gemessen. Die Fadenkorrektur wird der angezeigten Temperatur hinzugezählt, es sei denn, dass das Thermometer den ausdrücklichen Vermerk „Mit herausragendem Faden geeicht“ trägt. Für Betriebsmessungen Einbau in Schutzrohre, wodurch die Genauigkeit leidet. b) Ausdehnungs-Federthermometer (Bild 1.6.3-1) arbeiten ebenfalls mit Flüssigkeitsfüllung. Die Ausdehnungsflüssigkeit, z.B. Quecksilber oder Petroleum, befindet sich in einem Tauchrohr (Fühler) und ist durch eine Kapillarleitung mit dem Federrohr des Anzeige-Instrumentes verbunden (Zeigerthermometer). Die Ausdehnung des Tauchrohrinhaltes bei Erwärmung bewirkt eine Drucksteigerung, die gesetzmäßig von der Temperatur abhängt. Genauigkeit: etwa ± 1 bis 3% des Anzeigebereichs. Bei Luftmessung sehr träge. c) Dampfdruck-Thermometer (auch Tensionsthermometer genannt oder SiededruckThermometer, Bild 1.6.3-2) ähneln äußerlich den Ausdehnungs-Federthermometern. Das Tauchrohr ist jedoch mit einer verdampfenden Flüssigkeit gefüllt und durch eine Messleitung mit der Manometerfeder des Anzeige-Instrumentes verbunden. Die Wirkung beruht auf der Eigenschaft der Dämpfe, dass der Dampfdruck eindeutig mit der Temperatur zusammenhängt. Füllflüssigkeiten sind gewöhnlich Äther, Äthylchlorid, Quecksilber u.a. Genauigkeit: etwa ± 1 bis 2% des Anzeigebereichs. Empfindlich gegen Übertemperaturen.

1.6.3 Temperaturmessung

369 DVD

d) Metall-Ausdehnungsthermometer benutzen zur Messung den Unterschied der Ausdehnung zweier fester Körper mit verschiedenen Ausdehnungszahlen. Bei den Stabthermometern ist ein Stab mit geringer Ausdehnungszahl (z.B. Invar oder Porzellan) von einem Rohr mit hoher Ausdehnungszahl (z.B. Messing) umgeben. Verwendung besonders als Temperaturregler. Große Verstellkraft, Längenänderung < 0,01mm/K. Bei den Bimetall-Thermometern (Bild 1.6.3-3) sind zwei Metallstreifen mit verschiedenen Ausdehnungszahlen miteinander verlötet. Bei Temperaturänderungen krümmt sich der Streifen mehr oder weniger stark, wobei die Bewegung auf einen Zeiger übertragen wird. Verwendung auch für Raumtemperaturregler und Schreibgeräte (Thermograph), s. Bild 1.6.3-4. Bild 1.6.3-4 enthält gleichzeitig einen Feuchteschreiber. Schreibtrommel mit Federwerk oder Quarzuhr angetrieben, Registrierzeit wählbar zwischen 1 und 31 Tagen.

Bild 1.6.3-3. BimetallZeigerthermometer (Schema).

-3

Bild 1.6.3-4. Thermograph mit Bimetall und Hygrograph mit Haarharfe (Thies).

Elektrische Widerstandsthermometer

Bei diesen Geräten wird die Eigenschaft reiner Metalldrähte, dass bei steigender Temperatur ihr elektrischer Leitungswiderstand gesetzmäßig steigt, zur Fernmessung benutzt. Nickel wird im Bereich –250 bis 200 °C, Platin von –250 bis 900 °C eingesetzt. Platin hat eine sehr gute Linearität. Kostengünstige Sensoren in Dünnschicht-Technik haben einen geringeren Platin-Reinheitsgrad. Meist erfolgt der Betrieb bei Gleichspannungen von 6 bis 24 Volt, wobei das Widerstandsthermometer in einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke eingebaut ist und der Brückenstrom gemessen wird (Bild 1.6.3-5). Statt dessen kann die Schaltung auch in 4Leiter Technik nach Bild 1.6.3-6 aufgebaut werden, wobei die Spannungsmessung häufig mit Hilfe von Analog/Digital-Wandlern durchgeführt wird. Die Leitungslänge hat dabei praktisch keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Beim Normmesswiderstand Pt 1001) beträgt der Widerstand 100 Ω bei 0 °C. Widerstandsänderung bei Platin ≈ 0,4 W/K. Es gibt jedoch auch Widerstände, die mit steigender Temperatur besser leiten. Sie haben einen „Negative Temperature Coefficient“ und heißen daher NTC-Widerstände oder Heißleiter oder Thermistoren. Herstellung aus gesinterten Metalloxiden in Stab-, Scheiben- oder Perlenform. Widerstandsänderung etwa 10mal größer als bei metallischen Widerständen, ungefähr 5 Ω/K. Er kann sich aufgrund der nichtlinearen Kennlinie bei einer Temperaturänderung von 1K um bis zu 1000 Ω ändern, so dass sehr genaue Messungen möglich sind (Bild 1.6.3-7). Nachteilig ist allerdings die Nichtlinearität des Widerstands mit der Temperatur. Verwendung insbesondere als sog. Sekundenthermometer zur Anzeige innerhalb weniger Sekunden (Bild 1.6.3-8). Unterschiedliche Fühler für Wasser, Luft u.a. Bei allen Geräten geringer Fehler durch Messstromerwärmung.

1)

DIN EN 60751:1996-07: Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Messwiderstände.

DVD 370 Tafel 1.6.3-2

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen Toleranz von Temperaturfühlern*)

Messwertaufnehmer

Klasse

Temperaturbereich in °C

Zulässige Toleranz in K (t Temperatur in °C)

1

– 40 ... 375 375 ... 1000

± 1,5 ± 0,004 · t

2

– 40 ... 333 333 ... 1200

± 2,5 ± 0,0075 · t

1

– 40 ... 375 375 ... 750

± 1,5 ± 0,004 · t

2

– 40 ... 333 333 ... 750

± 2,5 ± 0,0075 · t

Thermoelement Typ S (PtRh10-Pt) Typ R (PtRh13-Pt)

1

0 ... 1100 1100 ... 1600

± 1,0 ± [1 + 0,003 · (t – 1100)]

2

0 ... 600 600 ... 1600

± 1,5 ± 0,0025 · t

Pt 100

A

– 200 ... 650

± (0,15 + 0,002 · t)

B

– 200 ... 850

± (0,3 + 0,005 · t)

– 40 ... –25 – 25 ... 80 80 ... 30

± 0,4 ± 0,2 ± 0,8

Thermoelement Typ K (NiCr-Ni)

Thermoelement Typ J (Fe-Konst.)

NTC

*)

Thermoelemente nach DIN EN 60584:1994-10, Pt 100 nach DIN EN 60751:1996-07.

Bild 1.6.3-5 Widerstandsthermometer mit Wheatstonescher Brücke.

Bild 1.6.3-6. Widerstandsthermometer in 4-Leiter-Schaltung mit A/D-Wandler.

1.6.3 Temperaturmessung

Bild 1.6.3-7. Widerstandskenn-linien von Messwiderständen.

-4

371 DVD

Bild 1.6.3-8. Sekundenthermometer mit verschiedenen Temperaturfühlern (Oberflächen-, Tauch-, Einstech-Lufttemperatur-Fühler), Testotherm.

Thermoelemente

Der thermoelektrische Effekt wurde von Seebeck entdeckt. In einem Leiterkreis aus zwei verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen fließt ein elektrischer Strom, wenn die Verbindungsstellen (Lötstellen) zwischen den beiden Metallen unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Bei einem aufgetrennten Stromkreis kann die sogenannte Thermospannung gemessen werden, welche ein Maß für die Temperaturdifferenz ist. Umgekehrt fließt ein Strom, wenn die Verbindungsstellen auf unterschiedlicher Temperatur gehalten werden (Peltier Effekt).

Bild 1.6.3-9. Thermospannungen bei verschiedenen Thermoelementen.

Die gebräuchlichsten Thermoelemente und ihre Messbereiche sind in Bild 1.6.3-9 dargestellt. Die Genauigkeit von Thermoelementen ist geringer als von Widerstandsthermometern. Aufgrund ihres niedrigen Preises und der relativ linearen Kennlinie bei großem Messbereich haben sie sich aber viele Anwendungsgebiete erschlossen. Für genaue Messungen Vergleichsstelle mit konstanter Temperatur erforderlich, sog. Thermostate, in denen die Temperatur durch elektr. Heizelemente konstant gehalten wird. Eine andere Möglichkeit ist die Temperaturkompensation mit einem temperaturabhängigen Widerstand in einer Brückenschaltung. Schaltung Bild 1.6.3-10. Den üblichen Messbereich von Widerstandsfühlern und Thermoelementen zeigt Tafel 1.6.3-2. Je größer der Messbereich, desto universeller die Anwendung. Bei kleineren Messbereichen ist jedoch die Genauigkeit höher.

DVD 372

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.3-10. Schaltung von Thermoelementen. Links: Thermostat steuert Temperatur in der Vergleichsstelle; rechts: Brückenschaltung.

-5

Strahlungsthermometer (Infrarotthermometer, Pyrometer)1)

Strahlungsthermometer messen die von einer Oberfläche ausgehende Strahlung, die proportional zu T4 (T – absolute Temperatur in K) ist. Man unterscheidet Gesamtstrahlungsthermometer (Erfassung der Strahlung im Wellenlängenbereich von etwa λ = 0,2 µm bis 40 µm), Bandstrahlungsthermometer (z.B. λ = 8,0…14,0 µm) und Spektralstrahlungsthermometer (z.B. λ = 0,65 µm). Bei Kenntnis des Emissionsgrades ε der Oberfläche kann die Oberflächentemperatur berührungslos gemessen werden. Strahlungsthermometer ermöglichen schnelle (Zeitkonstante < 1s) und einfache Messungen von Oberflächentemperaturen Messbereiche ab –100 °C bis praktisch unbegrenzt (> 5000 °C). Sensoren mit Messbereich von ca. 0 °C bis 50 °C und Auflösung 0,1 K für Messung der Oberflächentemperaturverteilung bei Kühldecken. Ausführliche Beschreibung VDI/VDE 3511-4, Strahlungsthermometrie. Bild 1.6.3-11 zeigt Ausführungsformen von Handmessgeräten.

Bild 1.6.3-11. Strahlungsthermometer, Handmessgeräte (Ahlborn).

-6

Infrarot-Thermographie2)

Die Infrarot-Thermographie dient zur berührungslosen Messung und zur Darstellung von Wärmeverteilungen auf Objekten. Die von einer Oberfläche abgegebene Wärmestrahlung wird von einer Infrarot(IR)-Kamera aufgenommen und von einem IR-Detektor in elektrische Signale umgewandelt, die auf einem Bildschirm farblich dargestellt werden (Bild 1.6.3-12). Unterschiedliche Farben entsprechen dabei bestimmten Temperaturen. DieIR-Systeme arbeiten je nach Gerätetyp in verschiedenen Wellenlängenbereichen: Kurzwellenband SW (Short Wave) von 2–5 µm und Langwellenband LW (Long Wave) von8–12 µm. Da die IR-Detektoren erst bei tiefen Temperaturen optimal arbeiten, müssen sie gekühlt werden. Der Wellenlängenbereich, in dem das IR-System arbeitet, hängt im wesentlichen von der Detektorkühlung ab. Betriebstemperaturen bei SWDetektoren –70 °C bis –100 °C, bei LW-Detektoren –170 °C bis –200 °C. Drei Kühlverfahren werden unterschieden: Direktkontaktkühlung mit flüssigem Stickstoff (SW/LW), 1) 2)

VDI/VDE 3511-4.1: 2001-06, VDI/VDE 3511-4.2: 2002-01 und VDI/VDE 3511-4.3+4.4: 2005-07 Technische Temperaturmessungen, Strahlungsthermometrie. Lieneweg, F.: Handbuch der Technischen Wärmestrahlung.

1.6.4 Geschwindigkeitsmessung

373 DVD

Thermoelektrische Kühlung mit Peltier-Elementen (SW), Stirling-Kühlung (SW/LW). Messbereich –10 °C bis 2000 °C (SW), –30 °C bis 2000 °C (LW), Genauigkeit ± 1 K bzw. ±1% im gewählten Bereich. Mit einer dazugehörenden IR-Bildverarbeitung können neben der Bestimmung von Temperatur und Emissionsgrad u.a. auch zeitliche und örtliche Mittelungen durchgeführt werden. Anwendung: Zerstörungsfreie Materialprüfung, Prozessüberwachung/Qualitätssicherung (Stahlherstellung, Papiertrocknung), Instandhaltung (Wärmeisolation an Gebäuden, Ausmauerungsschäden von Hochöfen, Isolatorschäden an Hochspannungsleitungen, „Heiße“ Kontaktstellen in Schaltschränken, Temperaturverteilung an Kühldecken) usw.

Bild 1.6.3-12. Komponenten eines IR-Thermographiesystems (Agema).

-7

Globethermometer

Das Globethermometer (auch Globus-Thermometer) besteht aus einer mattschwarzen Hohlkugel mit ca. 150 mm Duchmesser, in deren Inneren die sich einstellende Temperatur mit z.B. Thermoelementen oder PT-100-Fühlern gemessen wird. Diese Temperatur liegt in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit zwischen der Lufttemperatur und der mittleren Oberflächentemperatur der Umschließungsflächen. Bei üblichen Raumluftgeschwindigkeiten (um 0,1 bis 0,2 m/s) ist die gemessene Globetemperatur in etwa das Mittel zwischen Luft- und mittlerer Oberflächentemperatur und entspricht der operativen (empfundenen) Raumtemperatur, vergleiche Abschn. 1.2.3 s. S. 118. Auch zur Messung der Raumbezugstemperatur bei Leistungsmessungen an Kühldecken (nach DIN EN 14240: 2004-04).

1.6.4

Geschwindigkeitsmessung

-1

Staugeräte

Diese Geräte messen den Staudruck in einer Strömung. Staudruck oder dynamischer Druck ist derjenige Druck, der sich durch vollkommene Umwandlung der Geschwindigkeitsenergie in Druck ergibt: Staudruck pd = 1--- ρw2 in N/m2 2 w = Geschwindigkeit m/s ρ = Dichte in kg/m3 Aus dieser Beziehung folgt die Geschwindigkeit w

=

2p d ⁄ ρ in m/s.

Das einfachste Staugerät ist das Pitotrohr, das ein vorn offenes Hakenrohr ist. Am meisten verwendet wird das Staurohr von Prandtl (Bild 1.6.4-1), das auch den statischen Druck innerhalb der Strömung misst. Das Staurohr hat daher zwei Messöffnungen. Die eine am vorderen Ende des Staurohres ist der Strömung entgegengerichtet und dient zur Messung des Gesamtdruckes pg = ps + pd .

DVD 374

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.4-1. Bestimmung der Geschwindigkeit durch Druckmessung mit Staurohr von Prandtl.

Die andere Öffnung ist in Form eines Schlitzes senkrecht zur Strömung angeordnet und misst nur den statischen Druck ps. Der dynamische oder Staudruck ist die Differenz beider Drücke: p d = pg – p s Man erhält seine Größe, indem man nach Bild 1.6.4-1 beide Enden des Staurohrs mit den beiden Schenkeln eines Manometers verbindet. Bei Luft von atmosphärischem Druck ist angenähert mit pd in N/m2: w

=

2p d ⁄ ρ

=

2 ⋅ pd ------------ = 1 ,3 p d in m/s. 1 ,20

Bei größeren Kanälen ist zur Feststellung des Volumenstromes die Geschwindigkeit an mehreren Stellen zu messen und der Mittelwert zu bilden oder direkt mittelwertbildende Stausonden zu verwenden (s. Abschn. 1.6.5-9 s. S. 382). Zu den Staugeräten zählen auch direkt anzeigende mechanische Strömungssonden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Staudruck direkt als Geschwindigkeit angezeigt wird (Bild 1.6.4-2). Digitale Manometer (Bild 1.6.2-6) mit Rechner geben Anzeige direkt in m/s.

Bild 1.6.4-2. Strömungssonde (Lambrecht).

-2

Thermische Anemometer, Hitzdraht-Anemometer

Thermische Anemometer benutzen zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit als Sensor einen elektrisch beheizten Widerstand oder Thermistor. Der Sensor wird in eine Wheatstonsche Brücke geschaltet. Je nach der Größe der Luftgeschwindigkeit kühlt sich der Sensor mehr oder weniger ab und ändert dabei seinen elektrischen Widerstand. Bei Anemometern nach dem Konstant-Strom-Prinzip wird der Sensor mit konstantem elektrischen Strom geheizt und der Widerstand gemessen. In Anemometern nach dem Konstant-Temperatur-Prinzip wird die Temperatur des Sensors konstant gehalten, und der dazu erforderliche Heizstrom ist ein Maß für die Luftgeschwindigkeit. Die Temperatur der Sensoren ist üblicherweise 10–70 K über der Raumtemperatur. Die thermischen Anemometer sind meistens mit einer Temperaturkompensation versehen, die den Einfluss der Raumtemperaturänderungen ausgleicht.

1.6.4 Geschwindigkeitsmessung

375 DVD

Der Sensor kann die Form eines Zylinders, eines Plättchens oder einer Kugel haben. Die Form beeinflusst die Richtungsabhängigkeit. Für schnelle Anzeigen ist eine geringe Masse des Sensors notwendig. Die Geräte werden insbesondere zur Messung der Raumluftgeschwindigkeit verwendet (Abschn. 1.6.4-5 s. S. 376). Zu beachten ist, dass bei kleinen Luftgeschwindigkeiten (unter 0,1m/s) der thermische Auftrieb des beheizten Sensors das Messergebnis stark beeinflusst. Hitzdrahtanemometer gehören ebenfalls zu der Kategorie der thermischen Anemometer und werden vor allem in der Strömungsmechanik eingesetzt. Der Sensor besteht aus einem dünnen, beheizten Draht, der stark richtungsabhängig ist. Bei Hitzdrahtanemometern mit2 oder 3 gekreuzten Hitzdrähten kann eine zwei- oder dreidimensionale Geschwindigkeitsverteilung gemessen werden.

Bild 1.6.4-3. Sensorspitzen verschiedener thermischer Anemometer (Alnor, DANTEC, TSI).

-3

Flügelradanemometer

Dazu gehören auch die namentlich in der Meteorologie verwendeten Schalenkreuzanemometer. Die Anzeige der letzteren ist in einer Ebene von der Richtung der Luftbewegung unabhängig. Die mechanische Anzeige früherer Jahre ist heute überwiegend elektrisch. Das Schalenkreuzanemometer nach Bild 1.6.4-4 enthält einen eingebauten Gleichstromgenerator, wodurch in Verbindung mit einem Millivoltmeter die Geschwindigkeit direkt abgelesen werden kann. Stromversorgung durch Batterie. Bei manchen Fabrikaten auch mit Windrichtungsmessung und Stromversorgung durch Solarzellen für Wetterstation. Das Flügelradanemometer nach Bild 1.6.4-4 arbeitet mit einem Induktivgeber, der eine Frequenz erzeugt, die in ein elektrisches Normausgangsignal umgewandelt wird.

Bild 1.6.4-4. Flügelrad- und Schalenkreuzanemometer mit elektrischem Ausgang und digitalem Anzeigegerät. Messbereich Flügelrad 0,4…20 oder 0,7…50 m/s, Schalenkreuz 1,1…90 m/s (Lambrecht).

Bei elektrischen Anemometern nach Bild 1.6.4-5 wird die Drehzahl des Flügels im Messkopf elektronisch durch Lichtschranken abgetastet. Die Lichtimpulse werden elektronisch gezählt und angezeigt. Flügelrad mit Schnappkopf auswechselbar für Flügelraddurchmesser von 15 bis 80 mm. Flügelrad auch für Wassereinsatz lieferbar (0,02…10 m/s). Außer Momentanwert auch umschaltbar für Mittelwert. Außerdem Anzeige der Temperatur. Der mechanische Anlaufwert wird elektronisch kompensiert.

DVD 376

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Stromversorgung durch Batterie. Auch mit digitaler Anzeige oder Schnittstelle RS 232 oder V 24 für Mikroprozessor-Datenverarbeitung erhältlich. Messbereich elektrischer Anemometer 0,2…100 m/s.

Bild 1.6.4-5. Direkt anzeigendes fotoelektrisches Flügelrad-Anemometer (Schiltknecht, Gossau, Schweiz).

-4

Laser-Doppler-Geräte

Arbeitsprinzip: Ein Laserstrahl wird in zwei sich kreuzende Strahlen aufgeteilt. Der Kreuzungspunkt ist der Messpunkt. Von der Strömung mitzutragende Partikel reflektieren das Streulicht, das infolge der Partikelbewegung auf dem Lichtempfänger einen Doppler-Effekt als Maß der punktförmigen Geschwindigkeit des Partikels ergibt. Dies ist vorteilhaft für das Ausmessen von Strömungsprofilen. Eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit entsteht aus sehr vielen Einzelmessungen. Für alle Messungen ist ein Glasfenster über dem gesamten Rohrquerschnitt erforderlich. Anwendung vorzugsweise im Laborbetrieb, z.B. als Volumennormal, da Apparatur und Auswertung sehr aufwendig, aber auch für Messung von Raumluftgeschwindigkeiten.

-5

Messung der Raumluftgeschwindigkeit1)

Die Luftbewegung in Räumen ist durch regellose örtliche und zeitliche Schwankungen der Luftgeschwindigkeit nach Richtung und Größe gekennzeichnet. Sie werden nicht nur durch Luftdurchlässe, sondern auch durch Konvektionsströmungen an Personen und Geräten, Heizkörpern, Leuchten, Wänden, Fenstern usw. verursacht und ergeben ein sehr komplexes Bild, das sich nur durch statistische Methoden darstellen lässt (Bild 1.6.4-6).

1)

DIN EN 12599:2000-08.

1.6.4 Geschwindigkeitsmessung

Verlauf der Raumluftgeschwindigkeit Beispiel: Mittelwert υ50 = 0,16 m/s, Standardabweichung s = 0,06 m/s

377 DVD

Geschwindigkeitsverlauf im Wahrscheinlichkeitsnetz; s = Standardabweichung

υ 84 – υ 50 s0,06 ---------------------- · 100 = ------· 100 = ---------- · 100 = 38% υ 50 υ 50 0,16

Bild 1.6.4-6. Zeitlicher Verlauf der Raumluftgeschwindigkeit. Definition von Mittelwert, Streuung und Turbulenzgrad.

Durch Untersuchungen hat man festgestellt, dass in der Mehrzahl der Fälle die Verteilung der Schwankungen der Luftgeschwindigkeit um einen Mittelwert nach der Normalverteilung (Gaußsche Verteilung) erfolgt. Für die Auswertung der Messungen wird das Stichprobenverfahren verwandt. In einer Zeit von mindestens 100 s werden mehr als n = 100 Messungen der momentanen Geschwindigkeit υ durchgeführt. _ Der arithmetische Mittelwert ist υ = 1--- Σ υi n 2

Die mittlere Abweichung, die Streuung (oder Standardabweichung) ist s =

Σ ( υ – vi ) -----------------------n–1

Durch Mittelwert _ und Streuung ist die Raumluftgeschwindigkeit gekennzeichnet. Der Mittelwert υ wird oft auch mit υ50 bezeichnet, während υ50 + s = υ84 genannt wird, weil diese Geschwindigkeit zu 84% der Zeit u n t e r schritten wird. Hieraus abzuleitender Turbulenzgrad s. Bild 1.6.4-6 . An die Messgeräte, meist thermische Anemometer, sind besondere Anforderungen zu stellen bez. dynamischen Verhaltens, Temperaturkompensation, Richtungsabhängigkeit u.a. Nach DIN EN 12599 muss der Geschwindigkeitsfühler eine Zeitkonstante (t 63) kleiner als 0,2 s haben. Messzeit  180 s. Messbereich 0,05 bis 1 m/s. Vollständige Temperaturkompensation im Bereich ± 4 K. Wegen der unterschiedlichen Eigenschaften der verwendeten Messsonden können die Ergebnisse der Messungen in gewissen Grenzen Unterschiede aufweisen. Moderne mikroelektronische Messgeräte mit Konstanttemperatur-Hitzdraht und Temperaturkompensation zeigen Bild 1.6.4-7 und Bild 1.6.4-8.

DVD 378

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.4-7. Tragbares Messgerät für Raumluftgeschwindigkeit (TSI).

Bild 1.6.4-8. Messgerät für Raumluftgeschwindigkeit für Labormessungen. Mit Auswertcomputer und Schnittstelle für weitere Datenverarbeitung (DANTEC).

1.6.5 -1

Mengen- und Durchflussmessung Wägung und Ausmessung

ist die einfachste Mengenmessmethode. Zwei Gefäße werden abwechselnd gefüllt und geleert und die benötigte Zeit festgestellt.

-2

Gaszähler

arbeiten nach dem volumetrischen Prinzip. Sie werden als trockene und nasse Zähler gebaut (Bild 1.6.5-1). Die nassen Gaszähler enthalten im Innern des bis über die Hälfte mit Wasser gefüllten Messraumes eine mit vier Kammern versehene Trommel (Crosley-Trommel). Diese dreht sich infolge des geringen einseitigen Gasüberdruckes langsam um ihre Achse, wobei sich die einzelnen Kammern entleeren und wieder füllen. Da diese nassen Zähler wegen der Flüssigkeitsfüllung regelmäßige Wartung verlangen, sind sie im Haushalt allmählich durch die trockenen Zähler verdrängt worden. Verwendung nur noch für Versuchszwecke, sehr genau.

Bild 1.6.5-1. Gaszähler a) Nasser Gaszähler

b) Trockener Gaszähler

1.6.5 Mengen- und Durchflussmessung

379 DVD

Die trockenen Gaszähler haben in einem viereckigen Blechgehäuse zwei als Messräume dienende Lederbälge, die sich abwechselnd füllen und entleeren. Die hin und her gehende ziehharmonikaähnliche Bewegung wird auf ein Zählwerk übertragen. Verwendung hauptsächlich als Haushaltsgasmesser. Druckverlust bei kleinen Mengen 10 bis 20 Pa, bei Vollast 80 bis 100 Pa. Größte Leistung etwa 500 m3/h. Messgenauigkeit etwa 1% des Bereichendwertes.

-3

Verdrängungszähler

sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine bewegliche Messkammer besitzen, die durch das Strömungsmedium angetrieben wird und mit einem Zählwerk verbunden ist. Hubkolbenzähler verwenden einen in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben, durch den die Flüssigkeit verdrängt wird. Seltene Ausführung. Drehkolbenzähler, die besonders für Gasmessungen geeignet sind, enthalten 2 Drehkolben, die durch Zahnräder untereinander verbunden sind und durch den Gasstrom in Umdrehung versetzt werden (Bild 1.6.5-2). Schmutzempfindlich. Ovalradzähler. Hier sind in der Messkammer 2 ovalförmige, durch Zahnräder miteinander verbundene Verdrängungskörper vorhanden (Bild 1.6.5-3). Ringkolbenzähler enthalten in der Messkammer einen exzentrisch gelagerten Kolben, der durch den Druck des Mediums in Drehung versetzt wird (Bild 1.6.5-4).

Bild 1.6.5-2. Prinzip des Drehkolbenzählers.

Bild 1.6.5-3. Prinzip des Ovalradzählers.

Bild 1.6.5-4. Prinzip des Ringkolbenzählers.

Die Verdrängungszähler, zu denen auch die Gaszähler gehören, eignen sich für Warmund Kaltwasser-Kondensat, Kraftstoffe aller Art sowie Gase. Hohe Genauigkeit, eichfähig. Auch für sehr kleine Durchflüsse, z.B. Heizöl für Kessel und Ölöfen, und für große Gasströme bis zu 60000 m3/h. Keine Einlaufstrecke erforderlich.

-4

Flügelradzähler

haben eine große Verbreitung zur Messung von Flüssigkeitsmengen gefunden (Bild 1.6.5-5). Messorgan ist ein senkrecht gelagertes, tangential angeströmtes Flügelrad, das durch den Flüssigkeitsstrom in Drehung gesetzt wird. Die Umdrehungen der Achse werden durch ein Räderwerk auf ein Zählwerk übertragen. Man unterscheidet Nassläufer, bei denen Getriebe und Zeigerwerk innerhalb der Flüssigkeit liegen, und heute überwiegend verwendeten Trockenläufer, bei denen nur die schnellaufenden Räder in Hartmetall-Saphir gelagert im Wasser und die übrigen Teile (Getriebe) im trockenen Außenraum liegen. Übertragung der Drehbewegung durch Magnetkupplung. Für Heisswasserzähler temperaturbeständige Werkstoffe. Bei Einbau Druckverlustkurven beachten. Verwendung als Wasserzähler und Geber für Wärmezähler in Wohnungen und Häusern. Keine Einlaufstrecke notwendig. Messfehler ± 3 bis 5%, bei viskosen Medien (z.B. Wasser-Glycol-Gemischen) höher.

DVD 380

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.5-6. Turbinen-Zähler (Woltman-Zähler).

Bild 1.6.5-5. Flügelradmesser.

Eine besondere Bauart der Flügelradzähler sind die Woltman-Zähler (Turbinenzähler), bei denen das axial angeströmte Messrad mehrere steilgängige, schraubenförmige Flügel mit waagerechter Achse besitzt. Besonders als Hauptwassermesser verwendet (Bild 1.6.5-6). Derartige Turbinenzähler werden heute mit berührungslosem Messwerk hergestellt. Dabei wird in einer außen befindlichen Abtastspule durch jeden vorbeidrehenden Flügel ein Spannungsimpuls induziert. Anzahl der Impulse ergibt den Volumenstrom. Fernübertragung möglich.

-5

Schwebekörper-Durchflussmesser

Diese Instrumente enthalten in einem besonders geformten sich nach oben erweiternden Rohr einen Schwebekörper aus Kunststoff oder metallischen Legierungen, der durch den Flüssigkeits- oder Gasstrom entgegen der Schwerkraft so weit gehoben wird, dass er schwebt. Durch geeignete Formgebung des Schwebekörpers und des Rohres lässt sich erreichen, dass der Hub proportional dem Fluidstrom ist. Die Geräte sind sowohl für Flüssigkeiten wie Gase und Dämpfe verwendbar, müssen jedoch für jeden Stoff kalibriert werden. Dazu stehen vom Hersteller Kalibrierkurven zur Verfügung. Sie werden mit induktivem Längenfühler als Anzeige- und Schreibgeräte geliefert. Bekannte Bauarten sind die Rotamesser (Bild 1.6.5-7). Neben einer örtlichen Anzeige ist auch Fernanzeige und Registrierung möglich. Messbereich von einigen ml/h bis etwa 600 m3/h Luft, 40 m3/h Wasser.

Bild 1.6.5-7. Schwebekörper-Durchflußmesser (Rota).

-6

Bild 1.6.5-8. Druckverlauf bei einer Blende.

Drosselgeräte

Die Volumenstrommessung mittels dieser Geräte beruht auf der Messung des Druckunterschiedes, der vor und hinter einer Drosselstelle bei der Strömung in einem Rohr eintritt (s. Abschn. 1.4.3 s. S. 328 und Bild 1.6.5-8). Dieses Messverfahren

1.6.5 Mengen- und Durchflussmessung

381 DVD

(Wirkdruckverfahren) ist für alle Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe bei beliebigen Temperaturen und Drücken verwendbar und liefert sehr genaue Ergebnisse. Für die Messung mit Blenden und Düsen als Drosselstellen sind vom VDI Regeln aufgestellt worden, in denen alles für die Ausführung Wichtige zusammengestellt ist1). Der Volumenstrom ist 2 · --- d 2 Δ p ⁄ ρ in m3/s V= α ε π 4

α = Durchflußzahl (Tafel 1.4.3-1) ε = Expansionszahl (DIN EN ISO 5167-1) d = Durchmesser der Drosselstelle in m Δp = Wirkdruck in Pa ρ = Dichte in kg/m3 Zur vollständigen Messeinrichtung gehören: das Drosselgerät (Blende, Düse, Venturirohr), ein Differenzdruckmesser (Manometer) zur Messung des Druckunterschiedes, die Druckübertragungsleitung von der Messstelle zum Manometer. Als Drosselgeräte werden verwendet (s. Abschn. 1.4.3 s. S. 328): Blenden sind Scheiben mit scharfer Kante an der Einlaufseite. Düsen haben abgerundete Einlaufkanten. Venturirohre bestehen aus einer konischen Verjüngung mit anschließender konischer Erweiterung. Als Differenzdruckmesser können beliebige Druckmesser mit entsprechender Genauigkeit verwendet werden. Die Auswahl der geeigneten Drosselgeräte erfolgt nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Die Blende ist am billigsten, verursacht aber den größten Druckverlust. Die Düse hat geringeren Druckverlust, noch geringeren hat das Venturirohr, das jedoch wegen des höheren Preises und größerer Einbaulänge nicht so allgemein verwendet wird wie Blenden und Düsen. Für Fernanzeige und für Regelungen werden elektrische Messwertumwandler (Transmitter) verwendet. Deren Eingangssignal ist der Wirkdruck des Drosselgerätes, während sich auf der Ausgangsseite ein elektrischer Strom einstellt. Zu beachten ist, dass alle Drosselgeräte vor und hinter der Einbaustelle gewisse geradlinige Rohrstrecken erfordern, die in DIN EN ISO 5167-1 bis 4 in Vielfachen des Durchmessers angegeben sind.

-7

Ultraschallverfahren

Es wird die Phasen- oder Laufzeitdifferenz von Schallwellen stromaufwärts und stromabwärts gemessen. Da die Laufzeit der Schallwellen gegen die Strömungsrichtung größer ist als mit der Strömung, ergibt sich eine Zeitdifferenz, woraus sich die mittlere Geschwindigkeit und damit der Volumenstrom ergeben. Anwendung für alle Flüssigkeiten; z.B. als Volumenmessteil eines Wärmezählers. Niedrige Anlaufwerte bei Nenndurchflüssen von 0,75…3 m3/h. Hohe Messgenauigkeit. Auch als Anlegezähler erhältlich, jedoch Fehleranfällig. Ein- und Auslaufstrecke für exakte Messung notwendig. Ab DN 80 Messung auch in Zweispurtechnik. Dadurch hohe Redundanz gegeben (Bild 1.6.5-9, Danfoss). Weitere Vorteile: Digitales Durchflußprinzip ohne Nullpunktdrift, kein Druckabfall, zwei Fließrichtungen, Eichung kalt bis DN 700.

1)

VDI-Durchfluß-Messregeln. DIN EN ISO 5167-1–4: 2004-01.

DVD 382

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.5-9. Durchflußmessung mit Ultraschall. Anordnung der Schallspuren im Bereich gleicher Fließgeschwindigkeiten bei rotationssymmetrischen laminaren und turbulenten Strömungsprofilen.

-8

Bild 1.6.5-10. Prinzip der induktiven Durchflußmessung.

Induktionsverfahren

Die Flüssigkeit in einem nicht magnetisierbaren Rohrstück durchströmt ein senkrecht zum Rohr angeordnetes Magnetfeld und erzeugt dabei eine Spannung, die dem Durchfluß proportional ist. Flüssigkeit muss eine Mindestleitfähigkeit (ca. 200 µS/cm) besitzen, was auf die meisten Flüssigkeiten, aber meist nicht bei Heizwasser, zutrifft Bild 1.6.5-10). Kein Druckverlust, hohe Messgenauigkeit, Mindestgeschwindigkeit in der Rohrleitung 2 m/s. Ein- und Auslaufstrecke für exakte Messung erforderlich.

-9

Volumenstrommessung in Kanälen

-9.1

Netzmessung

Bei dieser Methode werden die Geschwindigkeiten an mehreren, über den Querschnitt verteilten Stellen gemessen und der Mittelwert gebildet (DIN EN 12599:2000-08). Hierzu ist besonders bei kleinen Durchmessern das Staurohr, ggf. in Miniaturausführung, geeignet. Ebenfalls eignet sich ein Hitzdrahtanemometer.

Bild 1.6.5-11. Messung der mittleren Geschwindigkeit bei Kreisquerschnitten.

Beim Kreisquerschnitt (Bild 1.6.5-11) teilt man die Kreisfläche in mehrere flächengleiche Kreisringe und mißt die Geschwindigkeit auf den sogenannten Schwerlinien (Schwerlinien-Verfahren). Mittlere Geschwindigkeit auf der arithmetische Mittelwert. Bei z.B. 5 Teilflächen sind die Rohrwandabstände der Messpunkte aus Tafel 1.6.5-1 ersichtlich. Eine andere Methode ist das Log-Linear-Verfahren, das bei größerem Grenzschichtanteil am Querschnitt angewendet wird. Bei Messung im Kreisquerschnitt auf mindestens zwei

1.6.5 Mengen- und Durchflussmessung

383 DVD

zueinander senkrechten Durchmessern 3 bis 5 Messungen auf einem Radius je Kreissegment. Bei Rechteckquerschnitten teilt man die Fläche in eine angemessene Zahl von Teilflächen und mißt die Geschwindigkeit in definierten Punkten. Gut geeignet ist die „Log-36 Punkt-Regel“, nach der die Geschwindigkeit an 36 Punkten gemessen wird (Bild 1.6.5-12) und danach die arithmetische mittlere Geschwindigkeit gebildet wird. Dieser Wert wird mit dem Kanalquerschnitt multipliziert, um den Volumenstrom zu ermitteln.

Bild 1.6.5-12. „Log-36 Punkt-Regel“

Tafel 1.6.5-1

-9.2

Bild 1.6.5-13. Messung der mittleren Geschwindigkeit mittels Einlaufdüse.

Wandabstand der Messpunkte bei dem Schwerlinien-Verfahren

Einlaufdüse

Bei frei ansaugenden Ventilatoren mißt man den Volumenstrom mit einer gut abgerundeten Einlaufdüse an der Saugseite. Geschwindigkeit w = 2 Δ p ⁄ ρ Δp = statischer Unterdruck in Pa (Bild 1.6.5-13).

-9.3

Blenden und Düsen

s. Abschn. 1.6.5-6 s. S. 380.

-9.4

Staukörper

Bei über den Querschnitt ungleichmäßig verteilter Geschwindigkeit kann man Stausonden verwenden, die an mehreren Stellen gleichzeitig messen und den Staudruck ausmitteln. Formen der Sonden sind: Kreis, Kreuz, Gitter, Leiste o.ä. (Bild 1.6.5-14).

Bild 1.6.5-14. Wilson-Staugitter (Airflow). a Staugitter-Druckmessrohr b Staugitter-Sammelrohre c Verbindungsschläuche d Manometer

DVD 384

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Man ermittelt den Volumenstrom mit den vom Hersteller mitgelieferten Kurven und nicht nach der Gleichung aus Kapitel 1.6.5-9.2 s. S. 383.

-10

Volumenstrommessung an Luftdurchlässen

-10.1

Netzmessung

Man mißt an mehreren, über den Querschnitt verteilten Stellen des Luftdurchlasses mittels Staurohr oder Anemometer. Wegen der meist wirbel- und drallreichen Strömung Messung sehr ungenau.

-10.2

Messtrichter-Verfahren

Auf den Luftdurchlass wird ein Messtrichter gesetzt, eventuell mit Gleichrichter (Bild 1.6.5-15 und Bild 1.6.5-16). Die Luftgeschwindigkeit wird an der engsten Stelle gemessen. Gute Ergebnisse, wenn der Widerstand des Luftdurchlasses groß ist im Verhältnis zu dem des Trichters. Gegebenenfalls Korrektur des Messergebnisses.

Bild 1.6.5-15. Volumenstrommessung an einer Zuluftöffnung mittels Messtrichter.

-10.3

Bild 1.6.5-16. Volumenstrommessung bei einer Abluftöffnung.

Druckmessmethode

Am Luftdurchlass wird mit speziell angepaßten Messeinrichtungen (Messplättchen) ein kleiner Teil der Austrittsfläche versperrt und der Staudruck gemessen (Bild 1.6.5-17) oder es wird mit speziell geformten Sonden an definierten Stellen des Luftdurchlasses der Staudruck bestimmt. An Kalibrierkurven (vom Luftdurchlasshersteller) kann der Volumenstrom als Funktion des Messdruckes abgelesen werden. Vorteil: einfache Messung mit guter Genauigkeit vom Raum her möglich, jedoch Messeinrichtung und Kalibrierkurve fabrikats- und größenabhängig notwendig.

Bild 1.6.5-17. Volumenstrommessung – Druckmessmethode (Krantz-Komponenten).

-10.4

Nullmethode

Die Luft wird mit einem regelbaren Hilfsventilator aus einer am Luftdurchlass angebrachten Messkammer so gesaugt, dass in der Messkammer Atmosphärendruck herrscht. Zwischen Messkammer und Ventilator Normblenden oder Düsen zur genauen Messung. Gute Ergebnisse, aber aufwendig.

1.6.6 Wärmemengenmessung

1.6.6

385 DVD

Wärmemengenmessung

Wärmezähler sind eichpflichtig. Die Bauart muss PTB-zugelassen und das Einzelgerät geeicht sein. Zulassungsanforderungen siehe PTB-Mitteilungen 92 (1982). Andernfalls kann im Gültigkeitsbereich der Heizkosten-VO vom Nutzer 15% von den Wärmekosten abgezogen werden.

-1

Heizungsanlagen1)

-1.1

Direkte Messverfahren

zur physikalisch exakten Messung des Wärmeverbrauchs. Bei Dampfheizungen kann man entweder die Dampfmenge oder die Kondensatmenge messen. Bei bekanntem Dampfzustand ist hieraus der Wärmestrom leicht zu berechnen. Zur Dampfmengenmessung werden Drosselgeräte (Blenden, Düsen, Venturirohre) verwendet, oder Schwimmermesser, s. Abschn. 1.6.5-6 s. S. 380. Zur Kondensatmessung dienen Trommelzähler. Derartige Messgeräte gibt es als Flügelradzähler auch in sehr kleinen Ausführungen, die für die Kondensatmessung einzelner dampfgeheizter Wohnungen verwendet werden können. Bei Wasserheizungen ist die genaue Messung der gelieferten Wärme schwieriger. Das Prinzip aller Wärmezähler beruht auf der Messung des Produktes von Wassermassenstrom und Enthalpiedifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf. Für die Mengenmessung werden dabei Flügelrad- oder Drosselgeräte verwendet, während die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf durch Thermoelemente, Widerstandsthermometer angezeigt wird (Bild 1.6.6-1). Die Produktbildung beider Messgrößen erfolgt heute überwiegend elektrisch. Die von der Temperatur abhängigen Stoffwerte gehen als Korrektur in die Gleichung mit einem Koeffizienten (k-Faktor) ein, der die spezifische Dichte und Wärmekapazität abhängig von Vor- und Rücklauftemperatur berücksichtigt. Auswertung meist in elektronischen Rechenwerken, Bild 1.6.6-2 u. Bild 1.6.6-3. Das Volumen wird durch einen Heißwasserzähler (Flügelrad- oder Woltmanzähler) erfaßt, mit Hilfe eines Kontaktgebers digitalisiert und an das Rechenwerk weitergegeben.

Bild 1.6.6-1. Teile eines Wärmezählers.

1)

DIN 4713:1980-12: Verbrauchsabhängige Wärmekostenabrechnung. DIN EN 834:1994-11 u. DIN EN 835:1995-04: Heizkostenverteiler für die Verbrauchswerterfassung von Raumheizflächen. DIN EN 1434 Teil 1 bis 6: 2007-5

DVD 386

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.6-2. Schematischer Aufbau eines elektronischen Wärmezählers. Volumenmessteil mit rückwirkungsfreier Hochfrequenz-Flügelradabtastung (Allmess Schlumberger).

Bild 1.6.6-3. Elektronischer Wohnungs-Wärmezähler mit Flügelrad, 2 Platin-Widerstandsthermometern, Kompensation des Wärmekoeffizienten k (k-Faktor) und Batteriebetrieb über 6 Jahre (SpannerPollux).

Die Messung der Vorlauf- und Rücklauftemperatur erfolgt durch Widerstandsthermometer. Für 70/90 °C-Anlagen reichen Pt500- oder Pt1000-Messelemente aus, während sich in Fernwärmenetzen mit hohen Vorlauftemperaturen Pt100-Fühler mit drahtgewickelten Messelementen bewährt haben. Kommt es während des Betriebes zu annähernd sprunghaften Veränderungen der Temperaturen, wie z.B. bei der Warmwasserzapfung im Sommer, so ist auf eine kleine Zeitkonstante der Fühler und der Einbaugarnitur zu achten. Der Wegfall einer Tauchhülse unterstützt dies. Alle Wärmezähler sind besonders für Einrohrheizungen und horizontale Zweirohrheizungen geeignet. Einbaubeispiel Bild 1.6.6-4. Bei senkrechter Zweirohrheizung meist indirektes Messverfahren. Fehlergrenzen werden gem. PTB 92 festgelegt. Beispiel Bild 1.6.6-5. Praktisch etwa ± 6%, häufig auch mehr. In einer Heizperiode können auch bei guten Geräten Registrierfehler von ± 3% entstehen. Beispiel für den Einbau eines Wärmemessgerätes bei einer Fernheizung s. Bild 1.6.6-6.

Bild 1.6.6-4. Einbaubeispiel von Wärmezählern.

1.6.6 Wärmemengenmessung

387 DVD

Bild 1.6.6-5. Metrologische Klassen und ihre Eichfehlergrenzen nach PTB 92 am Beispiel eines Flügelradzählers für · V· n = 1,5 m3/h. V· n = dauernd zulässiger Durchfluß V· min = kleinster zulässiger Durchfluß Vt = Übergangsdurchfluß=Grenze zwischen oberem und unterem Belastungsbereich ·V max = max. · Durchfluß. Bereich oberhalb V n ist nicht geeicht.

Bild 1.6.6-6. Fernheizungs Unterstation mit Wärmezähler.

Manchmal werden auch nur Wasserzähler (Flügelrad- und Woltmanzähler) verwendet, wenn die Änderung der Vorlauftemperatur alle an das Heizwerk angeschlossenen Abnehmer gleichmäßig betrifft und sie der AVB-FLO unterliegen (Ersatzmessverfahren). Sonderausführungen für Warmwasser und Heißwasser. Einbau Durch ungünstigen Einbau eines Wärmezählers in seinen Messplatz können zusätzliche Messfehler auftreten, die unter Nennbedingungen nicht vorhanden sind. Dies kann besonders im Bereich der Temperaturfühler zu erheblichen Erfassungsverlusten führen. Durch folgende Maßnahmen können Einbaufehler verringert werden. Volumenmessteil – Senkrechte Lage der Flügelradachse, d.h. Einbauart horizontal – Keine Pulsationen oder Luftsäcke – Keine hydraulischen Störer wie z.B. Ventile oder Bögen – Montage in der Rücklaufleitung Elektronisches Rechenwerk – Nicht im Bereich von Starkstromleitungen oder Hf-Strahlungen – Keine Umgebungstemperaturen über 50 °C Temperaturfühler – Möglichst direkter Einbau in das Medium – Gegen die Strömungsrichtung einbauen, mit hoher Strömungsgeschwindigkeit entlangdes Fühlerrohres – Keine Wärmeableitung durch große Metallmassen außerhalb der Isolierung – Messstellen für Vor- und Rücklauftemperaturen müssen vom gleichen Durchfluß durch-strömt werden

DVD 388

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Elektromagnetische Verträglichkeit Elektronische Schaltungen lassen sich durch Fremdfelder stören oder zerstören. Störquellen sind Schaltfunken wie sie z.B. von Kollektormotoren oder von Leuchtstofflampen hervorgerufen werden. Störungen erreichen elektronische Schaltungen oder deren Signalleitungen durch galvanische Kopplung oder Welleneinstrahlung durch die Luft. Je nach Größe der Störleistung können Fehlerkurvenverlagerung, Stillstand oder Zerstörung hervorgerufen werden: Gegen normale Störungen sind Wärmezähler sicher, bei Vorliegen leistungsstarker Störer müssen besondere Maßnahmen getroffen werden: – Verlegen abgeschirmter Signalleitungen mit einseitiger Masseableitung – Montage außerhalb des Einflußbereichs von Leuchtstofflampen, Funkgeräten, Motoren, Personenrufeinrichtungen, Schützen – Einbau in Schutzschränken aus Eisenblech. Gesetzliches Messwesen und Eichpflicht Das gesetzliche Messwesen gehört zum Ordnungsrecht der Wirtschaft. Auch Wärmezähler, die in diesem Rahmen eingesetzt werden, unterliegen der Eichpflicht, worin folgende Schritte enthalten sind: – Zulassung Zulassungsprüfungen werden auf Antrag eines Herstellers von der PTB durchgeführt und stellen die Eichfähigkeit der Bauart eines Wärmezählers fest. – Eichung/Beglaubigung Eichungen werden von Eichbehörden, Beglaubigungen von Prüfstellen durchgeführt. – Befundprüfung Hierdurch wird festgestellt, ob ein beglaubigter und im Gebrauch befindlicher Wärme-zähler die Verkehrsfehlergrenzen einhält und den Anforderungen der Zulassung ent-spricht. – Nachbeglaubigung Nach 5 Jahren läuft bei Wärmezählern die Gültigkeit der Beglaubigung ab, eine Nachbeglaubigung wird fällig.

-1.2

Indirekte Messverfahren (Hilfsmethoden)1) Ergänzungen von Dr. Manfred Riedel, Berlin

Heizkostenverteiler bestimmen die Wärmemenge mittels Temperaturmessung (Heizkörperoberflächen- und ggf. Lufttemperatur) ohne Messung des Volumenstroms. Keine physikalischen Einheiten, sondern lediglich Verteilwerte für den Anteil am Gesamtwärmeverbrauch, zur Betriebskostenaufteilung von Heizungsanlagen. Die Kosten pro abgelesener Einheit sind erst nach Vorliegen aller Ablesewerte und der Gesamtkosten zu ermitteln. Heizkostenverteiler sind nicht eichfähig und unterliegen auch nicht eichrechtlichen Bestimmungen. Zulassungen nach Heizkostenverordnung (HKVO) obliegt sachverständigen Stellen. Zulassungsfähig sind Geräte, die den anerkannten Regeln der Technik entsprechen (DIN EN 834, 835) oder deren Eignung auf andere Weise nachgewiesen ist. Einsparung an Heizenergie durch Anreiz für sparsamen Umgang ca. 10% … 15% je nach Gebäudeart, Regelung und Wärmedämmung. Bekannte Hersteller Ista, Kalorimeta, Kundo, Metrona, Minol, Techem u.a. Verdunstungs-Heizkostenverteiler (Bild 1.6.6-7) bestehen aus einem auf dem Heizkörper befestigten Rückteil aus Aluminium, einem Messröhrchen mit spezieller Flüssigkeit und einem Gehäuse mit Strichskala zur Ablesung des Flüssigkeitsstandes. Die im Laufe einer Heizperiode verdunstete Flüssigkeitsmenge ist ein Maß für die vom Heizkörper abgegebene Wärmemenge. Als Flüssigkeit kommt in den meisten Fällen Methylbenzoat zum Einsatz; ebenfalls Dimethylmalonat, Benzylacetat und 1-Hexanol. Für Geräte nach EN

1)

EN 834 (11/94); EN 835 (04/95) Heizkostenverteiler für die Verbrauchswerterfassung von Raumheizflächen. Kreuzberg, J.: Handbuch der Heizkostenabrechnung, Werner Verlag 1997. Mügge, G.: HLH 2/93, Siehe 77/81 und 3/93, Siehe 153/7.

1.6.6 Wärmemengenmessung

389 DVD

835 gilt eine untere Einsatzgrenze von 60 °C bzw. 55 °C Auslegungstemperatur am Heizkörper je nach Verdunstungscharakteristik.

Bild 1.6.6-7. Wärmekostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip. Links: Prinzipieller Aufbau Mitte: Ansicht (Minol) Rechts: Anbauort am Heizkörper

Die thermische Ankopplung variiert je nach Heizkörpertyp und führt zu unterschiedlichen Flüssigkeitstemperaturen, die korrigiert werden müssen (Kc-Wert). Bei Geräten mit Einheitsskala erfolgt die Korrektur zusammen mit der Berücksichtigung der Heizkörperleistung jeweils nachträglich rechnerisch und muss auf der Heizkostenabrechnung ausgewiesen werden. Geräte mit Produktskala sind mit korrigierter Skala versehen, so dass abgelesene Einheiten direkt vergleichbar sind. Verteilfehlerbereich 5% … 10%; Kosten je Wohnung für 5 Geräte ca. 55 A; Kosten für jährliche Abrechnung je Wohnung ca. 20 A. Vorteil: Kostengünstige Geräteaustattung Nachteile: Kennlinie des Messgerätes stimmt nicht mit der des Heizkörpers überein, keine Berücksichtigung der Raumtemperatur, Anzeigefortschritt im Sommer, keine Speicherung des Stichtagswerts, schwierige Zwischenabrechnung aufgrund Kaltverdunstungsvorgabe, begrenzte Messauflösung, jährliche Ampullenwechsel nötig. Elektronische Heizkostenverteiler sind mit Sensoren (NTC, Si-Halbleiter, Pt 100 oder Quarz) für Heizkörper- und Raumlufttemperatur ausgestattet, deren Messwerte digital in einem Mikroprozessor verarbeitet werden; Energieversorgung aus einer Langzeitbatterie oder Netzbetrieb. Die Elektronik ermöglicht gegenüber Verdunstungsgeräten eine bessere Anpassung des Messgerätes an die Heizkörperkennlinie, Stichtags- und Zusatzfunktionen sowie Möglichkeiten zur elektronisch unterstützten Ablesung vor Ort oder zur Fernablesung ohne Betreten der Wohnung. Bei Heizkostenverteilern zur direkten Ablesung sind optisch Schnittstellen zur Übertragung der Ablesewerte in Handheld-Computer üblich; so entfallen manuelles Notieren und spätere Dateneingabe (papierlose Ablesung). Indirekte Ablesung ohne Betreten der Wohnung ermöglichen Geräte mit drahtgebundener oder drahtloser Datenübertragung. Weiterleiten der Daten per Modem an ein Rechenzentrum; bei Geräten mit Funkstrecke auch in mobile Empfänger und Handheld-Computer. Neuere Geräte übertragen zusätzlich aktuelle Wärmekenndaten, die für eine bedarfsgeführte Vorlauftemperaturadaption verwendet werden (siehe Abschnitt 2.4.2.2). Reine Einfühlergeräte sind kaum noch im Einsatz. Sie erfassen nur die Heizkörpertemperatur am Montageort und rechnen mit festen Raumtemperaturwerten. Vorteile gegenüber Verdunstern lediglich Stichtagsfunktion (Abspeicherung des Anzeigewerts am Abrechnungstag) und die bessere Anpassung der Anzeigecharakteristik an die Heizkörperkennlinie; Zählbeginn bei 28 °C Heizkörpertemperatur. Einfühlergeräte mit Startfühler erfassen mit einem zweiten Sensor die Raumtemperatur für temperaturdifferenzabhängigen Zählbeginn und Unterdrückung der Sommeranzeige, berechnen den Anzeigewert jedoch ebenfalls mit fester Raumtemperatur. Untere Einsatzgrenze für Einfühlergeräte nach EN 834 bei 55 °C Auslegungstemperatur. Zweifühlergeräte verarbeiten die gemessene Raumlufttemperatur auch in der Wärmemengenberechnung und erzielen dadurch höhere Genauigkeit; Einsatz insbesondere bei

DVD 390

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Niedertemperaturanlagen; untere Einsatzgrenze nach EN 834 nur durch Messprinzip bedingt; meist um 35 °C Auslegungstemperatur. Gegenüber Startfühlergeräten höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Raumtemperaturmessung sowie algorithmische Erkennung von Wärmestau notwendig; innerhalb eines weiten Heizungsbetriebsbereichs genaue Erfassung der wirksamen Heizmittelübertemperatur. Ein- und Zweifühlergeräte auch mit Heizkörper-Fernfühler für bestimmte Einbausituationen. Dreifühlergeräte erfassen die Vor- und Rücklauftemperatur am Heizkörper sowie die Raumlufttemperatur; genaue Bestimmung der wirksamen Heizkörperübertemperatur möglich. Ermittlung von Faktor Kc kann entfallen, besondere Eignung bei Einrohr- und Niedertemperaturanlagen, Kabelmontage der Temperaturfühler. Bild 1.6.6-8 zeigt ein Zweifühlergerät zur Ablesung per Funk mit folgenden Eigenschaften: Langzeitbatterie (10 Jahre), Einsatzgrenze 35 °C Auslegungstemperatur, programmierbarer Stichtag, Übertragung von Monatsmitten- und -endwerten für nachträgliche Zwischenablesung, elektronische Manipulations- und Demontageerkennung, verschlüsseltes Funktelegramm, regelmäßiger Selbsttest, kein Betreten der Wohnung; Ablesung mittels mobilen Funkempfängern von außerhalb der Wohnung oder Datenfernübertragung per Datensammler und GSM-Modem, Übertragung von aktuellen Wärmekenndaten zur Vorlauftemperaturadaption.

Bild 1.6.6-8. Elektronischer Heizkostenverteiler (Techem).

Bild 1.6.6-9. Elektronische EinzelraumTemperatur-Regelung mit integrierter Heizkostenverteilung (Riedel).

Bild 1.6.6-9 zeigt ein mehrstufiges Zentralsystem, das die Temperaturregelung im Raum mit der Heizkostenverteilung kombiniert; das Raumteil besteht aus einem DreifühlerGerät; Einsatzgrenze 30 °C Auslegungstemperatur, die Verbraucherzentrale zeigt die Messwerte an und regelt zeitprogrammierbar die Raumtemperaturen über elektrothermische Ventilantriebe; die Gebäudezentrale sammelt die Messwerte der Verbraucherzentralen, überwacht die Systemkomponenten und übernimmt die Stichtagsfunktion; Datenübertragung zum Leitrechner per Modem über Fest-, Breitbandkabel- oder Mobilfunknetz für Fernauslesung und automatische Störmeldung; Koppelung mit internet-

1.6.7 Füllstandsmessung

391 DVD

basiertem Diensteportal; zugelassen für Ein- und Zweirohrheizungen mit vertikaler und horizontaler Verteilung für Auslegungstemperaturen von 30 °C bis 110 °C. Verteilfehler 0…5%, Gerätekosten je Wohnung bei Zweifühlergeräten ca. 180 A, bei Funk ca. 260 A und bei Zentralsystem mit Regelungsanteil ca. 720 A.

-2

Warmwasseranlagen

Bei großen Verbrauchern werden mechanische oder elektrische Wärmezähler wie bei den Wasserheizungen verwendet. Wenn Kaltwasser- und Warmwassertemperatur annähernd konstant sind, genügen gewöhnlich Flügelradmesser zur Verbrauchsmessung. Dies trifft zu, wenn getrennte Warmwasserspeicher möglichst mit Ladepumpe und gut isolierten Zirkulationsleitungen vorhanden sind. Bei der Umlegung der Kosten auf die Mieter ist ein Teil (30 bis 50%) als fester Betrag verbrauchsunabhängig, der andere Teil als verbrauchsabhängiger Betrag entsprechend den Anzeigen der Geräte zugrunde zu legen. Fehler meist unter 10%.

1.6.7 -1

Füllstandsmessung1) Schauglasmethode

Wenn ein Teil des Behälters aus durchsichtigem Material besteht, kann bei sauberen Flüssigkeiten eine optische Füllstandsmessung erfolgen. In der Regel wird das Schauglas in einem Parallelgefäß (Bypass) zum Behälter aufgenommen und durch Ventile vom Behälter getrennt, so dass es zu Reinigungszwecken abgekoppelt werden kann. Anwendung z.B. bei Schmierölbehältern in Werkstätten und in Tankwagen. Die Schaugläser werden heute oft durch Magnetklappen-Anzeiger ersetzt. Dabei wird der Füllstand über einen magnetischen Schwimmer gemessen, durch den Klappen an einer Messskala umgelegt werden. Die Messskala ist somit getrennt von dem zu messenden Medium. Daher ist das Verfahren auch bei nicht saubere Medien anwendbar. Vorteil: einfach und relativ preiswert. Nachteil: Fernablesung nur bei Magnetklappen-Anzeigern möglich.

-2

Peilstabmethode

Einfache Handmessung über einen skalierten Stab, die sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Feststoffen anwendbar ist. Anwendung z.B. bei der Ölstandskontrolle im Auto. Vorteil: einfach und sehr preiswert. Nachteil: keine Fernablesung möglich, nur für drucklose Behälter anwendbar.

-3

Schwimmermethode

Die einfachste Füllstandsmessung mittels Schwimmer besteht aus einem Schwimmkörper, einem Seil, zwei Rollen und einem Gewicht, das an der Außenseite eines offenen Behälters hängt. Wird am Tank eine Skala angebracht, kann am Stand des Gewichtes der Füllstand des Behälters abgelesen werden (Bild 1.6.7-1). Die industrielle Schwimmermessungen beruht auf dem gleichen Prinzip, unterscheidet sich jedoch bezüglich Einbau, Ablesung und Genauigkeit wesentlich von dieser einfachen Methode. Sie ist auch bei Druckbehältern und dichten Tanks anwendbar. Vorteil: relativ einfach, sehr genau. Nachteil: Anwendung bei Druckbehältern und dichten drucklosen Behältern relativ teuer.

1)

Neubearbeitung erfolgte von Dr.-Ing. Frank Höper, Frankfurt, für die 70. Auflage

DVD 392

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

-4

Verdrängermethode

Die Verdrängermethode beruht auf der Differenz zwischen dem Gewicht eines Verdrängerkörpers und der Auftriebskraft des Mediums auf diesen Körper. Die Auftriebskraft ist abhängig vom Volumen des Verdrängers der Dichte des Mediums und der Füllhöhe. Bei gleichbleibendem Volumen und gleichbleibender Dichte ist die Auftriebskraft ein Maß für den Füllstand. Der Verdränger muss dabei schwerer sein als das zu messende Medium. Zur Fernübertragung und zur Abtrennung von der Außenluft wird die Differenzkraft über einen Torsionsstab auf einen Messwertaufnehmer mit 4-20 mA Ausgang übertragen. Einbau oft in einem Parallelgefäß. Anwendung auch zur Messung der Trennschicht zwischen zwei Medien unterschiedlicher Dichte. Vorteil: genau. Nachteil: abhängig von der Dichte des Mediums.

-5

Einperlrohrmethode

Der hydrostatische Druck in einem Tank wird gemessen, indem ein dünnes Rohr in die Flüssigkeit eingebracht wird und soviel Gasdruck angelegt wird, dass die Flüssigkeitssäule in dem Rohr weggedrückt wird, so dass gerade Gasbläschen entstehen und austreten. Der Druck in dem Rohr entspricht dem Druck der Flüssigkeitssäule. Dieser Druck kann mit einem Druckaufnehmer gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Als Gas wird je nach Medium meist Luft oder Stickstoff verwendet. Die Gasversorgung erfolgt über ein Reduzierventil bei einem vorhandenen Gasnetz oder bei Luft über einen kleinen Verdichter (Bild 1.6.7-2). Vorteil: einfache Montage, bei aggressiven Medien anwendbar. Nachteil: Gasanschluss notwendig, wenn Luft nicht verwendet werden kann, Gasverbrauch, Gefahr des Zusetzens des Einperlrohrs, weniger geeignet für Druckbehälter.

-6

Hydrostatische Druckmethode

Bei dieser Methode wird über einen Druck- oder Differenzdruckaufnehmer der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule direkt gemessen. Bei Druckbehältern ist eine Differenzdruckmessung erforderlich, wobei ein Druckaufnehmer den Druck der Flüssigkeitssäule und den Druck des Behälters mißt und der andere Druckaufnehmer nur den Behälterdruck in der Gasphase (Bild 1.6.7-3). Der Differenzdruck entspricht dem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule. Die Differenzdruckbildung kann auch elektronisch erfolgen, indem zwei elektronische Druckaufnehmer verwendet werden und die beiden Messsignale anschließend voneinander abgezogen werden. Vorteil: einfache Montage, einfache Einstellung, relativ genau. Nachteil: abhängig von der Dichte des Mediums, für Differenzdruck relativ teuer.

Bild 1.6.7-1. Füllstandsmessung mit Schwimmer.

Bild 1.6.7-2. Füllstandsmessung mit Einperlrohr.

Bild 1.6.7-3. Füllstandsmessung über die hydrostatische Druckdifferenz.

1.6.7 Füllstandsmessung

-7

393 DVD

Wägemethode

Bei dieser indirekten Füllstandsmessung wird der gesamte Behälter auf sogenannte Wägezellen montiert. Die Wägeaufnehmer beruhen meist auf dem Prinzip der Dehnungsmessstreifen. Auch bei Feststoffen anwendbar. Vorteil: bei Produkten mit konstanter Dichte sehr genau, da der Inhalt statt des Füllstands gemessen wird. Nachteil: erfordert viele mechanische Vorkehrungen und ist damit teuer, bei bestehenden Anlagen nicht nachrüstbar.

-8

Leitfähigkeitsmessmethode

Diese Methode wird ausschließlich in leitenden Medien angewandt. Dabei wird die Differenz der Leitfähigkeit einer Sonde gemessen, die durch das leitende Medium mehr oder weniger bedeckt ist. Als Gegenpotential wird die Behälterwand benutzt oder bei nicht leitenden Behältern eine zweite Sonde. Wenn das Medium die Sonde noch nicht berührt, ist der elektrische Widerstand zwischen Sonde und Behälterwand sehr hoch. Steigt der Füllstand an und stellt das leitende Produkt dadurch eine Verbindung zwischen Sonde und Behälterwand her, dann sinkt der Widerstand. Vorteil: einfach und preiswert. Nachteil: Sonde darf nicht durch Ablagerungen verschmutzt werden, beschränkt anwendbar bei Medien mit stark wechselnder Leitfähigkeit.

-9

Kapazitive Messmethode

Durch eine Messsonde und eine Behälterwand wird nach Anlegen eines Wechselstromes ein Kondensator gebildet, dessen Kapazität von der relativen Dielektrizitätskonstanten εr des zu messenden Mediums zwischen Sonde und Wand abhängig ist. Solange der Behälter leer ist, ist die Kapazität des gebildeten Kondensators niedrig. Wird ein Teil der Sonde durch das zu messende Medium bedeckt, wird eine höhere Kapazität gemessen (Bild 1.6.7-4). Mit dieser Methode kann auch eine Trennschicht zwischen zwei Medien gemessen werden, wenn die Differenz der relativen Dielektrizitätskonstanten ausreichend groß ist. Vorteil: für Flüssigkeiten und Feststoffe anwendbar, geeignet für aggressive Medien. Nachteil: beschränkt anwendbar bei wechselnden Medien. Bild 1.6.7-4. Kapazitive Füllstandsmessung.

Bild 1.6.7-5. Füllstandssigna-lisierung mit Ultraschall bzw. Mikrowellen.

-10

Strahlungsdämpfungsmethode

Diese Methode kann auf optischer, Ultraschall-, Mikrowellen- oder Gammastrahlungsdämpfung basieren. Die optische Methode wird wegen der Verschmutzungsmöglichkeit nur selten angewandt. Bei nicht zu kritischen Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur, Aggressivität und Viskosität des Mediums werden Ultraschall und Mikrowellen verwendet. Diese Messmethode wird i.a. nur zur Füllstandssignalisierung verwendet (Bild 1.6.7-5). Bei hohem Druck, hoher Temperatur und hochviskosen Medien kann oft nur

DVD 394

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

die Gammastrahlungsmessmethode angewandt werden, da die energiereichen Gammastrahlen die Behälterwand durchdringen können und keine Messwertaufnehmer im Behälter erforderlich sind. Als Strahlungsquelle wird Kobalt 60 oder Cäsium 137 verwendet (Bild 1.6.7-6). Alle Systeme bestehen aus einem Sender und einem Empfänger. Das vom Sender abgesandte Signal gelangt bei leerem Behälter ungehindert zum Empfänger. Bei steigendem Füllstand wird das Signal mehr und mehr von dem zu messenden Medium absorbiert und gelangt nur noch gedämpft zum Empfänger. Bild 1.6.7-6. Füllstandsmessung mit Gammastrahlung.

Bild 1.6.7-7. Füllstandsmessung mit Ultraschall bzw. Mikrowellen.

Vorteil: für Flüssigkeiten und Feststoffe anwendbar, kontaktlos, kann ohne Einbauten montiert werden, bei Gammastrahlern ist keine Änderung am Behälter notwendig. Nachteil: Ultraschall und Mikrowellen erfordern seitlichen Einbau, bei Gammastrahlern sind spezielle Genehmigungen und Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

-11

Reflexionsmessmethode

Die Reflexions- oder Echomethode beruht auf einer Laufzeitmessung eines durch einen Sensor ausgesandten Mikrowellen- oder Ultraschallimpulses. Dieser Impuls wird von der Oberfläche des zu messenden Mediums reflektiert und vom Sensor wieder erfaßt. Die benötigte Zeit ist ein Maß für den zurückgelegten Weg im leeren Behälterteil und damit umgekehrt ein Maß für den Füllstand des Behälters (Bild 1.6.7-7). Vorteil: für Flüssigkeiten und Feststoffe anwendbar, kontaktlos. Nachteil: Medien dürfen nicht stark schäumen und müssen die Impulse reflektieren, Ultraschall nicht bei hohen Drücken oder im Vakuum anwendbar.

1.6.8

Abgasprüfung (s. auch Abschn. 1.6.10-3 s. S. 402 und 1.6.10-6 s. S. 404 sowie 2.3.1-2.6 s. S. 818)

Rauchgasuntersuchungen haben die Aufgabe, die Zusammensetzung der Rauchgase, namentlich den CO2-Gehalt, festzustellen, um daraus die Güte der Verbrennung zu beurteilen. Die Messung der Abgasverluste ist gesetzlich vorgeschrieben, um Energie einzusparen. In Zentralheizungen wird sie von den Schornsteinfegern durchgeführt (Energieeinspargesetz). Die zu verwendenden Messgeräte müssen eine Eignungsprüfung bestehen. SO2- und Stickoxidmessungen werden meist nur bei Großanlagen durchgeführt. a) Orsat-Apparat. Dieser Apparat ist das bekannteste Gerät für die Untersuchung der Abgase. Ein abgemessenes Volumen von 100 cm3 Gas wird nacheinander durch mehrere Absorptionsflüssigkeiten gedrückt, die der Reihe nach CO2, O2 und CO absorbieren. Nach Absorption eines Gasbestandteils wird die Restgasmenge gemessen. Die Volumenverminderung entspricht dem Raumanteil des absorbierten Gases. Absorptionsmittel sind Kalilauge für CO2, Pyrogallussäure oder Phosphor für O2 und Kupferchlor für CO (Bild 1.6.8-1). Letztere allerdings nicht genügend empfindlich.

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1.6.8 Abgasprüfung

395 DVD

Für betriebliche Zwecke ist der Orsat-Apparat nicht geeignet; er dient lediglich als Kontrollapparat. Für Schnellmessungen sind Messkoffer erhältlich. Beispiel das CO2-Schnellmessgerät nach Bild 1.6.8-2 und Bild 1.6.8-3 mit Kalilaugegefäß, Anzeigegerät, Gummiball und Umstellhahn. Der bei der Absorption entstehende Unterdruck ist dem CO2-Gehalt proportional und wird direkt angezeigt. Messflüssigkeit muss nach Erschöpfung erneuert werden. Nachteilig ist die Trägheit der Messung.

Bild 1.6.8-1. Orsat-Apparat zur Rauchgasprüfung(Schematische Darstellung).

Bild 1.6.8-2. Funktion der CO2-Anzeige. A = Ausgleich M = Messen S = Saugen

Bild 1.6.8-3. Messkoffer für Abgasprüfung (Bacharach).

Bild 1.6.8-4. Elektrisches Rauchgasprüfgerät nach dem Wärmeleitfähigkeitsverfahren.

DVD 396

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.8-5. Messgerät für CO2 mit Infrarot-Fotometer und für Kaminzug (Maihak).

b) Die selbsttätigen auf chemischer Grundlage arbeitenden Geräte ahmen die Bewegungen bei der Handanalyse nach und zeichnen den Hub der Niveaugefäße verkürzt als Maß für den absorbierten Bestandteil auf. Nachteilig ist die große Anzeigeverzögerung von etwa 2 Minuten. Bei neueren chemisch-physikalischen Verfahren verwendet man Geräte, bei denen zunächst zwar auch eine Absorption des zu messenden Gases erfolgt, anschließend jedoch eine physikalische Messung der Absorptionswärme (Thermoflux) oder der elektrischen Leitfähigkeit der Absorptionsflüssigkeit (Ionoflux und Elektroflux) oder der Verfärbung der Flüssigkeit (Chromoflux). c) Bei den auf physikalischer Grundlage arbeitenden Geräten werden zur Messung hauptsächlich die Wärmeleitfähigkeit oder die Infrarotstrahlenabsorption benutzt. Bei den Rauchgasprüfern nach Bild 1.6.8-4 wird das verschiedene Wärmeleitvermögen der Kohlensäure gegenüber der Luft zur Messung ausgenutzt. Das Gas strömt an einem auf etwa 200 °C geheizten Draht vorbei, während ein zweiter Draht im Luftstrom liegt. Beide Drähte sind zu einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet. Bei Änderung des CO2-Gehaltes ändert sich die Wärmeleitfähigkeit des Gases, so dass sich auch die Temperatur der Heizdrähte und damit ihr Widerstand ändert. Der Widerstandsunterschied wird gemessen und umgerechnet als CO2-Gehalt angezeigt. In ähnlicher Weise wird auch der (CO + H2)-Gehalt gemessen, indem diese Gase katalytisch verbrannt werden und dadurch die Temperatur des Heizdrahtes ändern (Wärmetönungsverfahren). Bei dem thermomagnetischen Messgerät für Sauerstoff wird die Tatsache ausgenutzt, dass Sauerstoff magnetisch ist. Durch das Einströmen von Sauerstoff in ein kräftiges Magnetfeld entstehen Strömungen (magnetischer Wind) und Druckunterschiede, die messtechnisch erfaßt werden. Beim Infrarotverfahren wird das unterschiedliche Absorptionsspektrum der Gase zur Messung verwendet (Bild 1.6.8-5). Die durch die Absorption entstehende Temperaturdifferenz des zu messenden Gases und des Vergleichsgases wird gemessen, verstärkt und auf Anzeigeinstrument übertragen. Geeignet für CO, CO2, SO2 und viele andere Gase (VDI 2455:1970-08). Rußmessung bei Ölfeuerungen und Kohlenwasserstoffmessung s. Abschn. 1.6.10-3 s. S. 402 und 1.6.10-6 s. S. 406. d) Prüfröhrchen. Ein bestimmtes Volumen, z.B. 100 cm3 Gas, wird mittels kleiner Pumpe durch ein Prüfrohr gesaugt, das mit einem spezifischen Reagenzstoff gefüllt ist. Dieser verfärbt sich, wobei sich aus der Länge der Verfärbung der Messwert ergibt. Für CO2, CO und andere Gase und Dämpfe. Fehlergrenzen ± 10%. e) Gasanalyse-Computer. Moderne Geräte arbeiten mit Computerauswertung, Datenspeicherung und Drucker für die Messwerte. Ein solches Gerät in tragbarer Form mit Batteriebetrieb oder Netzanschluss zeigt Bild 1.6.8-6 und Bild 1.6.8-7. Sensoren für Gase sind elektrochemische Zellen.

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1.6.9 Feuchtemessung

Bild 1.6.8-6. Elektronisches, tragbares Gas-Analyse-Gerät zur Messung O2, CO, (CO%, NO, NO2, SO2 als Option), T-Abgas, T-Luft, Differenzdruck, Ruß und zur Berechnung CO2, CO(U), NOx, η, Verlust, λ, Taupunkt, mg/m3, mg/kWh, O2-Bezug, Mittelwertbildung (Option) (rbr Meßtechnik, Iserlohn).

1.6.9

397 DVD

Bild 1.6.8-7. Elektronisches Rauchgas-Analysegerät für Temperatur, O2, CO2, CO, NOx und Abgasverlust 1-η für 13 verschiedene Brennstoffe (Testotherm). Links: Anzeige- und Bediengerät. Rechts oben: Rauchgassonde für Temperatur, Gasentnahme und Zug. Rechts unten: Analysegerät.

Feuchtemessung (s. auch Abschn. 3.3.7-2.2 s. S. 1451)

Bei der Feuchtemessung ist zwischen Feuchtegehalt, gemessen in g/cm3 oder g/kg, und der relativen Feuchte, gemessen in %, zu unterscheiden.

-1

Absorptionsverfahren

Der Wasserdampf wird in einigen hintereinander geschalteten C h l o r k a l z i u m r ö h r c h e n absorbiert. Die absorbierte Wassermenge wird durch Wägung ermittelt und die Gasmenge durch einen Gaszähler gemessen, wodurch direkt die absolute Feuchte ermittelt wird.

-2

Taupunktmethode

Eine glänzende Fläche wird soweit gekühlt, bis sich ein Niederschlag zeigt. Die hier bei vorhandene Temperatur ist gleich der Taupunkttemperatur der Luft. Messung sehr genau. Diese Messgeräte sind auch als Taupunkt-Spiegel bekannt. Der Spiegel wird dabei elektrisch mittels Peltier-Element gekühlt.

-3

Haarhygrometer

Haarhygrometer benutzen die Eigenschaft entfetteter Haare, sich mit der relativen Luftfeuchte zu kürzen und zu verlängern (Bild 1.6.9-1). Dehnung etwa 2% bei Feuchteänderung von 0 bis 100%. Außer Haaren werden auch andere hygroskopische Stoffe verwendet wie Seide, Cellophan, Baumwolle u.a., von denen manche allerdings temperaturabhängig sind. Alle Hygrometer müssen von Zeit zu Zeit nachgeeicht werden und zur Verbesserung der Elastizität kurze Zeit in feuchte Luft gestellt werden (z.B. Nachtluft). Hysterese ± 2…5%, daher ungenau. Staubempfindlich. Arbeitsbereich 30…90%. Die Instrumente werden auch für elektrische Fernanzeige geliefert.

DVD 398

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.9-1. Haarhygrometer.

-4

Bild 1.6.9-2. Assmannsches Aspirationspsychrometer.

Psychrometer

Psychrometer bestehen aus einem trockenen und einem mit Musselinbausch befeuchteten Thermometer. Die Differenz zwischen den Anzeigen beider Thermometer – die sogenannte psychrometrische Differenz – dient zur Messung der relativen Luftfeuchte. Grundlage der Messung ist die Sprungsche Psychrometerformel (Näherungsformel) pd = pf – k (ttr – tf) p in mbar (Sprung 1888) ttr = Temperatur des trockenen Thermometers in °C tf = Temperatur des feuchten Thermometers in °C pd = Teildruck des Wasserdampfes in mbar p = Gesamtdruck in mbar pf = Dampfdruck bei der Feuchtkugeltemperatur in mbar k = eine Konstante = 0,61 · 10–3 für Wasser/Luft = 0,57 · 10–3 für Eis/Luft. Die relative Feuchte ist dann p ϕ = ----d- · 100 in % ps

ps = Sättigungsdruck in mbar bei der Temperatur ttr. Sie kann aus Psychrometertafeln oder Diagrammen (s. Bild 1.6.9-3) in Abhängigkeit von den Anzeigen beider Geräte abgelesen werden. Voraussetzung für richtige Messung ist, dass die zu messende Luft mit mindestens 2 m/s am feuchten Thermometer vorbeiströmt. Bei unbelüfteten Thermometern ist die Messung sehr ungenau. Für praktische Messungen am meisten verwendet ist das Aspirationspsychrometer nach Assmann (Bild 1.6.9-2), bei dem der künstliche Luftstrom durch einen kleinen uhrwerkgetriebenen Ventilator erzeugt wird. Das Instrument dient auch als Eichgerät. Auch Geräte mit elektrischem Ventilator erhältlich. Neuere Ausführungen verwenden Halbleiterfühler (NCElement), wobei der Messwertgeber durch Kabel mit einem Anzeigegerät verbunden ist. Stromversorgung durch Batterie.

1.6.9 Feuchtemessung

399 DVD

Bild 1.6.9-3. Psychrometrisches Diagramm zur Bestimmung der Luftfeuchte aus den Anzeigen des trockenen und feuchten Thermometers.

Rechnerisch ergibt sich aus der Psychrometer-Ablesung der Feuchtegehalt x der Luft: h – cL t h – 1 ,01 ⋅ t - = ------------------------------x = ---------------in kg/kg. 2501 + 1 ,86 t r + cD t

Siehe auch Abschn. 1.3.4-5 s. S. 208. Für höhere Temperaturen bis 300 °C ist der GS-Psychromat verwendbar, bei dem dem feuchten Thermometer das Befeuchtungswasser unter geringem Druck zugeführt wird (Öguna, Wien). Eine einfachere Ausführung ist das Schleuderpsychrometer, wobei vor der Ablesung die beiden Thermometer in der Luft herumgeschleudert werden. Für Fernanzeigen werden statt der Quecksilberthermometer belüftete Widerstandsthermometer in Brückenschaltung oder auch Thermoelemente verwendet. Sekunden-Psychrometer Eine Neuentwicklung sind Geräte mit Thermistoren (NTC-Widerständen) zur Messung der Feuchte. Es wird dabei jedoch nicht die Verdunstung, sondern die Wärmeableitung als Messgröße verwendet, so dass die künstliche Luftbewegung erspart wird. Für die Benetzung der Messzelle werden die physikalischen Zusammenhänge zwischen Kapillarkraft und osmotischem Druck ausgenutzt.

DVD 400

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

-5

Lithiumchlorid-Feuchtemesser

Das hygroskopische Salz Lithiumchlorid saugt Wasser aus der Luft auf, bis ein Gleichgewicht zwischen Dampfdruck der Lösung und der Luft besteht. Feuchtemesser besteht aus Metallhülse mit Glasgewebe, das mit Lithiumchloridlösung getränkt ist (Bild 1.6.9-4). Von zwei silbernen, spiralig aufgewickelten Drähten fließt Strom durch die Lösung, erwärmt sie und verdampft das Wasser, bis am Umwandlungspunkt Tu Lösung/ Salz die Leitfähigkeit abnimmt, Strom und Temperatur sinken. Dabei wieder Wasserdampfaufnahme, zunehmende Leitfähigkeit und Stromstärke. Gleichgewichtstemperatur ist Maß für den Wassergehalt der Luft bzw. den Taupunkt. Temperatur durch Widerstandsthermometer gemessen. Anzeige in °C Taupunkt oder g/m3. Für Anzeige der relativen Feuchte weiteres Thermometer für die Lufttemperatur T erforderlich, Bild 1.6.9-5. Messfehler 2…3% Bild 1.6.9-6. Luftfeuchtemesser mit Elektrolyt (Barth u. Stöcklein).

Bild 1.6.9-4. Lithiumchlorid-Feuchtemesser.

Bild 1.6.9-5. Schaltbild des LithiumchloridFeuchtemessers für relative Feuchte Kr = Kreuzspulmesswerk, T = Lufttemperaturfühler, Tu = Fühler für Umwandlungstemp.

-6

Leitfilm-Hygrometer

Leitfilm-Hygrometer bestehen aus einem Kunststoffplättchen mit draht- oder kammförmigen Elektroden und mit einer hygroskopischen Schicht, deren Leitfähigkeit sich mit der relativen Luftfeuchte ändert. Stromstärke der aufgewickelten Elektroden ist ein Maß der Luftfeuchte. Strom liefert eine Batterie. Beispiel Bild 1.6.9-6.

-7

Kapazitäts-Hygrometer

Kapazitäts-Hygrometer verwenden eine feuchteempfindliche Folie zwischen 2 Elektroden. Je nach Umgebungsfeuchte ändert sich die Kapazität, die mit Hilfe eines Spannungswandlers gemessen wird (kapazitiver Dünnfilmsensor). Handliche Geräte mit Batterieversorgung für Baustellenmessung (Sekunden-Hygrometer, Bild 1.6.9-7).

1.6.10 Sonstige Messgeräte

401 DVD

Bild 1.6.9-7. Digitales Sekunden-Hygrometer (Klimatherm).

-8

Taupunktsensoren

Taupunktsensoren werden zur direkten Überwachung des Kondensationsrisikos an kalten Oberflächen (z.B. Wasservorlaufleitungen für Kühldecken) eingesetzt. Die Sensoren sind ähnlich wie Leitfilm- oder Kapazitäts-Hygrometer aufgebaut und werden direkt auf der kalten Oberfläche fest montiert. Nähert sich die Oberflächentemperatur der Taupunkttemperatur der Luft, so wird das Kondensationsrisiko bei Überschreitung eines Grenzwertes (relative Feuchtigkeit in der Grenzschicht um 95% r.F.) meist durch Schalten eines Relaisausganges angezeigt und an die Regelung gemeldet, wo entsprechend z.B. die Vorlauftemperatur angehoben wird. Preiswerte und einfache Lösung für permanente Taupunktüberwachung.

1.6.10 -1

Sonstige Messgeräte Kalorimeter

Kalorimeter sind Geräte zur Bestimmung des Heizwertes von Brennstoffen. Für feste und flüssige Brennstoffe Berthelot-Mahler-Bombe. Für flüssige und gasförmige Brennstoffe gibt es eine Anzahl von Messgeräten, von denen das erste und bekannteste das Junkers-Kalorimeter ist. Andere Gräte sind das Union-Kalorimeter, Ados-Kalorimeter und Reineke-Gaskalorimeter. Für betriebliche Zwecke, z.B. Heizwertüberwachung bei Gasanstalten, werden auch selbsttätig schreibende Kalorimeter verwendet.

-2

pH-Wert-Messung

Der pH-Wert (pondus hydrogenii) ist ein Maß dafür, wie stark sauer oder basisch eine Flüssigkeit ist. In reinem Wasser sind je Liter 10–7 g H-Ionen und ebensoviel OH-Ionen vorhanden. Reines Wasser ist neutral und hat den pH-Wert 7. Sind mehr WasserstoffIonen vorhanden, z.B. 10–5 g je Liter, so ist der pH-Wert 5, und das Wasser ist sauer. Säuren haben pH-Werte zwischen 0 und 7, Laugen zwischen 7 und 14. Zur Messung des pH-Wertes verwendet man galvanische Elemente, bei denen die Spannung der Messelektrode nur von der H-Ionenzahl abhängt, während die Bezugselektrode davon ganz unabhängig ist (Bild 1.6.10-1). Allgemeine Begriffe s. DIN 19260:2005-06. Die heutige pH-Messtechnik beruht darauf, nach der Art galvanischer Elemente 2 Elektroden zu verwenden. Die Bezugselektrode befindet sich in einer Lösung mit bekannter Konzentration, die Messelektrode in der zu messenden Lösung, wobei beide Lösungen durch ein Diaphragma miteinander in leitender Verbindung stehen. Die Spannungsdifferenz zwischen beiden Elektroden ist ein Maß für den pH-Wert der Lösung.

DVD 402

1. Grundlagen / 1.6 Messtechnische Grundlagen

Bild 1.6.10-1. Schema eines pH-Messgerätes.

Als Messelektrode wird meist eine sog. Glaselektrode verwendet. An den beiden Flächen einer aus Spezialglas bestehenden Glasmembran entsteht beim Eintauchen in eine Lösung eine Spannungsdifferenz. Für betriebliche Zwecke Unterbringung der Elektroden in geeigneten Armaturen. Auch ein Taschen-pH-Messer ist auf dem Markt. Eine weitere, jedoch weniger genaue Messung ist durch „Farbindikatoren“ möglich (Lakmuspapier u.a.), deren Farbe bei gewissen pH-Werten umschlägt.

-3

Rußmessung

Hierfür wird bei Ölfeuerungen das Rußprüfgerät nach Bacharach verwendet (DIN 51402-1:1986-10 u. DIN 51402-2:1979-03). Filterpapiermethode. Im ImmissionsschutzGesetz vorgeschrieben. Fahrradpumpenähnliches Gerät, mit dem durch eine bestimmte Anzahl von Pumpenhüben eine bestimmte Abgasmenge durch ein Filterpapier gesaugt wird, das sich dabei verfärbt, Schwärzungsgrad wird mit einer Farbskala verglichen. Rußziffern nach Bacharach von 0 bis 9. Sichtbare Rauchgrenze am Schornstein bei der Rußzahl 5…6 (s.Bild 1.6.8-3). Bei Gasbrennern nicht verwendbar. Bei mangelhafter Zerstäubung in Ölfeuerungen treten auch Kohlenwasserstoffverbindungen auf, die beim Acetontest eine Gelb- oder Braunfärbung des Filterpapiers bewirken. In DIN 51402-2:1979-03 ist diese Art der Bestimmung der Ölderivate für Heizöle im einzelnen beschrieben. Die für Abgase von Feuerungen zulässigen Auswurfmengen sind durch das Immissionsschutzgesetz und seine Verordnungen begrenzt. Z.B. darf das Abgas ölbefeuerter Kessel eine Rußzahl 1 bzw. 2 nicht überschreiten. Für schnelle Messungen gibt es automatische Prüfgeräte mit elektrischem Antrieb und gleichzeitiger Temperaturanzeige.

-4

Schallpegelmesser

Schallpegelmesser dienen zur Messung des Schalldruckpegels im Raum. Sie bestehen aus einem Mikrophon, einem Verstärker mit Bereichumschalter und einem Messinstrument, das in dB (Dezibel) geeicht ist. Ansicht eines Gerätes Bild 1.6.10-2

Bild 1.6.10-2. Schallpegelmesser mit Oktavfilter (Brüel u. Kjaer).

Schallpegelmesser müssen einerseits das Hörempfinden des menschlichen Ohres berücksichtigen, andererseits aber objektive und reproduzierbare Messwerte liefern. Sie sind in allen wichtigen Eigenschaften, einschließlich Messtoleranzen, durch Normen festgelegt DIN EN 61672-1 und 2: 2003-10.

1.6.10 Sonstige Messgeräte

403 DVD

Der physikalisch gemessene Schalldruck wird entsprechend der Definition als Schalldruckpegel in dB angegeben. Technische Geräusche setzen sich aus vielen Einzeltönen verschiedener Frequenzen zusammen. Einzelne Frequenzbereiche werden in Frequenzbändern zusammengefaßt. Je nach Art der Frequenzaufteilung unterscheidet man Oktav- und Terzbänder (Oktave = Frequenzverhältnis 1 : 2, Terz = 1/3 Oktave). Die Geräte verwenden Filter mit Terzoder Oktavbandbreiten. Das menschliche Ohr ist nicht für alle Frequenzen gleichermaßen empfindlich (vgl. Bild 1.5.4-3). Darum verfügen Schallpegelmesser im allgemeinen über eine Frequenzbewertung. Nach internationaler Normung unterscheidet man drei Bewertungskurven, A, B, C, von denen in der technischen Gebäudeausrüstung A benutzt wird (s. Bild 1.6.10-3). Frequenz Hz

Kurve A[dB]

Kurve C[dB]

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

–26,1 –16,1 – 8,6 – 3,2 0,0 1,2 1,0 – 1,1

–0,7 –0,2 0,0 0,0 0,0 –0,2 –0,8 –3,0

Bild 1.6.10-3. Bewertungskurven für Schallpegelmesser (DIN EN 61672-1 und 2: 2003-10).

Bildet der Schallpegelmesser z.B. den Mittelwert aller Frequenzbänder nach der A-Bewertung, so erhält man den dB(A)-Wert. Der Mittelwert aller Frequenzbänder ohne Bewertung wird als linearer Schalldruckpegel bezeichnet. Bei einer Frequenzanalyse wird der Schalldruckpegel bei den einzelnen Oktav- oder Terzmittelfrequenzen ohne Bewertung angegeben. Für die Beurteilung von Schallschutzmaßnahmen ist stets das Frequenzspektrum aufzunehmen. Bei Messungen außerhalb von Gebäuden ist ggf. ein Windschirm notwendig. Wichtig ist ferner, immer auch der Grundpegel ohne die zu messende Anlage aufzunehmen, da dieser bei einem Abstand von < 10dB den gemessenen Anlagenpegel beeinflusst.

-5

Staubmessung1)

Eine einheitliche Messmethode zur Feststellung von Staub in der Luft gibt es nicht, da Staub bezüglich Menge, Größe, Art usw. sehr vielseitig ist. Die Messung kann sich beziehen auf Staubmenge (Staubkonzentration) in mg/m3 oder cm3/m3 Zahl der Staubteilchen in Teilchen/m3 Korngröße in µm (= 0,001 mm) Staubart bezüglich Herkunft, chemische Zusammensetzung usw. Man unterscheidet beim Staub zwischen Gesamtschwebstaub (Total Suspendet Particulates TSP) mit Partikaldurchmessern w) während des Übergangs von einem Beharrungszustand nach einer Änderung der Stör- oder Führungsgrößen. – Die Unterschwingweite der Regelgröße ist die größte vorübergehende positive Sollwertabweichung (x < w) während des Übergangs von einem Beharrungszustand nach einer Änderung der Stör- oder Führungsgröße nach der Anregelzeit.

-3

Analoge Regelsysteme

Konventionelle Automatisierungssysteme verarbeiten analoge Signale in fest verdrahteten Geräten wie Steuergeräten, Reglern, Grenzwertmeldern, Schutzschaltern, Zeitprogrammschaltern oder Anzeigeinstrumenten. Jedes dieser Geräte kann normalerweise nur eine Aufgabe (Funktion) ausführen. Es handelt sich dabei um völlig dezentrale Systemstrukturen mit einem hohen Planungsaufwand und hohen Kabelkosten. Nach der Installation ist man relativ unflexibel, da eine Änderung oder Ergänzung einer Funktion meist mit einer Hardwareänderung verbunden ist. Eine Klassifizierung der Reglerarten erfolgt anhand der Ausgangsgröße des Reglers. Man unterscheidet dabei 3 Gruppen: – unstetige Regler, – stetige Regler, – quasi-stetige Regler. Jede dieser Reglerarten unterteilt sich wiederum in Regler ohne Hilfsenergie und Regler mit Hilfsenergie (s. Abschn.1.7.3-1.1 s. S. 420 und 1.7.3-1.2 s. S. 421).

1.7.3 Regeleinrichtungen

-3.1

423 DVD

Unstetige Regler1)

Schaltende Regler ändern ihre Ausgangsgröße stufenweise. Sie werden daher auch in der Literatur als „unstetige Regler“ oder „Stufenregler“ bezeichnet. Eine Einteilungsmöglichkeit bei unstetigen Reglern ist durch die unterschiedliche Anzahl der Schaltpunkte gegeben. Es gibt Zweipunkt-, Dreipunkt- und Mehrpunktregler. Das Verhalten von schaltenden Elementen wird mit Hilfe von Kennlinien beschrieben. -3.1.1 Zweipunktregler Diese Regler bestehen aus Fühler, Schalter und Sollwertsteller. Die Fühler für die Temperatur sind in der Regel Bimetalle oder Federrohre mit Flüssigkeitsfüllung (z.B. Petroleum) oder Flüssiggasfüllung (z.B. Butan) oder Kontaktthermometer. Bild 1.7.3-2 zeigt die Kennlinie eines Zweipunktreglers ohne (a) und mit Schalthysterese (b). Als Schalthysterese (kurz Hysterese) oder Schaltdifferenz XSd bezeichnet man die Differenz zwischen Ausschaltpunkt x2 und Einschaltpunkt x1.

Bild 1.7.3-2. a) Zweipunktregler ohne Hysterese, b) Zweipunktregler mit Hysterese

Ein Zweipunktregler ohne Hysterese schaltet exakt beim vorgegebenen Sollwert w. Das Stellglied kann nur zwei Stellungen einnehmen, z.B. bei einer elektrischen Heizung Strom „ein“ oder „aus“, so dass die Regelgröße dauernd zwischen zwei Werten pendelt. Bei kleinen Abweichungen der Regelgröße x vom Sollwert würde das Stellglied beim Zweipunktregler ohne Hysterese ständig ein- und ausgeschaltet. Eine Regelung mit solch einem Regler würde zwar die Regelgenauigkeit erhöhen, hätte aber eine große Belastung der Stelleinrichtungen zur Folge. Daher verwendet man Zweipunktregler mit Hysterese. Genau entgegengesetzt verhält es sich dann mit einer sehr großen Schaltdifferenz. Diese „schont“ zwar das Stellglied, aber das Regelergebnis verschlechtert sich. Beispiele für Zweipunktregler sind die in der Heizungstechnik eingesetzten Thermostate. Diese Zweipunktregler sind Regler ohne Hilfsenergie und man unterscheidet hierbei entsprechend der Ausführung zwischen Temperaturregler (TR), Temperaturwächter (TW) und Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB). Beispiel: Zweipunktregler mit Kapillarrohrfühler (Bild 1.7.3-3). Das dazugehörige zeitliche Regelverhalten im Regelkreis ist in Bild 1.7.3-4 dargestellt. Das bei Thermostaten für die Wärmetechnik am häufigsten verwendete Fühlerprinzip ist der Kapillarrohrfühler. 1)

Hartmann, G.: Regelkreise mit Zweipunktreglern. VEB Verlag Technik (1965). Pfannstiel, D.: Aufbau und Funktionsweise adaptiver Zweipunktregler. Teil I und II. MSR-Magazin, Heft 3/4 und 5/6 (1991). Zeitz, K. H.: Regelung mit Zwei- und Dreipunktreglern. München. Oldenbourg Verlag (1986).

DVD 424

1. Grundlagen / 1.7 Regelungstechnische Grundlagen

Die große Anwendungsbreite des Kapillarrohrfühlers begründet sich darin, dass die biegsame Kapillare eine ortsgetrennte Montage von Fühler und Schaltwerk erlaubt. Dies trifft z.B. bei der Heizungsregelung zu, wo das Schaltwerk in der Regelung angeordnet ist und die Kapillare in der Kesseltauchhülse zur Temperaturerfassung montiert ist. Fühler, Kapillare und Membrandose bilden dabei ein geschlossenes System, das ein Ausdehnungsmedium enthält. Als Ausdehnungsmedien für Kapillarrohrfühler werden meist verwendet: – Öl, – Wasser-Alkohol-Verbindungen, – Wasser-Aceton-Verbindungen, – Wasser-Glykol-Verbindungen, – Verdampfungsflüssigkeiten. Bild 1.7.3-3. Schema eines Temperaturreglers.

Bild 1.7.3-4. Zeitverhalten des Zweipunktreglers im Regelkreis.

Bei steigender Fühlertemperatur erhöht sich das Volumen der Ausdehnungsflüssigkeit. Die temperaturbedingten Volumenänderungen des Ausdehnungsmediums bewirken über eine Membrane den notwendigen Hub. Die Membrane wiederum wirkt als Betätigungselement für den Schalter. In der Mitte der Membrane befindet sich der Stürzel, der auf das Schaltwerk wirkt. Der zur Schaltung notwendige Membranhub hängt dabei von der Sollwerteinstellung ab. Bemerkenswert ist dabei, dass eine Temperaturänderung von 100 K (z.B. von 20 °C auf 120 °C) über die Volumenänderung des Ausdehnungsmediums zu einem Hub der Membrane um ca. 400 µm (= 0,4 mm) führt. Das heißt, eine Temperaturänderung von 1 K bewegt die Membrane nur um ca. 4 mm (= 0,004 µm). Im Regelkreis führt die unstetige Arbeitsweise des Zweipunktreglers zu Schwankungen der Regelgröße x um einen Mittelwert. Bei der Temperaturregelung ergibt sich bei mittlerer Belastung (Einschaltzeit = Ausschaltzeit) und konstanter Schaltdifferenz (xd 80% leistung stark abhängig vom Filtermedium > 90% > 99% > 99,9% > 99%

Taschenfilter < 100000 Patronenfilter Kassettenfilter Lamellenfilter

ElektriTrockener sche E-Filter Abscheider VDI 3678 Nass-E-Filter Blatt 1

*) VDI

457 DVD

< 20 g/m3 1–20 mg/m3 < 5 g/m3 0,1–10 mg/ < 5 g/m3 m3 < 20 g/m3 0,01–5 mg/ m3 1–5 mg/m3

< 500000 90%

Gute Abschei- 90–98% dung von Feinstäuben < 5µm, Reingaskonzentration stark von der Rohgaskonzentration abhängig

3802:1998-12 Raumlufttechnische Anlagen für Fertigungsstätten.

-3

Abgasbehandlung

In den meisten europäischen Ländern gehören Abscheider für Staub, NOx und SO2 zur Standardausrüstung von Kohlekraftwerken. Beim Einsatz fester Brennstoffe müssen zur Gewährleistung der Grenzwerte für staubförmige Luftverunreinigungen Gewebe- und Elektrofilter eingesetzt werden; in Ausnahmefällen, wie bei der Verbrennung pflanzlicher Abfälle (Zuckerrohr, Nussschalen u.ä.), kann durch Zyklone die gewünschte Entstaubungsleistung erreicht werden. Die Entwicklung der Entstaubungstechnik tendiert zur gleichzeitigen Abscheidung von gas- und staubförmigen Verunreinigungen, zur Reinigung bei hohen Temperaturen und zur selektiven Abscheidung, um eine Verwertung des abgeschiedenen Materials zu ermöglichen. In letzter Zeit werden auch Gasreinigungsanlagen mit integrierter Wärmerückgewinnung aus den Rauchgasen installiert und damit eine deutliche Wirkungsgradsteigerung erreicht. Eine Reduzierung des umbauten Raumes wurde mit der Konstruktion von sogenannten Kompaktfiltern mit plissierten Filtermaterialien möglich. Mit filternden Abscheidern können Reingasstaubgehalte von 1.0 mg/m3 bei Abgastemperaturen von ca. 250 °C erreicht werden; bei hohen Rohgasstaubkonzentrationen kann in den filternden Abscheidern ein Vorabscheider eingebaut werden (kroh = 15g/m3). Einen Systemvergleich von verschiedenen Staubabscheidern gibt Tafel 1.9.3-3.

DVD 458

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Durch Einbringung von Hilfsstoffen lassen sich Schwefeldioxid, Chlorverbindungen und Schwermetalle gemeinsam mit dem Staub abscheiden. Ähnlich günstige Abscheideleistungen werden mit Schüttschichtfiltern erreicht; diese Abscheider werden mit einer Temperaturbeständigkeit von 1000 °C angeboten. Für die Rauchgasentschwefelung haben sich in den letzten Jahren drei Verfahren durchgesetzt, die in nahezu 90% der Kraftwerke eingesetzt sind und Abscheidegrade von über 95% ermöglichen. – Bei trockenen Verfahren wird die Abscheidung von SO durch die Durchströmung einer Aktivkohleschicht erreicht. Die nachfolgende Regenerierung der Aktivkohle er2 möglicht eine Wiedergewinnung des Schwefeldioxids und Weiterverarbeitung zu Schwefel oder Schwefelsäure (Bergbau-Forschungs-Verfahren). Werden nur geringe Abscheideleistungen gewünscht, kann auch das trockene Kalkstein-Additiv-Verfahren eingesetzt werden (Prinzipskizze Bild 1.9.3-1).

Bild 1.9.3-1. Prinzip der trockenen Rauchgasentschwefelung mit Kalkstein.

– Bei halbtrockenen Verfahren wird die aufbereitete Waschflüssigkeit in den Rauchgasstrom vor dem Abscheider eingedüst und der Gesamtstaub mit filternden Abscheidern abgeschieden. Bei dem sogenannten Walther-Verfahren wird durch den Einsatz von Ammoniak Düngemittel gewonnen. – Bei Nassverfahren werden die Rauchgase mit kalkhaltigen Umlaufflüssigkeiten in Wäschern in Berührung gebracht und Gips (CaSO4) gewonnen, der Baustoffqualität besitzt (Saarberg-Hölter- oder Bischoff-Verfahren). Der in Steinkohlekraftwerken erzeugte Entschwefelungsgips entspricht in der chemischen Zusammensetzung und dem Gehalt an Spurenelementen dem Naturgips1). Der in Braunkohlekraftwerken anfallende Gips wird wegen störender Beimengungen häufig noch auf Deponien (Tagebaurestlöchern) abgelagert. Im Gegensatz zu den erstgenannten Verfahren müssen beim Einsatz von Nassverfahren die gereinigten Rauchgase wieder aufgeheizt werden. Der notwendige Korrosionsschutz erfordert erhebliche Mehraufwendungen2). Ein Schema der nassen Rauchgasentschwefelung zeigt Bild 1.9.3-3. Für die Abscheidung von Fluor und Chlor aus Rauchgasen haben sich Nassabscheider ebenfalls bewährt, es werden nahezu gleiche Abscheideleistungen wie für Schwefeldioxid erreicht. Zur Entstickung von Rauchgasen können als preisgünstige Lösung das nichtkatalytische Verfahren (SNCR-Verfahren) mit NH3-Zugaben bei mittleren Rauchgastemperaturen von 800…950°C oder das katalytische Verfahren (SCR-Verfahren) mit Ammoniakzugaben bei Rauchgastemperaturen von 250…350 °C eingesetzt werden. Alternativ zur Ammoniakdosierung wird auch Harnstoff oder Gülle genutzt. Das Prinzip eines SCRReaktors zeigt Bild 1.9.3-2.

1) 2)

Thien, P.: Wirsching, F.: Veredlung von Rückständen der Rauchgasentschwefelung, Glückauf 127 (1991)19/20, 849–905. Möllmann, A.; Kemp, W.: Gummierungen und Beschichtungen in Rauchgasentschwefelungsanlagen, VGB Kraftwerkstechnik 72 (1992)11, 1011–1020.

1.9.3 Maßnahmen zur Begrenzung von Schadstoffemissionen im Energiesektor

459 DVD

Bild 1.9.3-2. Prinzip des SCR-Reaktors mit integriertem regenerativem Wärmetauscher (System Linde).

Anstelle von Katalysatoren können auch Aktivkohlefestbettfilter benutzt werden. Diese Filter werden bei niedrigen Temperaturen betrieben (Selbstentzündungsgefahr) und ermöglichen gleichzeitig die Abscheidung von sauren und organischen Schadstoffen. Abgasreinigungen unter 200 mg/m3 sind üblich.

Bild 1.9.3-3. Prinzip der nassen Rauchgasentschwefelung.

Aufgrund der internationalen Vereinbarungen ist die Verringerung der CO2-Emission erforderlich. Im Bereich der Energieerzeugung kann diese Absenkung durch Verbesserung des Wirkungsgrades oder durch Abtrennung von CO2 aus den Rauchgasen erfolgen. Die Verwertung oder Lagerung des abgeschiedenen CO2 ist in den Folgejahren nutzungsreif zu entwickeln. Als aussichtsreiche Technologien der CO2-Reduzierung im Kraftwerksbereich werden genannt: CO2-Abscheidung aus Rauchgasen mittels Absorption, Brennstoffcarbonisierung und CO2-Anreicherung und -Abscheidung bei Verbrennung in Sauerstoff und rezirkuliertem CO2-Rauchgas.1)2)

-4

Einsatz von regenerativen Energien

Zu diesen Energieträgern werden insbesondere die Wasserkraft, Geothermie, Biomasse, Wind- und Sonnenenergie gerechnet. Die Nutzung dieser regenerativen Energien ist in den letzten Jahren deutlich erhöht worden (s. Tafel 1.9.3-2 Primärenergieverbrauch). In Deutschland soll im Jahr 2010 der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung 12,5% betragen.

1) 2)

Göttlicher, G.: Entwicklungsmöglichkeiten der CO2-Rückhaltung in Kraftwerken aus thermodynamischer Sicht, Chemie Ingenieur Technik 78 (2006)4, 407–4125 Rolker, J.; Arlt, W.: Abtrennung von Kohlendioxid aus Rauchgasen mittels Absorption, Chemie Ingenieur Technik 78 (2006)4, 416–424

DVD 460

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Der Einsatz von Wasserkraftanlagen im Kleinbereich ist deutlich gestiegen, da deren Installation durch das Stromeinspeisungsgesetz gefördert wird, stagniert aber in den letzten Jahren. Geothermische Anlagen in Kopplung mit Wärmepumpen erhalten auch in Deutschland zunehmende Bedeutung. Windenergieanlagen werden von 5.0…3000 kW angeboten. Ein deutlicher Installationsschub ergibt sich aus den geplanten off-shore Großwindanlagen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nur rund 6% der Windenergieleistung verlässlich zur Verfügung stehen, d.h., rund 94% der Windenergieleistung müssen durch Schattenkraftwerke abgesichert werden. Die installierten Windenergieleistungen werden sich bis 2015 voraussichtlich verdreifachen.1) Bei der Nutzung der Sonnenenergie wurden die Arbeiten an dem Hochtemperatur-Solarkraftwerk drastisch reduziert. Dagegen expandiert gegenwärtig der Markt für Fotovoltaik und stellt damit einen der großen Wachstumsbereiche dar. Im Bereich der passiven Sonnenenergienutzung gewinnen Niedertemperatur-Solaranlagen zur Nutzung für Brauchwassergewinnung/-heizung an Bedeutung. Bei Einsatz von Hochtemperatur-Kollektoren ist zu beachten, daß die eingesetzten Kunststoffe häufig nur einen Schmelzpunkt von 120 °C besitzen und damit die Kollektoren nicht leerlauffest sind. Ihre Anwendung wird damit deutlich eingeschränkt. Bei der energetischen Verwertung von Biomassen spielt die Kombination von Rauchgasreinigung und Wärmerückgewinnung eine zunehmende Rolle und wird bereits großtechnisch erprobt. Für die Abgasreinigung wird die mehrstufige Nassreinigung (Nasselektrofilter oder Wäsche) einer mehrstufigen Trockengasreinigung nachgeschaltet. Die durch die Kondensation zurückgewonnene Nutzwärme kann bis zu 40% betragen und kann zur Vortrocknung des Verbrennungsproduktes oder mit externen Verfahrensschritten (z.B. Spänetrocknung für die Pelletierung) genutzt werden.2) Für kleinere Biomasse-Feuerungen wird derzeit eine Kombination von Abgaswäscher und Wärmetauscher industriell erprobt. Die Wärmerückgewinnung wird mehrstufig betrieben. Vor dem Wäscher wird in einem Rippenrohrwärmetauscher die Rauchgaswärme zur Vorwärmung des Heizungsrücklaufes genutzt. In dem nachgeschalteten Sprühwäscher erfolgt die Wärmeübertragung an das Umlaufwasser, das durch Wärmeaustausch mit kaltem Trinkwasser abgekühlt wird und so zur Warmwasserbereitstellung genutzt werden kann.3) Intensive experimentelle Untersuchungen und Umsetzung in großtechnischen Pilotanlagen erfolgen auf dem Gebiet des Einsatzes der Holzvergasung4) 5) und von Biodiesel (verestertes Rapsöl). Hinweise für die Planung, die Ausführung und den Betrieb von Biogasanlagen können aus VDMA 4330:(2005-07) entnommen werden.

1.9.4

Rechtsgrundlagen

Eine Vielzahl derzeit geltender gesetzlicher Regelungen wurden in Folge der Harmonisierung innerhalb der Europäischen Gemeinschaft in den letzten Jahren neu erlassen bzw. verändert. In Zukunft ist durch entsprechende Verordnungen und Richtlinien der Europäischen Kommission zu erwarten, dass zu den gesetzlichen Regelungen der Gefahrenabwehr auch entsprechende Regelungen für Vorsorgeleistungen verabschiedet werden. Für Feuerungsanlagen und Brennstoffe gelten die nachstehend erläuterten Durchführungsverordnungen, die nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) der Luftreinhaltung dienen.

1) 2) 3) 4) 5)

Häge, K.: Perspektiven der deutschen Braunkohlenindustrie im Jahre 2005, VGB PowerTech (2005), 9, 98–104. Jirkowsky, Ch.: Mehrwert durch Integration, BWK 58 (2006)12, 20–22 Rawe, R. et al.: Abgaswäscher – Wärmetauscher für Brennwertnutzung und Entstaubung, HLH 58 (2007)2, 32–38 Gailfuß, M.,: Stromerzeugung aus Holz, Umweltmagazin 31 (2001) 11, S6-S9. ..., Holzkraftwerk neuen Typs, TU Freiberg, Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik, Freiberg, 1999.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

-1

461 DVD

Bundes-Immissionsschutzgesetz (Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge i.d.F. vom 26.09.2002, zuletzt geändert am 23.10.2007 (BGBl. I S. 2470))

Rahmengesetz zum Schutz von Menschen, Tieren, Pflanzen mit derzeit 34 Durchführungs-Verordnungen.

-2

Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen (1. BImSchV) – Neubekanntmachung vom 15.07.1988 in der Form vom 14.03.1997, zuletzt geändert am 14.08.2003 Ergänzungen von Dr.-Ing. Dieter Stehmeier, Langenhagen

Die Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen gilt für Errichtung, Beschaffenheit und Betrieb von nicht genehmigungsbedürftigen Feuerungsanlagen nach §4 BImSchG (s. Tafel 1.9.4-1). Tafel 1.9.4-1

Geltungsbereich der gesetzlichen Regelwerke zur Luftreinhaltung bei Feuerungsanlagen

Umweltschutzbestimmungen nach Anlagengröße (Feuerungswärmeleistung in MW)

Feuerungsanlagen für den Einsatz

1. BImSchV nicht genehmigungsbedürftig

Geltungsbereich gemäß 4. BImSchV TA Luft genehmigungsbedürftig

13. BImSchV genehmigungsbedürftig

herkömmliche feste Brennstoffe

50 bis 150 kW auf 2 g/m3, > 150 bis 500 kW auf 1 g/m3 und > 500 kW auf 0,5 g/m3 zu begrenzen. Beim Einsatz von Stroh mit einer Nennwärmeleistung ≤ 100 kW ist Kohlenmonoxid ≤ 4 g/m3 Abgas zulässig. Der Einsatz von zugelassenem Brennstoff aus behandeltem Holz darf nur in Feuerungsanlagen ≥ 50 kW in Betrieben der Holzbearbeitung oder -verarbeitung erfolgen, bei Nennwärmeleistung ≤ 100 kW sind Kohlenmonoxid- Konzentrationen ≤ 0,8 g/m3, >100 bis 500 kW ≤ 0,5 g/m3 und > 500 kW ≤ 0,3 g/m3 zulässig (§ 6).

DVD 462

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Öl- und Gasfeuerungsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung bis 10 MW (§ 7 bis § 11) Bei Ölfeuerungsanlagen mit Verdampfungsbrennern (§ 8) max. Rußzahl 2 der staubförmigen Emissionen, bei Nennwärmeleistungen ≤ 11 kW und Errichtung vor dem 01.11.1996 Rußzahl 3 (s. Abschn. 1.6.10-3 s. S. 402); beim Einsatz von Zerstäubungsbrennern (§ 9) max. Rußzahl 1, bei Errichtung vor dem 01.10.1988 bzw. in den neuen Bundesländernvor dem 03.10.1990 Rußzahl 2. In beiden Fällen müssen die Abgase frei von Ölderivaten sein. Stickstoffoxidemissionen sind bei Öl- und Gasfeuerungsanlagen durch feuerungstechnische Maßnahmen zu begrenzen (§ 7): Anlagen, die ab dem 1.Januar 1998 errrichtet werden, mit Nennwärmeleistung ≤ 120 kW bei Einsatz von Erdgas Stickstoffoxid ≤ 80 mg/kWh Brennstoffenergie, bei Heizöl EL ≤ 120 mg/kWh Brennstoffenergie, Herstellerbescheinigung erforderlich. Bei Anlagen > 400 kW Nutzungsgrad ≥ 91%, Herstellerbescheinigung erforderlich. Die Abgasverluste (§ 11) bei Öl- und Gasfeuerungsanlagen über 4 bis 25 kW Nennwärmeleistung auf 11 % zu begrenzen, bei >25 bis 50 kW auf 10 %, bei > 50 kW auf 9 %. Überwachung (§ 12 bis § 17) Nachweis der Einhaltung (§ 14) vorgenannter Forderungen bei Anlagen mit Nennwärmeleistung > 4 kW 4 Wochen nach Inbetriebnahme durch Bezirksschornsteinfegermeister. Ausnahmen: Anlagen ≤ 11 kW für Einzelraumheizung oder nur Warmwassererzeugung, Anlagen für Gaseinsatz (Gase entsprechend § 14 Abs. 2 Nr. 2), Anlagen mit Brennwerttechnik (hinsichtlich Abgasverlustbegrenzung). Jährlich wiederkehrende Messungen (§ 15) durch Bezirksschornsteinfegermeister erforderlich bei mechanisch beschickten Anlagen für Kohle, Koks, Briketts, naturbelassenes Holz und Stroh mit Nennwärmeleistung >15 kW, bei Anlagen für behandeltes Holz ≥ 50 kW, bei Öl- oder Gasfeuerungsanlagen >11 kW. Ausnahmen entsprechend vorgenannter Ausnahmen (bei Nachweis der Einhaltung) sowie bei bivalenten Heizungen und vor dem 01.01.1985 errichteten Gasfeuerungsanlagen mit Außenwandanschluss. Dreijährig wiederkehrende Messungen bei Trocknungsanlagen für selbstgewonnene Erzeugnisse landwirtschaftlicher Betriebe über Wärmeaustauscher mit ≤ 300 h/a. Bei Anlagen der Bundeswehr (§ 17) werden die vorgenannten Aufgaben des Bezirksschornsteinfegermeisters von Stellen der zuständigen Verwaltung wahrgenommen (Eigenüberwachung). Messergebnisse in Form von Übersichten werden kalenderjährlich über die Schornsteinfegerinnungen im Folgejahr den für den Immissionsschutz zuständigen obersten Landesbehörden zugestellt, in länderübergreifenden Übersichten dem BMU. An Öl- und Gasfeuerungsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von 10 bis 20 MW (§ 11a und § 17a) werden weitergehende Anforderungen gestellt. Deren Einhaltung wird durch stationäre Meßeinrichtungen kontinuierlich überwacht. Höhe der Austrittsöffnung für Abgase bei Anlagen mit Feuerungswärmeleistung ≥ 1MW über höchster Dachfirstkante ≥ 3 m und über Flur ≥ 10 m. Weitergehende Regelungen der VO s. Originaltext.

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Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen (4. BImSchV) vom 14.03.1997, zuletzt geändert am 23.10. 2007 (BGBl. I S. 2470)

Die Errichtung und der Betrieb der im Anhang dieser Verordnung aufgeführten Anlagen bedürfen einer Genehmigung. Das Genehmigungserfordernis erstreckt sich auf die zum Betrieb erforderlichen Anlagenteile und Verfahrenschritte sowie auf Nebeneinrichtungen, die für das Entstehen schädlicher Umwelteinwirkungen, die Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen oder das Entstehen sonstiger Gefahren, erhebliche Nachteile oder erhebliche Belästigungen von Bedeutung sein können.

1.9.4 Rechtsgrundlagen

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463 DVD

Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen (17. BImSchV in der Fassung der Bekanntmachung vom 14.08.2003) (BGBl. I S.1633)

Die Verordnung gilt für die Errichtung, Beschaffenheit und den Betrieb von Anlagen, in denen feste oder flüssige brennbare Stoffe verbrannt werden, die nach § 4 des BundesImmissionsschutzgesetzes genehmigungsbedürftig sind, aber nicht im Anhang zur 4. BImSchV über genehmigungsbedürftige Anlagen genannt werden. Im § 5 der 17. BImSchV werden die einzuhaltenden Emissionsgrenzwerte genannt.

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Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft – TA Luft – (Erste Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Bundes-Immissionsschutzgesetz) vom 24.07.2002 (GMBl 2002, S. 511–605)

Die TA Luft gilt für genehmigungsbedürftige Anlagen nach der 4. BImSchV und enthält Vorschriften zur Reinhaltung der Luft, die bei der Prüfung von Anträgen auf Erteilung einer Genehmigung zum Errichten einer Anlage (§ 6, BImSchG), zu wesentlichen Änderungen einer Anlage (§§ 15,16,BImSchG), einer Teilgenehmigung oder eines Vorbescheides (§§ 8, 9, BImSchG) oder einer nachträglichen Anordnung (§ 17, BImSchG) zu berücksichtigen sind. Die Anleitung gliedert sich in folgende Hauptkomplexe: – Rechtliche Grundsätze für Genehmigung, Vorbescheid und Zulassung des vorzeitigen Beginns – Anforderungen zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen (Immissionswerte) – Anforderungen zur Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen (Emissionswerte) Allgemeine Anforderungen zur Emissionsbegrenzung Besondere Regelungen für bestimmte Anlagenarten Messung und Überwachung der Emissionen. Der Immissionsteil der TA Luft enthält Vorschriften zum Schutz der Nachbarn vor unvertretbar hohen Schadstoffbelastungen. Immissionen sind hier definiert als die auf Menschen, Tiere, Pflanzen, den Boden, das Wasser, die Atmosphäre oder Kultur- und Sachgüter einwirkenden Luftverunreinigungen. Immissionen werden als Massenkonzentrationen bzw. als Deposition (zeitbezogene Flächenbedeckung durch die Masse der luftverunreinigenden Stoffe) angegeben. Immissionskenngrößen bezeichnen die Höhe der Vorbelastung, der Zusatzbelastung oder der Gesamtbelastung durch einen Schadstoff. Der Schutz vor Gefahren für die menschliche Gesundheit ist sichergestellt, wenn die im Hauptkomplex „Anforderungen zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen“ zusammengefassten Immissionswerte an keinem Beurteilungspunkt überschritten werden. Im Punkt 4.2.1. der TA Luft werden Immissionswerte für Schwebstaub, Blei und seine anorganischen Verbindungen als Bestandteil des Schwebstaubes, SO2, NO2, Tetrachlorethen sowie Cadmium angegeben und auf EG-Grenzwerte und deren nationale Umsetzungen verwiesen. Zum Schutz der Ökosysteme bzw. der Vegetation sind Grenzwerte zu SO2, NOx (als NO2), HF, gasförmigen anorganische Fluorverbindungen und Immissionswerte für Schadstoffdepositionen (As, Pb, Cd, Ni, Hg, Th) angeführt (siehe auch VDI 2310). In dem Emissionsteil der TA Luft werden u.a. Emissionswerte als Massenstrom und Massenkonzentration für staubförmige und gasförmige anorganische Stoffe, organische und Krebs erzeugende Stoffe, gasförmige Emissionen sowie erbgutverändernde oder reproduktionstoxische Stoffe und für schwer abbaubare, leicht anreicherbare und hochtoxische organische Stoffe genannt, die im Abgas nicht überschritten werden dürfen. Zusätzlich zu diesen allgemein gültigen Emissionswerten werden für bestimmt Anlagenarten, entsprechend der Anlagenauflistung im Anhang der Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen (4. BImSchV), spezielle Emissionswerte festgelegt. Bei Feuerungsanlagen sind die Emissionswerte von den eingesetzten Brennstoffen undvon der Feuerungswärmeleistung abhängig; in Tafel 1.9.4-2 sind die Werte zusammengefasst.

DVD 464

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Tafel 1.9.4-2

Emissionswerte für Feuerungsanlagen nach TA Luft in mg/m3

Schadstoff

Brennstoff Kohle*)

Staub

5,0 MW 1,8 MPa 150

250 300

350

sonstige Feuerungen < 10 MW 500 > 10 MW 400

Steinkohle 1300

O2-Gehalt im Abgas (Vol.-%)

1)

t = 110–210 °C p=0,05– 1,8 MPa 200 t > 210 °C p > 1,8 MPa 250

sonstige Gase

850

sonstige 1000 Brennstoffe

**) ***) ****)

180

Wirbelschicht 350

SO2

*)

Gas****)

Heiz- Heizöl nach öl**) DIN 51603***)

7 bei Kohle, Koks, Kohlebriketts 11 bei Torf, naturbelassenem Holz

3

850 (kein Immissionswert)

3

50 80

200

Flüssiggas 5 öffentliches Netz 10 Kokereigas 50 Biogas, Klärgas 350 Hochofengas 200 Koksofengas 350 sonstige Gase 35 3

sowie Koks einschließlich Petrolkoks, Kohlebriketts, Torfbriketts, Brenntorf und naturbelassenes Holz. sowie emulgiertes Naturbitumen. sowie Methanol, Ethanol, naturbelassene Pflanzenöle oder Pflanzenölethylester. Koksofengas, Stahlgas, Raffineriegas, Synthesegas, Erdölgas, Klärgas, Biogas, naturbelassenes Erdgas, Flüssiggas, Gase der öffentlichen Gasversorgung oder Wasserstoff. einschließlich Flüssiggas, Wasserstoff, Raffineriegas, Klärgas, Biogas.

Darüber hinaus werden Emissionswerte für Feuerungsanlagen mit Mischfeuerungen, Mehrstofffeuerungen, nicht in Tafel 1.9.4-2 aufgeführten festen oder flüssigen Brennstoffen und für Trocknungsanlagen formuliert. Bei der Festlegung der Emissionsgrenzwerte für Feuerungsanlagen über 50 MW werden die EG-Richtlinie über die integrierte Vermeidung der Umweltbelastung (IVU-Richtlinie 96/61/EG von 1996 – ABI. L 257 vom 10.10.1996 –) und das Merkblatt für beste verfügbare Technik (BVT) für Großfeuerungsanlagen vom Juli 2006 (628 Seiten) berücksichtigt (siehe www.bvt. Umweltbundesamt.de/kurzne.htm). Für die IVU-Richtlinie ist eine Überarbeitung 2007/08 vorgesehen; die BVT-Merkblätter umfassen derzeit ca. 30 Anlagenarten und sollen alle 3 Jahre aktualisiert werden. Die Emissionen sind in der Regel über Schornsteine abzuleiten. Zur Bestimmung der Mindestschornsteinhöhe bei idealisierten Ausbreitungsverhältnissen dient ein Nomogramm (Abschn. 2.3.3-1.9 s. S. 911).

1.9.4 Rechtsgrundlagen

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465 DVD

Verordnung über Großfeuerungs- und Gasturbinenanlagen (13. BImSchV) vom 20.07.2004, zuletzt geändert am 06.06.2007 (BGBl. I S.1002)

Gilt für die Errichtung, die Beschaffenheit und den Betrieb von Feuerungsanlagen einschließlich Gasturbinenanlagen sowie Gasturbinenanlagen zum Antrieb von Arbeitsmaschinen mit einer Feuerungsleistung von ≥ 50 MW für den Einsatz von festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen; gilt u.a. nicht für Nachverbrennungsanlagen und Trocknungsanlagen. Tafel 1.9.4-3

Emissionsgrenzwerte bei Großfeuerungsanlagen*) in mg/m3

Emissionsgrenzwerte für Feuerungsanlagen für feste Brennstoffe

a) Gesamtstaub

20 mg/m3

b) Quecksilber und seine Verbindungen (angegeben als Quecksilber)

0,03 mg/m3

c) Kohlenmonoxid bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 ... 100 MW > 100 MW d) Stickstoffmonoxid oder Stickstoffdioxid (angegeben als Stickstoffdioxid) Einsatz von naturbelassenem Holz und einer Feuerungswärmeleistung von 50 ... 300 MW > 300 MW Einsatz von sonstigen Biobrennstoffen und einer Feuerungswärmeleistung von 50 ...100 MW, ohne Wirbelschichtfeuerung 100 ... 300 MW > 300 MW Wirbelschichtfeuerungen und einer Feuerungswärmeleistung von 50 ...100 MW (ausgenommen bei Einsatz von naturbelassenem Holz) > 100 MW anderen Brennstoffen oder anderen Feuerungen und einer Feuerungswärmeleistung von 50 ... 100 MW > 100 MW e) Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid (angegeben als Schwefeldioxid) – bei Einsatz von Biobrennstoffen – anderen Brennstoffen und einer Feuerungswärmeleistung von 50 ...100 MW bei Wirbelschichtfeuerungen bei sonstigen Feuerungen > 100 MW

150 mg/m3 200 mg/m3

250 mg/m3 200 mg/m3 350 mg/m3 300 mg/m3 200 mg/m3 300 mg/m3 200 mg/m3 400 mg/m3 200 mg/m3

200 mg/m3 350 mg/m3 850 mg/m3 200 mg/m3

*) Allgemeines: Die genannten Emissionsgrenzwerte sind Tagesmittelwerte. Die Halbstundenmittelwerte dürfen maximal das Doppelte der o.g. Emissionsgrenzwerte betragen. Zusätzlich werden Emissionsgrenzmittelwerte bei Feuerungsanlagen mit festen Brennstoffen für Cadmium, Thallium, Antimon, Arsen, Blei, Chrom, Cobalt, Kupfer, Mangan, Nikkel, Vanadium, Zinn und ihre Verbindungen sowie Benz(a)pyren, Dioxine und Furane festgelegt. Dabei darf kein Mittelwert, der über die jeweilige Probenahmezeit gebildet wird, die zusätzlich angegebenen Emissionsgrenzwerte überschreiten. Darüber hinaus werden eine Vielzahl von Ausnahmegenehmigungen bzw. zusätzliche Emissionsbegrenzungen für die genannten Brennstoffarten, deren Herkunft, spezielle Kesselkonstruktionen und zusätzliche Schadstoffarten aufgeführt.

DVD 466

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Emissionsgrenzwerte für Feuerungsanlagen für flüssige Brennstoffe a) Gesamtstaub

20 mg/m3

b) Kohlenmonoxid

80 mg/m3

c) Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid (angegeben als Stickstoffdioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 ...100 MW und bei Einsatz von – leichtem Heizöl in Kesseln mit einem Einstellwert der Sicherheitsreinrichtung gegen Überschreitung – T < 383,15 K oder Überdruck < 0,05 MPa – T = 383,75 ... 483,15 K oder Überdruck 0,05 ... 1,8 MPa – T > 483,15 K oder Überdruck < 1,8 MPa – anderen flüssigen Brennstoffen 100 ... 300 MW > 300 MW

180 mg/m3 200 mg/m3 250 mg/m3 350 mg/m3 200 mg/m3 150 mg/m3

d) Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid (angegeben als Schwefeldioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 ... 100 MW 100 ... 300 MW (lineare Abnahme) > 300 MW Bei Feuerungsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von mehr als 100 MW darf zusätzlich zur Begrenzung der Massenkonzentration ein Schwefelabscheidegrad von mindestens 85 vom Hundert nicht unterschritten werden

850 mg/m3 400–200 mg/m3 200 mg/m3

Emissionsgrenzwerte für Feuerungsanlagen für gasfömige Brennstoffe a) Gesamtstaub bei Einsatz von Hochofengas oder Koksofengas Sonstigen gasförmigen Brennstoffen

10 mg/m3 5 mg/m3

b) Kohlenmonoxid bei Einsatz von Gasen der öffentlichen Gasversorgung Hochofengas oder Koksofengas Sonstigen gasförmigen Brennstoffen

50 mg/m3 100 mg/m3 80 mg/m3

c) Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid (angegeben als Stickstoffdioxid) bei einer Feuerungswärmeleistung von 50 ... 300 MW und bei Einsatz von – Gasen der öffentlichen Gasversorgung bei Kesseln mit einem Einstellwert der Sicherheitseinrichtung gegen Überschreitung – T < 383,15 K oder Überdruck < 0,05 MPa – T = 383,15 ... 483,15 K oder Überdruck 0,05 ...1,8 MPa – T > 483,15 K oder Überdruck > 1,8 MPa – sonstigen Gasen mehr als 300 MW d) Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid (angegeben als Schwefeldioxid) bei Einsatz von Flüssiggas Koksofengas mit niedrigem Heizwert Hochofengas mit niedrigem Heizwert Sonstigen gasförmigen Brennstoffen

100 mg/m3 110 mg/m3 150 mg/m3 200 mg/m3 100 mg/m3

5 mg/m3 350 mg/m3 200 mg/m3 35 mg/m3

1.9.4 Rechtsgrundlagen

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467 DVD

Smog-Verordnungen

Einige Landesregierungen haben zur Verhinderung schädlicher Umwelteinwirkungen Verordnungen erlassen. Es gibt je nach der Höhe der auftretenden Schadstoffkonzentrationen drei Alarmstufen, denen bestimmte Maßnahmen zugeordnet sind, z.B. Verkehrsverbot, Stillegung bestimmter Anlagen.

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Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energie-Gesetz – EEG) vom 21.07.2004, zuletzt geändert am 07.11.2006 (BGBl. I S.2550)

regelt die Abnahme und Vergütung von Strom, der ausschließlich aus Wasserkraft, Windkraft, solarer Strahlungsenergie, Geothermie, Deponiegas, Klärgas, Grubengas oder aus Biomasse gewonnen wird.

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Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz) vom 19.03.2002, zuletzt geändert am 31.10.2006 (BGBl. I S. 2407)

regelt die Abnahme und Vergütung von Strom aus Kraftwerken mit Kraft-WärmeKopplung auf der Basis von Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Öl und Abfällen. KraftWärme-Kopplung im Sinne des Gesetzes ist die gleichzeitige Umwandlung von eingesetzter Energie in mechanische und elektrische Energie und Nutzwärme.

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Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes (Wasserhaushaltgesetz – WHG –) vom 19.08. 2002, zuletzt geändert am 10.05.2007 (BGBl. I S. 666)

Dient dem Gewässerschutz (oberirdische Gewässer, Küstengewässer, Grundwasser) und regelt den Umgang mit wassergefährdenden Stoffen. Nach dem § 19 l des WHG dürfen Arbeiten an Anlagen zum Lagern, Abfüllen, Herstellen, Behandeln wassergefährdender Stoffe nur noch von Fachbetrieben ausgeführt werden. Fachbetriebe im Sinne dieses Gesetzes müssen berechtigt sein ein Gütezeichen einer baurechtlich anerkannten Überwachungs- oder Gütegemeinschaft zu führen und Personal beschäftigen, das sachkundig im Umgang mit wassergefährdenden Stoffen ist. Vom WHG werden Anlagen zum Lagern, Herstellen und Behandeln wassergefährdender Stoffe sowie Anlagen zum Verwenden wassergefährdender Stoffe im Bereich der gewerblichen Wirtschaft und im Bereich öffentlicher Einrichtungen betroffen. Wassergefährdende Stoffe sind u.a. Säuren, Laugen, Mineralöle, Teeröle, flüssige und wasserlösliche Kohlenwasserstoffe. Derartige Anlagen müssen entsprechend den allgemein anerkannten Regeln der Technik beschaffen sein und entsprechend eingebaut, aufgestellt, unterhalten und betrieben werden. Sie bedürfen einer Eignungsfeststellung oder einer Bauartzulassung, sofern sie nicht einfacher, herkömmlicher Art sind (WHG § 19 g, h). Das Bundesumweltministerium hat einen Katalog wassergefährdender Stoffe mit deren Wassergefährdungsklassen (WGK = 0 bis 3) herausgegeben, der laufend fortgeschrieben wird.

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Umwelthaftung

Aus dem Umwelthaftungsrecht ergibt sich für Unternehmen jeder Größe ein zunehmendes Betriebsrisiko. Die gesetzlichen Grundlagen sind in einer Vielzahl von Gesetzestexten formuliert, von denen hier nur das Bürgerliche Gesetzbuch, Umwelthaftungsgesetz, Produkthaftungsgesetz und ergänzend das Wasserhaushaltgesetz angeführt werden sollen. Durch die Anpassung des Umwelthaftungsrechtes an die entsprechenden Richtlinien der Europäischen Kommission werden sich deutliche Veränderungen im Gesetzestext ergeben.

DVD 468

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

a) Umwelthaftung gemäß § 823 Bürgerliches Gesetzbuch (BGB) Im § 823 (1) wird zur Schadensersatzpflicht formuliert: „Wer vorsätzlich oder fahrlässig das Leben, den Körper, die Gesundheit, die Freiheit, das Eigentum oder ein sonstiges Recht eines anderen widerrechtlich verletzt, ist dem anderen zum Ersatz des daraus entstehenden Schadens verpflichtet.“ Diese Normierung betrifft auch umweltschädigende Emissionen. Voraussetzung für einen Haftungsanspruch eines Dritten ist, daß dieser in ursächlicher Weise durch die Emissionen betroffen wurde, der Schaden rechtswidrig ist und das Unternehmen sich vorsätzlich oder fahrlässig verhalten hat. Voraussetzung für eine Anspruchsverfolgung gemäß § 823 BGB ist, daß der Geschädigte (Kläger) beweist, daß die Schadensursache aus dem Unternehmen des Schädigers stammt. Die Frage des Verschuldens stellt bei der Prüfung des Haftungsanspruchs oftmals eine große Schwierigkeit dar. Das emittierende Unternehmen hat den Beweis zu liefern, daß es sorgfältig gearbeitet hat; für das Unternehmen wird somit eine „Entlastungsbeweisprophylaxe“ in Form von Dokumentation und Archivierung von Unterlagen notwendig. b) Umwelthaftungsgesetz (UHG) Das Umwelthaftungsgesetz trat am 01.01.1991 in Kraft (zuletzt geändert am 19.07. 2006 (BGBl. I, S. 866)) und soll die Betreiber ausgewählter Anlagen zu einer besonders vorsichtigen Handhabung bewegen. Hauptinhalte dieses Umwelthaftungsgesetzes, das sich im wesentlichen auf die genehmigungspflichtigen Anlagen i.S. der 4. BImSchV bezieht, sind folgende: Wird durch eine Umwelteinwirkung, die von einer in einem Anhang des Gesetzes genannten Anlage ausgeht, jemand getötet, sein Körper oder seine Gesundheit verletzt oder eine Sache beschädigt, so ist der Inhaber der Anlage verpflichtet, dem Geschädigten den daraus entstehenden Schaden zu ersetzen (§ 1). Im Gegensatz zum § 823 BGB fehlen die Begriffe „fahrlässig“ oder „vorsätzlich“; die Norm des UHG wird als eine Gefährdungshaftungsnorm ausgewiesen, d.h., nicht die Frage des Verschuldens ist maßgeblich für den Erfolg einer Schadensersatzklage, sondern die Ursachensetzung durch den beklagten Anlageninhaber. Der Emittent haftet auch dann, wenn eine schädigende Wirkung der bis dahin als schadensfrei geltenden Emissionen erst zu einem späteren Zeitpunkt erkennbar wird. Für Umwelteinwirkungen, die von einer nicht mehr betriebenen Anlage ausgegangen sind und einen Schaden verursacht haben, haftet derjenige, der zum Zeitpunkt der Einstellung des Betriebes Inhaber der Anlage war. Unter Umwelteinwirkungen sind Einwirkungen durch Stoffe, Erschütterungen, Geräusche, Druck, Strahlen, Gas, Wärme, Dämpfe oder sonstige Erscheinungen, die sich im Boden, in der Luft oder im Wasser ausbreiten, zu verstehen. Zu einer Anlage gehören auch Maschinen, Geräte, Fahrzeuge und sonstige ortsveränderliche technische Einrichtungen, die mit der Anlage in einem räumlichen Zusammenhang stehen. Zur Ursachenvermutung ist formuliert: „Ist eine Anlage nach den Gegebenheiten des Einzelfalls geeignet, den entstandenen Schaden zu verursachen, so wird vermutet, daß der Schaden durch diese Anlage verursacht ist ...“. Dieser Ursachenvermutung kann der Anlagenbesitzer durch den Nachweis eines bestimmungsgemäßen Betriebes der Anlage entgegentreten. Ein bestimmungsgemäßer Betrieb liegt dann vor, wenn die besonderen Betriebspflichten eingehalten worden sind und auch keine Betriebsstörungen vorliegen. Vorsorge für die Beweisführung ist eine Pflicht des Anlagenbesitzers, da er den Beweis im Falle einer konkreten Vermutung liefern muss. Der Geschädigte hat Anspruch auf Auskunft. Die Haftungshöchstgrenze beträgt für Personen- und Sachschäden jeweils ca. 82 Millionen A (bei Ansprüchen nach § 823 BGB ist die Höhe unbegrenzt). c) Umweltschadensgesetz (USchadG) verbindlich seit 10.05.2007, zuletzt geändert am 19.07.2007 (BGBl. I S. 1462), kommt zur Geltung, wenn ein Schadensfall oder bereits die Gefahr eines Schadens an den Schutzgütern Wasser, Boden, Flora und Fauna durch eine „berufliche Tätigkeit“ eintritt. Die beruflichen Tätigkeiten werden in der Anlage 1 zum Gesetz aufgelistet und umfassen u.a. das Betreiben von Anlagen, für die eine Genehmigung gemäß IVU-Richtlinie 96/61/EG

1.9.4 Rechtsgrundlagen

469 DVD

der Europäischen Union erforderlich ist, oder die Beförderung umweltschädlicher Güter oder ausgewählte Tätigkeiten in der Abfallwirtschaft. Der Verursacher eines Schadens ist verpflichtet, die zuständigen Behörden unverzüglich zu informieren, die erforderlichen Schadensbegrenzungsmaßnahmen vorzunehmen und die erforderlichen Sanierungsmaßnahmen zu ergreifen. Das Gesetz findet keine Anwendung, wenn die Ereignisse, die zu den Schäden geführt haben, vor dem 30.04.2007 stattgefunden haben. d) Produkthaftung § 823 BGB betrifft nicht nur Schäden durch Umwelteinwirkungen, sondern auch durch fehlerhafte Produkte. Fehlerhaft ist ein Produkt dann, wenn es nicht die zu erwartende Sicherheit bietet. Entlastung des Produzenten erfolgt durch den Nachweis, dass weder fahrlässig noch nachlässig oder vorsätzlich ein Fehler des Produktes herbeigeführt wurde. Der Produzent hat entsprechende Beweise zu erbringen (Nachweis der Qualitätssicherung). Das Produkthaftungsgesetz (verbindlich seit 01.01.1990, zuletzt geändert am 19.07.2002) behandelt den Sachverhalt, dass durch den Fehler eines Produktes jemand getötet, sein Körper oder seine Gesundheit verletzt oder eine Sache beschädigt wird. Der Produkthersteller ist verpflichtet, den entstehenden Schaden zu ersetzen. Die Produkthaftung ist ebenfalls eine Gefährdungshaftung, bei der die Frage der Fahrlässigkeit oder des Vorsatzes nicht angesprochen wird. Ein Ausschluss der Haftung des Produzenten ist in § 1 (2) für eine Reihe von Sachverhalten aufgeführt. Ersatzpflicht entfällt u.a., wenn nach dem Stand von Wissenschaft und Technik der Fehler in dem Zeitpunkt, in dem der Hersteller das Produkt in den Verkehr brachte, nicht erkennbar war. Durch Vereinbarungen kann die Haftung von vornherein nicht eingeschränkt oder ausgeschlossen werden. e) Wasserhaushaltgesetz (WHG) Gemäß § 22 des WHG (vom 19.08. 2002, zuletzt geändert am 10.05.2007 (BGBl. I S. 866)) als zivilrechtliche Norm haftet sowohl derjenige, der auf ein Gewässer einwirkt, als auch derjenige, der Inhaber einer Anlage ist. Wer in ein Gewässer Stoffe einbringt, einleitet oder die physikalische, chemische oder biologische Beschaffenheit des Wassers verändert, haftet für den daraus entstehenden Schaden. Gelangen aus einer Anlage, die bestimmt ist, Stoffe herzustellen, zu verarbeiten, zu lagern, abzulagern, zu befördern oder wegzuleiten, derartige Stoffe in ein Gewässer, ohne in dieses eingebracht oder eingeleitet zu sein, so ist der Anlageninhaber zum Ersatz des entstehenden Schadens verpflichtet (die Ersatzpflicht tritt nicht ein, wenn der Schaden durch höhere Gewalt verursacht ist). Damit ist das WHG ebenfalls eine Gefährdungshaftungsnorm. Der Tatbestand des Einleitens in das Grundwasser wird z.B. auch durch in der betrieblichen Praxis häufig vorkommende fehlerhafte Einleitung in den Vorfluter oder durch „Versickernlassen“ erfüllt. Der Begriff der Anlage ist weit gefasst, da auch Kleingebinde, Anhäufung von gewässerschädigenden Stoffen auf einer Halde als Anlage gezählt werden.

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Weitere gesetzliche Regelungen

Das Wasserhaushaltgesetz wird durch das Gesetz über Abgaben für das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserabgabegesetz – AbwAG) in der Fassung vom 18.01.2005 (BGBl. I S. 114) ergänzt. Die Vermeidung, Sammlung und Entsorgung von Abfällen wird durch das Gesetz zur Förderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von Abfällen (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz – KrW-/AbfG) vom 27.09.1994, zuletzt geändert am 19.07.2007 (BGBl. I S. 1462), geregelt. Für die Ablagerung von Siedlungsabfällen und Sonderabfällen gelten die 2. Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum gleichen Gesetz – TA Abfall – vom 10.04.1990 in der ab 01.04.1991 geltenden Fassung (GMBl. S. 170) sowie die 3. Allgemeine Verwaltungsvorschrift zum gleichen Gesetz – TA Siedlungsabfall – vom 14.05.1993 (BAnz. Nr. 99a). Für die grenzüberschreitende Verbringung von Abfällen gilt das Abfallverbringungsgesetz vom 30.09.1994, zuletzt geändert am 31.10.2006 (BGBl. I S. 2407).

DVD 470

1. Grundlagen / 1.9 Grundlagen des Umweltschutzes und der Luftreinhaltung

Der Schutz und die Wiederherstellung des Bodens wird durch das Gesetz zum Schutz vor schädlichen Bodenveränderungen und zur Sanierung von Altlasten (Bundes-Bodenschutzgesetz – BBodSchG) vom 17.03.1998, zuletzt geändert am 09.12.2004 (BGBl. I S. 3214), geregelt. Bei der Durchführung einer Umweltbetriebsprüfung und bei der Beteiligung an einem Gemeinschaftssystem für das Umweltmanagement sind folgende Gesetze und Verordnungen zu berücksichtigen: Verordnung (EG) Nr. 761/2001 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19.03.2001, geändert am 16.04.2003 (ABl. Nr. L 236 S. 706) über die freiwillige Beteiligung von Organisationen an einem Gemeinschaftssystem für das Umweltmanagement und die Umweltbetriebsprüfung (EMAS) und daraus abgeleitet das Umweltauditgesetz (UAG) vom 04.09.2002, zuletzt geändert am 04.12.2004 (BGBl. I S. 3166).

1.10.1 Grundlagen der Korrosion

1.10

471 DVD

Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes1) Ergänzungen von Dr. rer.nat. Wilhelm Erning, Berlin

1.10.1 -1

Grundlagen der Korrosion Begriffe

Nach den Definitionen in der DIN EN ISO 80442) ist zwischen den Begriffen Korrosion, Korrosionssystem, Korrosionserscheinung, Korrosionsschaden und Korrosionsversagen zu unterscheiden: Korrosion Physikochemische Wechselwirkung zwischen einem Metall und seiner Umgebung, die zu einer Veränderung der Eigenschaften des Metalls führt und die zu erheblichen Beeinträchtigungen der Funktion des Metalles, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, führen kann. ANMERKUNG: Diese Wechselwirkung ist oft elektrochemischer Natur. Korrosionssystem System, das aus einem oder mehreren Metallen und jenen Teilen der Umgebung besteht, die die Korrosion beeinflussen. Korrosionserscheinung Durch Korrosion verursachte Veränderung in einem beliebigen Teil des Korrosionssystems. Korrosionsschaden Korrosionserscheinung, die eine Beeinträchtigung der Funktion des Metalls, der Umgebung oder des technischen Systems, von dem diese einen Teil bilden, verursacht. Korrosionsversagen Korrosionsschaden, gekennzeichnet durch den vollständigen Verlust der Funktionsfähigkeit des technischen Systems. Nach diesen Definitionen sind Korrosion (der Vorgang) und Korrosionserscheinung (das Ergebnis) zunächst wertneutral. Negativ zu bewerten ist nur der Korrosionsschaden (die mögliche Konsequenz). Korrosion kann zu einem Korrosionsschaden führen, muss es aber nicht. Deckschichten, die sich auf Metallen in Berührung mit Wasser bilden, stellen eine Korrosionserscheinung dar, führen aber nicht zu einem Korrosionsschaden, sondern verhindern diesen sogar. Ob Korrosion zu einem Korrosionsschaden führt, wird häufig nicht so sehr vom Ausmaß der Korrosionserscheinungen bestimmt, sondern vielmehr von der Funktion des Bauteils3). So können z.B. die aus den Korrosionsprodukten gebildeten Beläge im Bereich der Führungshülse für die bewegliche Achse einer Regelarmatur bereits bei geringfügiger Korrosion zum Blockieren und damit zu einem Korrosionsschaden führen, während ein Metallabtrag in der Größenordnung von 1 mm bei dickwandigen Rohren noch unkritisch sein kann. Wenn Korrosion nicht zwangsläufig schädlich ist, muss sie auch nicht immer vermieden werden. Dementsprechend ist der Korrosionsschutz wie folgt definiert: Korrosionsschutz Veränderung eines Korrosionssystems derart, dass Korrosionsschäden verringert werden. Im Zusammenhang mit dem Korrosionsschutz sind noch drei weitere wichtige Definitionen zu sehen: 1) 2) 3)

Die Erstbearbeitung erfolgte durch Dr. Carl-Ludwig Kruse, Dortmund, für die 67. Auflage. Kruse, C.-L.: Korrosion in der Sanitär- und Heizungstechnik. Krammer-Verlag, Düsseldorf 1991. DIN EN ISO 8044:1999. Korrosion von Metallen und Legierungen, Grundlegende Begriffe und Definitionen. Adrian, H., und Kruse, C.-L.: Der Begriff Korrosionsschaden in technisch wissenschaftlichen Regelwerken. gwf-wasser/abwasser 124 (1983), Siehe 453–458.

DVD 472

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Funktionsfähigkeit Fähigkeit eines Korrosionssystems, seine Funktion ohne Beeinträchtigung durch Korrosion zu erfüllen. Dauerhaftigkeit Fähigkeit eines Korrosionssystems, die Funktionsfähigkeit über eine vorgegebene Nutzungsdauer beizubehalten, wenn die Anforderungen an Verwendung und Instandhaltung erfüllt worden sind. Nutzungsdauer Zeitabschnitt, in dem das Korrosionssystem die Anforderungen an die Funktionsfähigkeit erfüllt. Abgesehen davon, dass Korrosion in den meisten Fällen nicht vollständig zu vermeiden ist, ist dies in der Regel auch nicht erforderlich. Entscheidend ist, dass es innerhalb der vorgesehenen Nutzungsdauer eines Bauteils nicht zu einer Beeinträchtigung der Funktion durch Korrosion kommt. Ein gutes Beispiel dafür, dass diese Denkweise in der Praxis durchaus üblich ist, bietet die Deutsche Bundesbahn, die vernünftigerweise darauf verzichtet, die Eisenbahnschienen aus ungeschütztem Stahl, die der freien Atmosphäre ausgesetzt ungehindert rosten, durch Anstreichen vor Korrosion zu schützen. Durch die Korrosion wird die Funktion der Eisenbahnschiene nicht beeinträchtigt, folglich ist auch kein Korrosionsschutz erforderlich. Ähnlich wie Korrosionsschutz nicht gleichbedeutend ist mit Vermeiden von Korrosion, ist die Korrosionsbeständigkeit eines Werkstoffs nicht die Eigenschaft, Korrosion zu widerstehen: Korrosionsbeständigkeit Fähigkeit eines Metalls, die Funktionsfähigkeit in einem gegebenen Korrosionsystem beizubehalten. Wie stark diese Eigenschaft von der Funktion des Bauteils bestimmt wird, zeigt das Beispiel eines Stahlheizkörpers. Für die stärkere Korrosionsbelastung von der Wasserseite ist die Korrosionsbeständigkeit des ungeschützten Stahls ausreichend, nicht jedoch für die viel schwächere Belastung von der Innenatmosphäre eines Raumes. Ein Korrosionsschutz durch eine Beschichtung ist erforderlich, weil der Heizkörper auf der Außenseite auch eine dekorative Funktion zu erfüllen hat, die ohne Korrosionsschutz bereits durch den geringsten Rostanflug beeinträchtigt wäre. Zusammenfassend ist an dieser Stelle festzuhalten, dass Korrosion nur dann allgemeines Interesse finden kann, wenn es sich um Vorgänge handelt, die zumindest zu einer Funktionsbeeinträchtigung (Korrosionsschaden) oder zum vollständigen Verlust der Funktionsfähigkeit (Korrosionsversagen) eines technischen Systems führen. Dabei kann sich die Funktionbeeinträchtigung sowohl auf den – Werkstoff (z.B. in Form einer durch Lochkorrosion verursachten Undichtigkeit) als auch das – angreifende Medium (z.B. in Form einer Wasserverunreinigung durch suspendierte Korrosionsprodukte) als auch auf das – technische System (z.B. in Form von Durchflußblockaden durch abgelagerte Korrosionsprodukte) beziehen.

-2

Elektrochemische Grundlagen

Die in der Heizungs- und Klimatechnik stattfindende Korrosion ist stets elektrochemischer Natur. Zu ihrem Verständnis ist deshalb die Kenntnis einiger elektrochemischer Grundlagen erforderlich. Jede elektrochemische Reaktion, also auch die primäre Reaktion bei der Korrosion von Eisen, Fe + H2O + 1/2 O2 → Fe(OH)2 bei der Eisen mit Wasser und Sauerstoff zu Eisen(2)hydroxid reagiert, kann in zwei Teilreaktionen aufgespalten werden, die anodische Teilreaktion (Oxidation) Fe → Fe2+ + 2e–

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1.10.1 Grundlagen der Korrosion

473 DVD

und die kathodische Teilreaktion (Reduktion) 1 /2 O2 + H2O + 2e– → 2 OH– bei der Sauerstoff mit Wasser unter Aufnahme von Elektronen Hydroxyl-Ionen bildet. Wenn die beiden Teilreaktionen am selben Ort ablaufen, was bei homogenen Oberflächen der Fall ist, findet gleichmäßige Flächenkorrosion statt. Wenn die beiden Teilreaktionen jedoch örtlich getrennt ablaufen, was bei heterogenen Oberflächen der Fall ist, findet ungleichmäßige Korrosion statt. Eine örtliche Trennung der beiden Teilreaktionen ist immer dann möglich, wenn – Oberflächenbereiche mit unterschiedlichem Elektrodenpotential vorliegen und – die Oberflächenbereiche über einen metallischen Leiter und – über einen Elektrolyten (Ionenleiter) elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Erfüllt sind diese Bedingungen bei einem galvanischen Element, wenn z.B. zwei verschiedene Metalle wie Zink und Kupfer über einen Metalldraht und einen Elektrolyten (Salzlösung, Säure) elektrisch leitenden Kontakt haben. Bei der Betrachtung von galvanischen Elementen im Zusammenhang mit Korrosion spricht man von einem Korrosionselement. Den Begriff des Elektrodenpotentials kann man sich nach den obigen Gleichungen wie folgt verständlich machen. Von einem Eisenstab, der in einen Elektrolyten eintaucht, gehen 2fach positiv geladene Eisen-Ionen durch die Phasengrenze in den Elektrolyten, während negativ geladene Elektronen auf dem Stab zurückbleiben. Je größer die Neigung des Metalles ist, sich aufzulösen, je größer der Betrag der negativen Ladungen wird, die auf dem Stab zurückbleiben, um so negativer wird das Elektrodenpotential, das durch Messung der elektrischen Spannung zwischen dem Metallstab und einer Bezugselektrode ermittelt werden kann. Bei einem Platindraht, der in eine sauerstoffhaltige Lösung eintaucht, kann man sich vorstellen, dass Elektronen den Draht verlassen und von dem Sauerstoff aufgenommen werden. In diesem Fall entsteht auf dem Draht ein Defizit an negativen Ladungen, er erhält ein positives Elektrodenpotential. Das Elektrodenpotential wird um so positiver, je stärker das Oxidationsmittel ist. Bei Anwesenheit von Reduktionsmitteln, die dazu neigen, Elektronen abzugeben, erhält der Platindraht ein negatives Elektrodenpotential. Das am Platindraht zu messende Elektrodenpotential, das die Eigenschaften der Lösung in bezug auf seine oxidierenden oder reduzierenden Eigenschaften kennzeichnet, wird auch als Redoxpotential bezeichnet. Bei dem Elektrodenpotential eines korrodierenden Metalls, dem Korrosionspotential, das an einem in eine Lösung eingetauchten Metall gegen eine Bezugselektrode gemessen werden kann, handelt es sich stets um ein Mischpotential, das sich aus den beiden Teilreaktionen ergibt. Eine Veränderung des Korrosionspotentials ermöglicht deshalb normalerweise keine eindeutigen Aussagen darüber, ob sie auf die Änderung der Bedingungen bei der Metalauflösung oder bei der Reduktion des Oxidationsmittels zurückzuführen ist. Informationen hierüber können nur durch Aufnahme von Stromdichte-Potential-Kurven erhalten werden. Örtliche Unterschiede im Elektrodenpotential können allein schon dadurch zustande kommen, dass einzelne Bereiche der Oberfläche mit Ablagerungen bedeckt sind. Unter den abgedeckten Bereichen, bei denen der Zutritt von Sauerstoff aus dem Lösungsinnern behindert ist, wird das Redoxpotential (und damit auch das Korrosionspotential) negativer. Derartige Bereiche können dann zu Anoden von Korrosionselementen werden. Diese durch unterschiedlichen Sauerstoffzutritt (unterschiedliche Belüftung) verursachten Korrosionselemente bezeichnet man allgemein als Belüftungselemente. Korrosionselemente, die durch Kontakt von zwei Metallen mit von Haus aus unterschiedlichem Elektrodenpotential gebildet werden (z.B. an Berührungsstellen zwischen einem feuerverzinkten Stahlrohr und einer Messingarmatur), bezeichnet man als Kontaktelemente. Die neben dem unterschiedlichen Elektrodenpotential weitere notwendige Voraussetzung für ein Korrosionselement, die elektrisch leitende Verbindung zwischen Anode und Kathode über einen metallischen und einen elektrolytischen Leiter, ist zwar von der Leitfähigkeit der Metalle immer und von der Leitfähigkeit der Elektrolyte meistens (nicht z.B. bei vollentsalztem Wasser) erfüllt. Wenn sich als Folge der Korrosion auf der Metalloberfläche nichtleitende Deckschichten ausbilden, oder wenn zum Korrosionsschutz nichtleitende Überzüge (z.B. Email) aufgebracht werden, sind Korrosionselemente nicht möglich. Ausgeprägt örtliche Korrosion kann deshalb nur auftreten, wenn eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit an der Phasengrenze zum Elektrolyten vorliegt.

DVD 474

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

-3

Wasserbeschaffenheit

Das häufigste Angriffsmittel in der Heizungs- und Klimatechnik ist das Wasser. Hierbei handelt es sich in der Regel nicht um reines Wasser entsprechend der chemischen Formel H2O, sondern um eine verdünnte Lösung mehrerer gasförmiger und fester Stoffe. Das Ausmaß der korrosionsfördernden Eigenschaften eines Wassers wird durch seine Korrosivität beschrieben. Die Korrosivität ist eine sehr komplexe Wassereigenschaft, die nur im Zusammenhang mit einem bestimmten Werkstoff unter bestimmten Betriebsbedingungen abgeschätzt werden kann. Sie kann außerdem, je nach der für das Auftreten von Schäden ausschlaggebenden Korrosionsart, sehr unterschiedlich sein. Die Korrosivität eines Wassers kann deshalb nicht auf einfache Weise quantitativ beschrieben werden. Je nach Werkstoff, Betriebsbedingungen und Korrosionsart können die Gehalte an Sauerstoff, Neutralsalzen oder freier Kohlensäure für die Korrosivität bestimmend sein. Bei Warmwasserheizungen ohne ständige Erneuerung des Heizwassers, bei denen derim Wasser gelöste Sauerstoff durch Korrosion verhältnismäßig schnell verbraucht ist, ohne dass dadurch nennenswerter Materialabtrag auftritt, hängt die noch verbleibende Korrosivität des Wassers allein davon ab, in welchem Maße Sauerstoff aus der Atmosphäre in das Innere der Anlage gelangen kann. Bei vollständig geschlossenen Anlagen kommt die Korrosion praktisch vollständig zum Stillstand, von einer Korrosivität des Wassers kann dann nicht mehr gesprochen werden. Bei Anlagen mit durchströmten offenen Ausdehnungsgefäßen oder mit gasdurchlässigen Bauteilen, bei denen ständig Sauerstoff in das Heizwasser gelangt, hängt die Korrosivität des Wassers nahezu ausschließlich von seinem Sauerstoffgehalt ab. Da sich dieser sehr schnell durch Korrosion mit den Bauteilen der Heizanlage verringert, wird die Korrosivität des Wassers ortsabhängig. Am größten ist sie unmittelbar hinter der Sauerstoffeintrittsstelle, mit zunehmender Entfernung davon nimmt sie stetig ab. Bei Trinkwasseranlagen, bei denen bestimmungsgemäß häufige Erneuerung des Wassers auftritt, ist der Sauerstoffgehalt zwar ebenfalls eine für die Beurteilung der Korrosivität wichtige Größe. Da die Wässer jedoch zumeist luftgesättigt sind, d.h. Sauerstoffgehalte in der Größenordnung von 10 mg/L vorliegen, sind weitere Kriterien heranzuziehen. Die Korrosivität im Hinblick auf ungleichmäßige Korrosion wird durch die Konzentration oder Konzentrationsverhältnisse bestimmter Anionen gekennzeichnet. Bei der Korrosion von nichtrostenden Stählen wird die Korrosivität im wesentlichen durch die Konzentration an Chlorid-Ionen bestimmt. Bei der Muldenkorrosion von unlegiertem und feuerverzinktem Stahl ist es das Konzentrationsverhältnis von Chlorid-, Sulfat- und Nitrat-Ionen zu Hydrogencarbonat-Ionen. Bei der Lochkorrosion von Kupfer in Kaltwasserleitungen ist es das Konzentrationsverhältnis von Sulfat- und Nitrat-Ionen zu Chlorid- und Hydrogencarbonat-Ionen. Für die Löslichkeit der Korrosionsprodukte, die bei einzelnen Metallen das Ausmaß der gleichmäßigen Korrosion bestimmt, ist die Menge der die saure Reaktion eines Wassers verursachenden Wasserstoff-Ionen entscheidend. Deren Konzentration wird im Gegensatz zu der der sonstigen Wasserinhaltsstoffe nicht in mol/m3 oder mg/L angegeben, sondern durch den negativen Logarithmus der molaren Konzentration gekennzeichnet. Diese Größe bezeichnet man als den pH-Wert: pH-Wert = –log cmol(H+) Während der pH-Wert bei den starken Säuren und Laugen ein direktes Maß für deren Konzentration ist und damit auch als Maß für deren Korrosivität gegenüber Säure- bzw. Lauge-empfindlichen Werkstoffen dienen kann, ist dies bei schwachen Säuren und Laugen nicht der Fall. Bei Trinkwasser, dessen Korrosivität gegenüber Säure-empfindlichen Werkstoffen auf dem Gehalt an Kohlenstoffdioxid (Kohlensäure) beruht, ist deshalb der pH-Wert nur eingeschränkt zur Beurteilung der Korrosivität geeignet. Zur Beurteilung der Korrosivität im Hinblick auf einen möglichen Stoffumsatz muss statt dessen die Konzentration an Kohlenstoffdioxid (Basekapazität bis pH 8,2 (KB8,2), früher als -pWert bezeichnet) herangezogen werden. Auch bei Kesselwasser von Dampferzeugern, dem zur Erzielung der Passivität von Eisenwerkstoffen alkalisierende Stoffe zugesetzt werden, kann deren Konzentration nur unzureichend durch den pH-Wert gekennzeichnet werden. Daneben ist deshalb stets die Angabe einer Konzentration (Säurekapazität bis pH 8,2 (KS 8,2), früher als p-Wert bezeichnet) erforderlich.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

1.10.2

475 DVD

Korrosion in Warmwasserheizungen1)

Korrosionsschäden in Warmwasserheizungen sind normalerweise nur bei Zutritt von Sauerstoff zum Heizwasser möglich. Lediglich Aluminium kann Korrosion auch bei Abwesenheit von Sauerstoff erleiden. Der Zutritt von Sauerstoff kann erfolgen – mit dem Füll- und Ergänzungswasser – über durchströmte offene Ausdehnungsgefäße – bei Auftreten von Unterdruck in der Anlage – über gasdurchlässige Bauteile Ausschlaggebend für das Risiko eines Korrosionsschadens ist die in das Heizwasser der Anlage gelangende Sauerstoffmenge, die in einzelnen Fällen abgeschätzt (s. Abschn. 1.10.2-3 s. S. 479) werden kann. Größere Sauerstoffkonzentrationen im Heizwasser über 0,1 mg/L weisen normalerweise auf ein erhöhtes Korrosionsrisiko hin. Niedrige Sauerstoffkonzentrationen im Heizwasser sind zur Risikoabschätzung nur von begrenztem Aussagewert, weil die Sauerstoffkonzentration als Folge der Korrosion mit zunehmender Entfernung von der Eintrittstelle des Sauerstoffs u.U. bis auf Werte unter 10 µg/L abnehmen kann. Während die Möglichkeit des Auftretens von Korrosion durch den Sauerstoffzutritt bestimmt wird, wird die Art der Korrosionserscheinungen hauptsächlich von der Wasserbeschaffenheit und von den Betriebsbedingungen beeinflußt.

-1

Wanddurchbruch bei Eisenwerkstoffen

Als Werkstoff für Warmwasserheizungen werden überwiegend unlegierte Eisenwerkstoffe (Stahl, Gußeisen) eingesetzt. Bei Berührung mit sauerstoffhaltigem Wasser reagiert Eisen zunächst nach Fe + 1/2 O2 + H2O → Fe(OH)2 unter Bildung von Eisen(2)hydroxid, das sich nach 3 Fe(OH)2 + 1/2O2 → Fe3O4 + 3 H2O normalerweise in das unter dem Namen Magnetit bekannte Eisen(2,3)oxid umwandelt. Wenn man davon ausgeht, dass Wasser bei Luftsättigung an der Atmosphäre einen Sauerstoffgehalt von etwa 10 mg/L hat, dann kann man aus den obigen Gleichungen ableiten, dass 1 m3 Wasser etwa 26 g Eisen umsetzen kann. Für die Verhältnisse in einem Rohr DN 25, das bei einer Länge von 1 m ein Wasservolumen von etwa 0,5 L umhüllt und eine Innenfläche von etwa 800 cm2 hat, bedeutet dies bei gleichmäßiger Korrosion eine Wanddickenschwächung von etwa 0,00002 mm. Daraus ergibt sich, dass der Sauerstoffgehalt des Füllwassers bei der Abschätzung der Korrosionsgefährdung einer Warmwasserheizung außer Betracht bleiben kann und dass hier normalerweise keine Korrosionsprobleme in Form von Wanddurchbrüchen auftreten. An Rohrleitungen oder Heizkörpern kann es nur dann zu Wanddurchbrüchen kommen, wenn ständig Sauerstoff in den Kreislauf gelangt. Dies kann z.B. bei Anlagen mit offenem Ausdehnungsgefäß und zwei Sicherheitsleitungen geschehen, wenn die Verbindung zwischen Sicherheitsvorlauf und Sicherheitsrücklauf über das offene Ausdehnungsgefäß erfolgt. Bild 1.10.2-1 zeigt das Aussehen einer Rohrleitung aus dem Sicherheitsrücklauf unmittelbar hinter einem durchströmten Ausdehnungsgefäß nach einer Betriebszeit von 5 Jahren nach Entfernung der Korrosionsprodukte.

Bild 1.10.2-1. Stahlrohr aus dem Sicherheitsrücklauf unmittelbar hinter einem durchströmten offenen Ausdehnungsgefäß.

1)

VDI 2035-2:1998-09: Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen, Wasserseitige Korrosion.

DVD 476

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Bild 1.10.2-2 zeigt das typische Aussehen einer Durchbruchstelle in der unteren Schale eines Stahlradiators aus einer Anlage mit durchströmtem offenem Ausdehnungsgefäß nach einer Betriebszeit von 7 Jahren, ebenfalls nach Entfernung der Korrosionsprodukte.

Bild 1.10.2-2. Untere Schale aus einem Stahlblechradiator aus einer Anlage mit einem offenen durchströmten Ausdehnungsgefäß.

Charakteristisch für diese Korrosionserscheinungen ist der Metallabtrag auf der gesamten Oberfläche. In Anlagen ohne Sauerstoffaufnahme über ein offenes Ausdehnungsgefäß kann es bei den dann sehr geringen Sauerstoffgehalten unter 10 µg/L nur ausnahmsweise im Zusammenhang mit Besonderheiten bei der Inbetriebnahme zu Durchrostungen kommen. Eine Warmwasserheizung wird in der Regel nach der Fertigstellung einer WasserdruckPrüfung unterzogen. Wird das System anschließend wieder entleert, verbleiben in der Regel Wasserreste in Heizkörpern und Teilen der Rohrleitungen, eine vollständige Entleerung gelingt nicht. Im Bereich dieser Wasserreste kommt es an der Dreiphasengrenze Wasser/Luft/Werkstoff zu verstärkter Korrosion, die in Extremfällen zu Wanddurchbrüchen in relativ kurzer Zeit führen kann. Insbesondere für Flachheizkörper aus relativ dünnwandigen Blechen kann dies relativ schnell eintreten. Daneben können die Korrosionsprodukte im Falle des Eintrags in Ventile oder Thermostaten zu Funktionsstörungen führen. Die Entleerung sollte daher nach Möglichkeit vermieden werden. Unter ungünstigen Bedingungen kann es jedoch zur Ausbildung von Korrosionselementen kommen, die einen muldenförmigen oder lochartigen Angriff verursachen. Derartige Verhältnisse sind z.B. gegeben, wenn das Heizwasser Korrosions-Inhibitoren enthält oder der Heizkörper noch Reste von Verarbeitungshilfsmitteln mit rostschützender Wirkung aufweist. Korrosions-Inhibitoren, deren Eigenschaften im übrigen in Abschn. 1.10.2-12 s. S. 488 näher beschrieben sind, haben vielfach die Eigenschaft, dass sie, wenn sie nicht in ausreichender Menge an die Metalloberfläche gelangen, nicht nur nicht mehr schützend wirken, sondern im Gegenteil sogar ausgeprägt örtliche Korrosion verursachen können. Bild 1.10.2-3 zeigt einen Wanddurchbruch, der in Verbindung mit einem KorrosionsInhibitoren enthaltenden Fernheizwasser im Spaltbereich einer Punktschweißstelle entstanden ist. Wenn das zur Wasserdruckprobe verwendete Fernheizwasser wieder abgelassen wird, bleibt hier aufgrund von Kapillarkräften Wasser zurück. Begünstigt durch den ungehinderten Zutritt von Sauerstoff aus der Luft, die Aufkonzentrierung der Wasserinhaltsstoffe durch Verdunstung von Wasser und den Verbrauch der Inhibitoren stellen sich im Spaltbereich der Punktschweißstelle verhältnismäßig schnell Bedingungen ein, unter denen die Entstehung von Korrosionselementen begünstigt ist. Der geringe Restsauerstoffgehalt des Fernheizwassers, der für sich allein keinen Schaden verursachen konnte, war unter diesen Bedingungen in der Lage, das Korrosionselement bis zum Wanddurchbruch aktiv zu halten.

Bild 1.10.2-3. Wanddurchbruch im Spaltbereich einer Punktschweißstelle durch Korrosion bei behindertem Inhibitorzutritt.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

477 DVD

Bild 1.10.2-4 zeigt eine Durchbruchstelle in dem Rohr eines Röhrenradiators, bei der die örtliche Korrosion von der Längsschweißnaht des Rohres ausgeht. Der Schadensfall stammt aus einer Anlage mit Kunststoffrohr-Fußbodenheizung, in der es aufgrund der Sauerstoffdurchlässigkeit der Kunststoffrohre zu Schäden durch Schlammbildung gekommen war (s. Abschn. 1.10.2-3 s. S. 479). Als Abhilfemaßnahme wurden dem Heizwasser Korrosions-Inhibitoren zugesetzt. Die Wirksamkeit des verwendeten Inhibitors ist offensichtlich im Bereich der um die Schweißnaht vorhandenen Zunderschichten nicht ausreichend gewesen und hat zu Lochkorrosion geführt (s. Abschn. 1.10.2-12 s. S. 488). Bild 1.10.2-4. Wanddurchbruch im Bereich der Längsschweißnaht eines Röhrenradiators durch Korrosion bei behindertem Inhibitorzutritt.

Bild 1.10.2-5. Wanddurchbruch im Bodenbereich eines Plattenheizkörpers als Folge von örtlicher Korrosion, ausgelöst durch Korrosionsschutzöl.

Ähnlich kritische Verhältnisse liegen bei Heizkörpern vor, die auf ihrer Oberfläche noch Reste von Verarbeitungshilfsmitteln mit korrosionsschützender Wirkung aufweisen. Der zur Vermeidung von Anrostungen bei der Lagerung an der Atmosphäre auf die Blechoberfläche aufgebrachte sog. temporäre Korrosionsschutz ist unter den Bedingungen mit Wasserresten bei ungehindertem Luftzutritt zwar zunächst noch ausreichend wirksam, um Korrosion zu unterbinden. Wenn der Korrosionsschutz jedoch an einer Stelle zusammenbricht, wird diese in gleicher Weise zur Anode in einem Korrosionselement, wie dies bei einer Stelle mit unzureichendem Inhibitorzutritt geschieht. Bild 1.10.2-5 zeigt das typische Aussehen einer hierdurch bedingten Korrosionsstelle im unteren Bereich eines Plattenheizkörpers. Auffällig ist der nahezu punktförmige Angriff inmitten einer im übrigen praktisch nicht angegriffenen Oberfläche. Das Bild zeigt die Oberfläche im Originalzustand, d.h., es sind keine Korrosionspunkte entfernt worden.

Bild 1.10.2-6. Wasserseitige örtliche Korrosionserscheinungen am Rauchrohr eines Heizkessels.

Besondere Bedingungen liegen bei Warmwasserheizungen mit Fußbodenheizungsrohren aus nicht sauerstoffdichtem Kunststoff vor. Bei diesen Anlagen gelangt zwangsläufig ständig Sauerstoff durch die Kunststoffrohre hindurch in das Heizwasser. Außer der in Abschn. 1.10.2-3 s. S. 479 näher beschriebenen Schlammbildung werden auch vereinzelt Wanddurchbrüche beobachtet. Bild 1.10.2-6 zeigt das Aussehen eines Rauchrohres aus einem Heizkessel, das durch örtliche Korrosion von der Wasserseite nach einer Betriebszeit von 11/2 Jahren undicht geworden ist. Die örtliche Korrosion ist in diesem Fall offensichtlich durch Luftblasen ausgelöst worden, die sich beim ersten Aufheizen des Heizkessels auf der Unterseite des Rauchrohres festgesetzt haben. Wegen der sehr ungünstigen Verhältnisse in dieser Anlage mit etwa 20000 m Kunststoffrohr und nur etwa 15 m2 Stahloberfläche wäre selbst bei gleichmäßiger Korrosion mit einem Abtrag von etwa 0,2 mm/a zu rechnen gewesen.

DVD 478

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

In anderen Fällen sind in Verbindung mit Kunststoffrohren Durchrostungen an Kesselblechen und Temperaturfühlern von Heizkesseln sowie an Wärmetauschern und Speicherbehältern von Wärmepumpenanlagen beobachtet worden. Während bei Korrosionsschäden, die bereits in der ersten Heizperiode auftreten, einleuchtend ist, dass sie nicht durch eine besondere Korrosivität des Heizwassers bedingt sind, sondern durch Korrosion vor der Inbetriebnahme, ist dies bei Schäden nach Betriebszeiten von mehreren Jahren nicht mehr so deutlich erkennbar. Die in den Heizwässern festgestellten Sauerstoffgehalte von 5–20 µg/L reichen nicht aus, um stabile Korrosionselemente zu erzeugen. Sie sind aber offensichtlich in der Lage, vor der Inbetriebnahme in Gang gekommene Korrosionselemente aktiv zu erhalten. Aufgrund der heute vorliegenden Kenntnisse müssen ältere Vorstellungen, wonach ein Sauerstoffgehalt von 0,1 mg/L für das Auftreten von Korrosionsschäden erforderlich sein soll, korrigiert werden. Dieser Wert basiert auf der Erfahrung aus der Untersuchung von Schäden in Anlagen mit durchströmten offenen Ausdehnungsgefäßen. Er ist insofern nach wie vor gültig, als ausschließlich durch die Betriebsweise bedingte Schäden wahrscheinlich bei geringeren Sauerstoffgehalten nicht auftreten. Er kann jedoch nicht in dem Sinne interpretiert werden, dass bei geringeren Sauerstoffgehalten keine Korrosion mehr ablaufen kann. Bei Korrosionselementen, die vor der Inbetriebnahme unter den nach einer Entleerung vorliegenden Bedingungen in Gang gekommen sind, liegt der Sauerstoffgehalt, der notwendig ist, um die Elemente in Gang zu halten, wahrscheinlich 2 Zehnerpotenzen niedriger.

-2

Gasbildung

Funktionsstörungen in Form von störenden Fließgeräuschen und mangelnder Heizleistung an den höchstgelegenen Heizkörpern, die durch Entlüften der Anlage kurzfristig beseitigt werden können, jedoch stets erneut wieder auftreten, werden nur bei geschlossenen Warmwasserheizungen beobachtet. Sie sind auf die Bildung von Gaspolstern zurückzuführen, die brennbaren Wasserstoff enthalten, der nach 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 der sog. „Schikorr“-Reaktion gebildet wird. Voraussetzung für das Ablaufen dieser Reaktion, deren Geschwindigkeit mit zunehmender Temperatur zunimmt, ist einerseits die Anwesenheit hinreichender Sauerstoffmengen, um Eisen unter Bildung von Eisen(2)hydroxid zur Reaktion zu bringen und andererseits die Abwesenheit zu großer Sauerstoffmengen, die nach 3 Fe(OH)2 + 1/2 O2 → Fe3O4 + 3 H2O die Bildung von Magnetit ohne Wasserstoffentwicklung begünstigen würden. Bei der chemischen Analyse des beim Entlüften anfallenden Gases wird neben Wasserstoff stets auch Stickstoff in größeren Mengen festgestellt. Dies zeigt, dass der für die primäre Reaktion erforderliche Sauerstoff durch Einsaugen von Luft in die Anlage gelangt ist. Dies ist nur bei geschlossenen Anlagen nur bei Auftreten von Unterdruck möglich. Unterdruck kann in einer geschlossenen Anlage nur auftreten, wenn das Druckausdehnungsgefäß seine Funktion nicht erfüllt. Dies ist z.B. dann gegeben, wenn der eigentliche Heizkreis bei Absenkung der Temperatur durch einen dichtschließenden Vierwegemischer vom Ausdehnungsgefäß getrennt wird (). Aufgrund der beim Abkühlen des Wassers auftretenden Volumenkontraktion kommt es dann zu Unterdruck an der höchstgelegenen Stelle der Anlage und als Folge davon zum Einsaugen von Luft (z.B. über Stopfbuchspackungen oder O-Ring-Dichtungen von Armaturen). Häufiger ist der Grund für das Auftreten von Unterdruck jedoch beim Druckausdehnungsgefäß zu suchen. Unterdruck tritt bei Absenkung der Temperatur stets dann auf, wenn das vom Ausdehnungsgefäß nachzuspeisende Wasservolumen kleiner ist als die durch die Temperaturabsenkung bewirkte Volumenkontraktion. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass – das Ausdehnungsgefäß von Anfang an in seinem Volumen zu klein bemessen war – der Vordruck auf der Gasseite des Druckausdehnungsgefäßes zu klein oder zu groß war – der Vordruck durch Gasverluste abgesunken ist – das Ausdehnungsgefäß durch Zerstörung der Gummimembran defekt geworden ist.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

479 DVD

Bild 1.10.2-8. Membran-Ausdehnungsgefäß (MAG) Bild 1.10.2-7 Schema einer Anlage mit Vierwegemischer (modifiziert)*). –––––––– *) ZVH 12-02:1986-07. Richtlinie zur Auslegung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen nach DIN 4802. VDM Industrieverband Membran-Druckausdehnungsgefäße der ZVH im Fachverband Stahlblechverarbeitung e.V., Verbandshaus, Hochstraße 113–115, 58095 Hagen

Unterdruck kann schließlich auch dadurch entstehen, dass der Betriebsdruck aufgrund von Leckverlusten so weit absinkt, dass sich die Gummimembran des Ausdehnungsgefäßes bereits während des Betriebs in Endstellung (Bild 1.10.2-8) befindet und deshalb bei Volumenkontraktion kein Wasser mehr nachgespeist werden kann. Die Menge der eingesaugten Luft entspricht maximal der durch die Abkühlung bewirkten Volumenkontraktion. Bei einer angenommenen Abkühlung des Wassers von 40 °C auf 20 °C errechnet sich für eine Anlage mit einem Gesamtwasserinhalt von 260 L eine Volumenkontraktion von 1,6 L. Das eingesaugte Luftvolumen bringt 0,32 L Sauerstoff ins Wasser, der nach der Schikorr-Reaktion durch Korrosion von 1,1 g Eisen 0,21 L Wasserstoff erzeugen kann. Wenn dies bei Anlagen mit Nachtabsenkung der Temperatur täglich auftritt, sind es bei 200 Heiztagen 42 L Wasserstoff, die durch Korrosion von 220 g Eisen entstehen. Aus der praktischen Erfahrung mit Anlagen, in denen Gasbildung aufgetreten ist, kann in Übereinstimmung mit der oben durchgeführten Überschlagsrechnung gesagt werden, dass die bei dieser Korrosionsart umgesetzten Eisenmengen so gering sind, dass Durchrostungen nicht zu befürchten sind. Das Volumen des bei der Korrosion gebildeten Wasserstoffs lässt Störungen durch Gaspolster verständlich erscheinen. Der bei dieser Korrosionsart durch die entstehenden festen Korrosionsprodukte gebildete Schlamm führt nur ausnahmsweise zu Korrosionsschäden, da er meistens in den Tiefpunkten von Heizkörpern abgelagert wird. Störungen sind aber z.B. an Wärmemengenzählern beobachtet worden, bei denen sich die magnetischen Korrosionsprodukte auf den Magneten der Flügelräder angesammelt und diese schließlich zum Blockieren gebracht haben. Störungen durch Gasbildung können durch regelmäßige Kontrolle des Betriebsdrucks und der Funktion des Ausdehnungsgefäßes vermieden werden. Näheres hierzu ist in Abschn. 1.10.2-11 s. S. 486 ausgeführt.

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Schlammbildung

Zu den Korrosionsschäden durch Schlammbildung gehören neben den bereits erwähnten Funktionsstörungen an Wärmemengenzählern vor allem Zirkulationsblockierungen ganzer Heizkreise und das Festsitzen von Umwälzpumpen. Abgesehen von vereinzelten

DVD 480

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Schäden, die in Anlagen mit ungewöhnlich großen Wasserinhalten durch den Sauerstoffgehalt des Füllwassers ausgelöst worden sind, werden derartige Schäden vorzugsweise in Warmwasserheizungen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren für Fußbodenheizung bzw. Heizkörperanbindeleitungen beobachtet. Bei dem Schlamm handelt es sich zunächst im wesentlichen um Eisen(2)hydroxid. Wenn sich der Schlamm auf den Innenflächen von Kunststoffrohren ablagert, kann er sich nach 2 Fe(OH)2 + 1/2 O2 → 2 FeOOH + H2O als Folge des Sauerstoffdurchtritts durch die Kunststoffrohre in das als Rost bekannte Eisen(3)oxidhydrat umwandeln, das ansonsten im Innern von geschlossenen Anlagen nicht auftritt. Derartige Rostprodukte, wie sie in Bild 1.10.2-9 wiedergegeben sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der ursprünglich der Kunststoffrohrwandung zugewandten Seite glänzend und glatt sind, während die ursprünglich dem Heizwasser zugewandte Seite matt erscheint.

Bild 1.10.2-9. Rostprodukte aus einer Anlage mit Kunststoffrohr-Fußbodenheizung.

Der für die Korrosion erforderliche Zutritt von Sauerstoff zum Heizwasser erfolgt über Diffusion durch die Wandungen der nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohre hindurch. Bei 40 °C liegt die Sauerstoffdurchlässigkeit von (sperrschichtfreien) Rohren aus Vernetztem Polyethylen (PE-X), Polypropylen-Copolymerisat (PP-C) und Polybuten (PB) im Mittel bei 5,3 mg/(L · d), d.h., es liegen hinsichtlich des Sauerstoffzutritts Verhältnisse vor, als ob alle 2 Tage eine Neubefüllung der Kunststoffrohre mit luftgesättigtem Wasser mit einer Sauerstoffkonzentration von etwa 10 mg/L erfolgen würde1). In einer Anlage mit 1000 m 20/2 Kunststoffrohr können auf diese Weise bei 40 °C an 200 Heiztagen pro Jahr etwa 212 g Sauerstoff in das Heizwasser gelangen und 555 g Eisen unter Bildung von 767 g Magnetitschlamm (bzw. bei zur 3wertigen Stufe weitergehender Oxidation 492 g Eisen unter Bildung von 785 g Rostschlamm) zur Korrosion bringen. Dies sind zweifellos Mengen, die zu Korrosionsschäden durch Schlammbildung führen können. Bei den heute für Fußbodenheizungen verwendeten Kunststoffrohren handelt es sich überwiegend um Rohre, die nach DIN 47262) als sauerstoffdicht bezeichnet werden können, weil die Sauerstoffdurchlässigkeit mit Hilfe von außen aufgebrachten Sperrschichten auf Werte unter 0,1 mg/(L · d) reduziert worden sind. Zur Sanierung von Heizungen, die noch mit nicht sauerstoffdichten Rohren erstellt worden sind, kommt praktisch nur eine Systemtrennung3) in Frage, wie sie in Bild 1.10.2-10 schematisch dargestellt ist (vgl. Abschn. 1.10.2-10 s. S. 484). Wenn diese Maßnahme nicht möglich ist, bleiben nur die in Abschn. 1.10.2-12 s. S. 488 beschriebenen Maßnahmen des Korrosionsschutzes durch Wasserbehandlung.

1) 2) 3)

Kruse, C.-L.: Korrosion in Warmwasserheizungsanlagen als Folge von Sauerstoffdiffusion durch Kunststoffrohre. schadenprisma 11 (1982) H. 2, Siehe 17–21. DIN 4726:2000-01. Rohrleitungen aus Kunststoffen für Warmwasser-Fußbodenheizungen, Allgemeine Anforderungen. VDI E 2035-2:1998-09, Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen, Wasserseitige Korrosion.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

481 DVD

Bild 1.10.2-10. Systemtrennung bei Anlagen mit Kunststoffrohr-Fußbodenheizung.

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Eisenoxid-Beläge

Als Folge der mit abnehmendem pH-Wert (zunehmender Konzentration an Wasserstoff-Ionen) zunehmenden Löslichkeit des primären Korrosionsproduktes Eisen(2)hydroxid können größere Konzentrationen an Eisen(2)-Ionen vorliegen, wenn das Umlaufwasser einen relativ niedrigen pH-Wert (unter 8) aufweist. Dies ist zumeist dann der Fall, wenn als Füllwasser unbehandeltes Leitungswasser verwendet wird und eine geschlossene Anlage vorliegt, aus der das im Wasser gelöste Kohlenstoffdioxid nicht entweichen kann. Wegen der mit zunehmender Konzentration an Eisen(2)-Ionen und zunehmender Temperatur verstärkt ablaufenden Schikorr-Reaktion (s. Abschn. 1.10.2-2 s. S. 478) kommt es dann vorzugsweise an den heißesten Stellen der Wärmeübertragungsflächen zur Bildung von harten Belägen aus schwarzen Eisen(2,3)oxid (Magnetit). In gleicher Weise wie bei der Bildung von Calciumcarbonat-Belägen (s. Abschn. 1.10.6 s. S. 503) vergrößern die Eisenoxid-Beläge den Wärmeübergangswiderstand und beeinträchtigen dadurch (unabhängig vom Material des Wärmeübertragers) den Wärmetransport und verschlechtern den Wirkungsgrad. Dies kann besonders ausgeprägt bei Brennwertgeräten in Erscheinung treten, bei denen unter diesen Bedingungen wegen der höheren Wandtemperatur keine Kondensation mehr auftritt. Unter besonders kritischen Bedingungen kann es durch die Beläge zu thermischer Überbelastung mit der Folge von Rissbildung an Heizkesseln kommen. Die für die Bildung von Eisenoxid-Belägen erforderliche erhöhte Konzentration an Eisen(2)-Ionen kann zuverlässig durch Anhebung des pH-Wertes durch Zugabe alkalisierender Stoffe (s. Abschn. 1.10.2-12 s. S. 488) vermieden werden.

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Korrosion von Kupfer-Werkstoffen

An Kupferbauteilen treten auch bei Anwesenheit von Sauerstoff im Heizwasser praktisch keine Korrosionsschäden auf. Nur vereinzelt können die nachfolgend beschriebenen Erscheinungen beobachtet werden. Speziell in großen Fernheizsystemen sind bei Anwesenheit von Schwefelwasserstoff vereinzelt Schäden in Form von Wanddurchbrüchen als Folge von Korrosion unter Bildung von dicken Kupfer(1)sulfid-Schichten aufgetreten. Eine der möglichen Ursachen für die Bildung von Schwefelwasserstoff ist die Anwesenheit von sulfatreduzierenden Bakterien im Heizungswasser, die bei Abwesenheit von Sauerstoff (z.B. unter Schlammablagerungen) gute Lebensbedingungen vorfinden. Die Bakterien können zum Teil auch noch bei Temperaturen um 60°C die praktisch in jedem Trinkwasser enthaltenen Sulfat-Ionen zu Schwefelwasserstoff reduzieren. Der direkte Nachweis dieser im übrigen völlig harmlosen Bakterien ist recht schwierig. Hinweise auf ihre Tätigkeit erhält man durch Bestimmung des Gehaltes an Sulfat-Ionen. Wenn dieser im Heizungswasser wesentlich niedriger liegt als im Füllwasser, kann dies nur auf die Tätigkeit der sulfatreduzierenden Bakterien zurückzuführen sein, da eine Reduktion von Sulfat-Ionen auf chemischem

DVD 482

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Wege unter den in einer Fernwärme-Heizungsanlage vorliegenden Bedingungen nicht möglich ist. Bei Anlagen, bei denen Sauerstoffbindung mit Natriumsulfit vorgenommen wird, kann sich Schwefelwasserstoff nach Na2SO3 + 6 H → 2 NaOH + H2O + H2S durch Reaktion mit Wasserstoff bilden, der bei geringen Sauerstoffgehalten aus dem primären Korrosionsprodukt Eisen(2)hydroxid in der sog. Schikorr-Reaktion (vgl. Abschn. 1.10.2-2 s. S. 478) entstehen kann. Eine andere Möglichkeit zur Bildung von Schwefelwasserstoff wäre in der Disproportionierung von Natriumsulfit 4 Na2SO3 + H2O → 4 Na2SO4 + H2S zu sehen. Schwefelwasserstoff reagiert mit Kupfer(1)oxid, dem primären Korrosionsprodukt von Kupfer, nach Cu2O + H2S → Cu2S + H2O zu Kupfer(1)sulfid, das zwar schwerer löslich ist als das Kupfer(1)oxid, im Gegensatz zu diesem jedoch keine korrosionshemmende Deckschicht bildet. Bei erneutem Sauerstoffzutritt kommt es dann an den mit Kupfer(1)sulfid bedeckten Bereichen sofort zur Bildung von Kupfer(1)oxid. Die Bildung von Kupfer(1)sulfidschichten muss nicht, wie in Einzelfällen geschehen, zu Wanddurchbrüchen führen. Sie kann jedoch wegen der mit der Korrosion verbundenen Volumenzunahme zu Störungen anderer Art führen. So sind z.B. umfangreiche Schäden an Präzisions-Regelventilen von Induktions-Klimageräten aufgetreten, die darauf zurückzuführen waren, dass die Ventilkegel im Ventilsitz durch etwa 20 µm dicke Kupfer(1)sulfidschichten blockiert worden sind. Von den Kupfer-Legierungen sind vorzugsweise die Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) zu nennen, die sich bei Abwesenheit von Sauerstoff genauso unproblematisch verhalten wie das Kupfer selbst. Bei Anwesenheit von Sauerstoff kann eine spezielle Korrosionsart, die Entzinkung, auftreten. Die entzinkten Bereiche zeichnen sich von der übrigen Oberfläche dadurch ab, dass sie nicht die gelbliche Färbung des Messings, sondern die rötliche Färbung des Kupfers aufweisen, das zurückbleibt, während das Zink durch Korrosion in Lösung geht oder in Form von Korrosionsprodukten auf der Oberfläche abgelagert wird. Während die Form des Bauteils bei der Entzinkung erhalten bleibt, findet in den entzinkten Bereichen eine erhebliche Abnahme der Festigkeit statt, die bei Druckbelastung zum Herausbrechen dieser Bereiche führen kann. Eine weitere spezielle Korrosionsart bei Anwesenheit von Sauerstoff, die Erosionskorrosion, wird nur bei örtlich sehr hoher Strömungsgeschwindigkeit beobachtet, wie sie z.B. zwischen Dichtungssitz und Dichtungskörper von Feinregulierventilen auftreten kann. Sie ist gekennzeichnet durch das Fehlen von Korrosionsprodukten, die durch die Einwirkung der Strömung abgetragen werden. Die Erosionskorrosion bei Messing wird durch eine erhöhte Alkalität des Heizwassers (wie sie z.B. bei Zugabe stärker alkalisch reagierender Korrosionsschutz-Additive möglich ist) begünstigt, da die Zink-Korrosionsprodukte unter diesen Bedingungen unter Bildung von Zinkat-Ionen aufgelöst werden.

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Korrosion von Aluminium-Werkstoffen

Aluminium und dessen Aluminiumlegierungen werden z.B. auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit und der geringen Dichte für Heizkörper und im Kesselbereich verwendet. Das Korrosionsverhalten der Aluminiumwerkstoffe wird hauptsächlich durch den phWert des Heizungswassers bestimmt. Korrosionsschäden können deshalb sowohl in sauerstoffhaltigen als auch sauerstofffreien Heizungswässern auftreten. In sauerstofffreien Wässern ist die Korrosion meist stärker, da sich die Oberflächen nicht repassivieren können. Aluminium und Aluminiumlegierungen bilden in Wasser Aluminiumoxidschichten, die im pH-Wert-Bereich von 4,5 bis 8,5 stabile Schutzschichten darstellen können. 2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 3 H2 Kommt es zur Auflösung oder Zerstörung der Schutzschichten kann die Flächenkorrosion von Aluminium ungehindert fortschreiten. Gleichzeitig treten Korrosionserschei-

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

483 DVD

nungen bzw. -schäden durch die einhergehende Wasserstoffbildung auf. Bei pH-Werten > 8,5 kommt es selbst bei völliger Abwesenheit von Sauerstoff zur Aluminatbildung. 2 Al + 6 H2O + 2 OH– → 2 [Al(OH)4]– + 3 H2 Gelangt Luft und damit CO2 in das Heizungswasser, so wird das Aluminat zu Aluminiumhydroxid umgebildet, das dann als Schlamm ausfallen kann. [Al(OH)4]– + CO2 → Al(OH)3 + HCO3– An Aluminiumwerkstoffen ist Lochkorrosion bei Anwesenheit von bestimmten Neutralsalzen (z.B. Chlorid) oder bei der Ablagerung von Schwermetallen (z.B. Cu) auf der Oberfläche möglich. Interkristalline Korrosion findet praktisch nur bei Aluminiumlegierungen statt (z.B. AlMg- und AlCuMg-Legierungen). Voraussetzung ist ein selektiver Angriff des unedleren Gefügebestandteils (z.B. Mg). Spannungsrisskorrosion hat praktische Bedeutung nur bei hochfesten, aushärtbaren AlZnMg-Legierungen und bei AlMg-Legierungen mit >4% Mg. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch entsprechende Legierungszusätze erhöht werden. Konstruktionsbedingt ist Bimetallkorrosion beim Zusammenbau von Aluminiumlegierungen mit anderen metallischen Werkstoffen wie z.B. Stählen und Kupferlegierungen möglich. Wesentlichen Einfluss hat das Flächenverhältnis zwischen Anode und Kathode und die elektrische Leitfähigkeit des Heizungswassers. Erosionskorrosion wird bei Aluminiumlegierungen erst ab Geschwindigkeiten über 3 m/s beobachtet und ist daher in Heizungsanlagen von geringer Bedeutung.

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Korrosion von feuerverzinktem Stahl

Aufgrund der Temperaturen im Warmwasser-Heizungsanlagen dürfen wasserseitig feuerverzinkte Bauteile wegen der Blasenbildung im Bereich des Zinküberzuges und der möglichen Folge von Abplatzungen nicht zum Einsatz kommen. Fittings und Verbindungsstücke, die aus Korrosionsschutzgründen außen galvanisch verzinkt sind und bei denen technisch unvermeidbar ein gewisser Zinkeintrag auf die Innenoberflächen erfolgt, dürfen zur Verbindung von innen nicht beschichteten Rohren aus unlegiertem Stahl eingesetzt werden.

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Korrosion von nichtrostenden Stählen

Wasserseitige Korrosion tritt bei nichtrostenden Stählen in Heizwasser nicht auf. Funktionsstörungen an Regelarmaturen, die durch Blockieren einer Achse aus nichtrostendem Stahl in einer O-Ring-Dichtung oder einer Messing-Buchse verursacht werden, sind auf – verdunstete Wasserinhaltsstoffe in Verbindung mit einer Versprödung der Gummidichtung – Bildung von Korrosionsprodukten auf der Messing-Buchse oder – kathodische Abscheidung von Calciumcarbonat, Eisen(2)carbonat oder (aus Messing stammenden) Zink-Korrosionsprodukten zurückzuführen.

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Bimetallkorrosion, Mischinstallation

Kontaktkorrosion, bei der unedlere Werkstoffe (Eisen, Zink, Aluminium) in metallen leitendem Kontakt mit edleren Werkstoffen (Kupfer-Legierungen, nichtrostende Stähle) verstärkt angegriffen werden, treten in Heizwasser deshalb nicht auf, weil bei den geringen Sauerstoffkonzentrationen in Heizwasser der Sauerstoffzutritt geschwindigkeitsbestimmend wird. Die Geschwindigkeit der Sauerstoffreduktion, die ansonsten durch den Kontakt mit den edleren Werkstoffen erhöht wird, spielt dann keine wesentliche Rolle mehr. Auch die in der Sanitärtechnik beobachtete Beeinflussung der Korrosion von feuerverzinktem und unlegiertem Stahl durch in Lösung gegangene Kupfer-Ionen spielt in der Heizungstechnik deshalb keine Rolle.

DVD 484

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

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Korrosionsschutz bei Planung und Inbetriebnahme

Der Korrosionsschutz beginnt üblicherweise bei der Planung mit der Vorgabe der Werkstoffe und der Konstruktionsprinzipien. Die Werkstoffwahl für Warmwasserheizungen bereitet keine Probleme, sofern es sich tatsächlich um geschlossene Systeme handelt. In diesen Fällen können uneingeschränkt unlegierte Eisenwerkstoffe (Stahl, Guß) zum Einsatz kommen. Der mit dem Füllwasser eingebrachte Sauerstoff kann nur in so geringem Ausmaß Korrosion verursachen (vgl. Abschn. 1.10.2-1 s. S. 475), dass Korrosionsschäden normalerweise nicht zu befürchten sind. Der Einsatz korrosionsbeständigerer Werkstoffe ist deshalb nicht gerechtfertigt. Anders liegen die Dinge, wenn es sich um Anlagen handelt, in die ständig Sauerstoff gelangen kann, wie dies z.B. bei Anlagen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren der Fall ist. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden müssen hier korrosionsbeständigere Werkstoffe verwendet werden, z.B. nichtrostender Stahl, Kupfer, Rotguß oder Kunststoff. Als kunstruktionstechnische Lösung empfiehlt sich bei Anlagen dieser Art die Trennung in zwei Kreise mit Hilfe eines Wärmeübertragers (Bild 1.10.2-10). Der Einsatz korrosionsbeständigerer Werkstoffe ist dann nur in dem Kreis mit den Kunststoffrohren für den Verteiler, die Umwälzpumpe, das Ausdehnungsgefäß und den Wärmeaustauscher einschließlich der Leitungen zu und von den Verteilern erforderlich. Im geschlossenen Kreis auf der Primärseite des Wärmeübertragers können dann für die Rohre, Pumpen, zusätzliche Heizkörper und vor allem für den Heizkessel unlegierte Eisenwerkstoffe verwendet werden. Bei Anlagen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren sind auch die üblicherweise für Armaturen und Verschraubungen verwendeten Kupfer-Zink-Legierungen nicht immer ausreichend korrosionsbeständig, da sie unter diesen Bedingungen verstärkt zu Entzinkung (vgl. Abschn. 1.10.2-5 s. S. 481) neigen. Für kritische Teile wie z.B. Verschraubungen für Kunststoffrohre im Estrich sollte deshalb auf die Kupfer-Zinn-Legierungen (Rotguß) ausgewichen werden. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden in Anlagen mit Kunststoffrohren empfiehlt sich vor allem die Verwendung von sauerstoffdichten Rohren nach DIN 47261), die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie weniger als 0,1 mg/(l · d) Sauerstoff durchlassen. Durch Multiplikation mit dem auf 1 m Rohrlänge bezogenen Volumen (Metervolumen) Durchmesser/Wanddicke Metervolumen [mm] [L/m] 20/2 0,201 19/2 0,177 18/2 0,154 17/2 0,133 16/2 0,113 ergibt sich z.B. für ein 20/2-Rohr eine maximale längenbezogene Sauerstoffdurchlässigkeit von 0,02 mg/(m · d). Bei einer Anlage mit 1000 m Rohrlänge würde dies bei 200 Heiztagen pro Jahr (unter der Annahme einer Heizungswassertemperatur von 40 °C) einer Sauerstoffaufnahme von maximal 4 g entsprechen, womit etwa 10 g Eisen unter Bildung von 14,5 g Magnetit zur Korrosion gebracht werden können. Korrosion in dieser Größenordnung wird normalerweise keine Funktionsbeeinträchtigungen verursachen können. Abgesehen davon ist darauf hinzuweisen, dass die heute handelsüblich erhältlichen Rohre zum Teil Sperrwirkungen aufweisen, die noch eine Zehnerpotenz besser sind als der in der Norm geforderte Wert. Fragen der Konstruktion beeinflussen die Korrosion vor allem bei Anlagen mit offenem Ausdehnungsgefäß, über das grundsätzlich immer Sauerstoff in das Heizwasser gelangen kann. Die Menge des eingetragenen Sauerstoffs ist besonders groß, wenn das Gefäß vom Heizwasser durchströmt wird. Für den Anschluss mit zwei Sicherheitsleitungen wird in der VDI 20352) eine Schaltung nach Bild 1.10.2-11 empfohlen, bei der ebenfalls keine nennenswerte Zirkulation von Heizwasser durch das Ausdehnungsgefäß stattfindet.

1) 2)

DIN 4726:2000-01. Rohrleitungen aus Kunststoffen für Warmwasser-Fußbodenheizungen, Allgemeine Anforderungen. VDI 2035-2:1998-09: Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen, Wasserseitige Korrosion.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

485 DVD

Bild 1.10.2-11. Empfohlene Anordnung eines offenen Ausdehnungsgefäßes.

Bild 1.10.2-12. Schaltungen zur Vermeidung von Unterdruck bei dichtschließendem Vierwegemischer.

Bei größeren Anlagen mit Membranausdehnungsgefäßen, bei denen die Druckhaltung mit Hilfe von Luft-Kompressoren erfolgt, ist darauf hinzuweisen, dass auch die Gummimembran dieser Behälter derart durchlässig für Sauerstoff ist, dass es als Folge davon zu Korrosionsschäden kommen kann. In Verbindung mit kompressorgesteuerten Membranausdehnungsgefäßen müssen deshalb besondere Maßnahmen zu Korrosionsschutz getroffen werden. Sauerstoffdurchlässig sind auch die zu Anbindung von Heizkesseln und Kleinklimageräten in steigendem Maße verwendeten stahlarmierten Gummischläuche. Bei Kenntnis der Sauerstoffdurchlässigkeit (in Abhängigkeit von der Temperatur) und der zum Einsatz kommenden Längen kann die auf diese Weise in die Anlage kommende Sauerstoffmenge abgeschätzt werden. In vielen Fällen wird sie hinreichend klein sein, so dass keine besonderen Maßnahmen zum Korrosionsschutz erforderlich sind. Sauerstoffzutritt zum Heizwasser erfolgt zwangsläufig in Anlagen, bei denen die Druckhaltung mit Druckdiktierpumpen vorgenommen und das Pendelwasservolumen in einem zur Atmosphäre hin offenen Behälter gespeichert wird. Dies ist vielfach bei älteren Fernheizanlagen der Fall, neuerdings jedoch auch in Verbindung mit speziellen Anlagen zur Entfernung von Luft aus dem Heizwasser. Korrosionsschäden an Stahlheizkörpern als Folge örtlicher Korrosion in Anlagen mit verhältnismäßig geringem Sauerstoffzutritt stehen häufig im Zusammenhang mit Vorgängen vor der eigentlichen Inbetriebnahme (vgl. Abschn. 1.10.2-1 s. S. 475). Die einfachste und wichtigste Maßnahme zur Vermeidung derartiger Schäden besteht darin, die Heizkörper nach der ersten Befüllung nicht so zu entleeren, dass sie mit Wasserresten gefüllt längere Zeit unkontrollierter Korrosion ausgesetzt sind. Wenn, durch das Baugeschehen bedingt, Heizkörper wieder demontiert und dazu entleert werden müssen, dann ist unbedingt darauf zu achten, dass sie vollständig entleert werden.

DVD 486

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

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Korrosionsschutz durch Vermeidung von Unterdruck

Unterdruck als Folge dichtschließender Vierwegemischer, wie in Abschn. 1.10.2-2 s. S. 478 beschrieben, kann durch Anordnung der Druckausdehnungsgefäße entsprechend Bild 1.10.2-12 verhindert werden1). Wichtigste Voraussetzung dafür, dass Unterdruck nicht als Folge unzureichender Funktion des Druckausdehnungsgefäßes auftritt, ist zunächst die richtige Bemessung der Größe des Gefäßes2). Wenn das Gefäß zu klein bemessen ist und deshalb das beim Aufheizen durch Wärmeausdehnung anfallende Wasservolumen nicht aufnehmen kann, wird beim Erreichen des Ansprechdruckes am Sicherheitsventil Heizungswasser abgelassen. Beim Abkühlen erreicht dann die Gummimembran des Ausdehnungsgefäßes vorzeitig ihre Endstellung (Bild 1.10.2-8), weshalb dann nicht genug Wasser vom Gefäß nachgespeist werden kann. Als Folge davon tritt im höchstgelegenen Bereich der Anlage Unterdruck mit den in Abschn. 1.10.2-2 s. S. 478 und 1.10.2-3 s. S. 479 beschriebenen Auswirkungen auf. Für Anlagen mit maximalen Betriebstemperaturen unter 100 °C kann die erforderliche Größe des Ausdehnungsgefäßes mit dem in Bild 1.10.2-13 dargestellten Nomogramm3) bestimmt werden. Die ermittelte Wassermenge wird oben auf der Ordinate aufgetragen. Von diesem Punkt wird eine Parallele zur Abszisse gezeichnet. Der sich aus der statischen Höhe ergebende Vordruck wird unten auf die Ordinate eingetragen. Auch von hier wird eine Parallele zur Abszisse gezeichnet. Vom Schnittpunkt mit der Kurve für einen Enddruck von 2,0 bar (bei einem Sicherheitsventil mit einem Einstelldruck von 2,5 bar) oder für einen Enddruck von 2,5 bar (bei einem Sicherheitsventil mit einem Einstelldruck von 3,0 bar) wird eine Parallele zur Ordinate gezeichnet. Die erste Kurve über dem Schnittpunkt mit der eingezeichneten Geraden im oberen Feld charakterisiert das erforderliche Ausdehnungsgefäß. Bei der Inbetriebnahme von Anlagen mit Druckausdehnungsgefäßen ist es wichtig, zunächst den Vordruck des Gefäßes auf den statischen Druck der Anlage einzustellen. Nur bei Anpassung des Vordrucks an den statischen Druck der Anlage ist sichergestellt, dass das Gefäß sein maximales Füllvolumen aufnehmen kann. Bei zu niedrigem Vordruck ist es schon bei Anstehen nur des statischen Drucks zu einem Teil mit Wasser gefüllt, das jedoch gegen den statischen Druck der Anlage nicht wieder in die Anlage eingespeist werden kann. Bei zu großem Vordruck ist die mögliche Wasseraufnahme des Gefäßes geringer, weil der Ansprechdruck des Sicherheitsventils bereits bei einem geringeren aufgenommenen Wasservolumen erreicht wird. Der Vordruck ist ausschließlich für den möglichen Füllzustand des Gefäßes von Bedeutung. Im übrigen werden die Druckverhältnisse der Anlage ausschließlich durch die beim Befüllen eingebrachte Wassermenge bestimmt. Die einfachste Methode, das an den statischen Druck der Anlage angepaßte Druckausdehnungsgefäß optimal zu befüllen und damit die größte Sicherheit gegen Unterdruckzustände zu erzielen, besteht darin, die Anlage nach einem ersten Befüllen und Entlüften auf maximale Betriebstemperatur aufzuheizen und anschließend bis zum Erreichen des Enddrucks bis zum Ansprechen des Sicherheitsventils aufzufüllen.

1)

2) 3)

ZVH 12-02:1986-07. Richtlinie zur Auslegung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen nach DIN 4802. VDM Industrieverband Membran-Druckausdehnungsgefäße der ZVH im Fachverband Stahlblechverarbeitung e.V., Verbandshaus, Hochstraße 113–115, 58095 Hagen. DIN 4807-2:1991-05. Ausdehnungsgefäße; Offene und geschlossene Ausdehnungsgefäße für wärmetechnische Anlagen; Auslegung, Anforderungen und Prüfung. VDI 2035-2:1998-09: Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen, Wasserseitige Korrosion.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

487 DVD

Bild 1.10.2-13. Diagramm für die Bemessung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen.

Die wichtigste Wartungsmaßnahme besteht nun darin, die Druckverhältnisse in regelmäßigen Zeitabständen zu überprüfen und gegebenenfalls Wasser nachzufüllen. Der bei den üblichen Wasserverlusten mit dem nachgefüllten Wasser in die Anlage gelangende Sauerstoff kann nach den Abschätzungen in Abschn 1.10.2-1 s. S. 475 als unkritisch angesehen werden. Als Hilfsmittel für die Druckkontrolle kann ein Diagramm entsprechend Bild 1.10.2-141) dienen. Die untere Kurve zeigt hier den Betriebsüberdruck, der in keinem Fall unterschritten werden darf. Die obere Kurve zeigt den Betriebsüberdruck, der nicht überschritten werden sollte, damit bei der maximalen Betriebstemperatur der Ansprechruck des Sicherheitsventils nicht überschritten wird. Die Kontrolle des Vordrucks im Druckausdehnungsgefäß ist verhältnismäßig einfach mit Hilfe eines Reifendruckprüfers durchzuführen, wenn die Leitung zwischen Gefäß und Anlage durch ein nach DIN 4751 zulässiges Kappenventil zum Zwecke der Überprüfung abgesperrt werden kann. In allen anderen Fällen kann der Vordruck nur nach Absenken des Betriebsdrucks am Ausdehnungsgefäß durch Ablassen von Heizungswassser ermittelt werden. 1)

VDI 2035-2:1998-09: Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen, Wasserseitige Korrosion.

DVD 488

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Bild 1.10.2-14. Betriebsüberd ruck/Temperatur-Kurven. Die untere Kurve zeigt den minimal erforderlichen, die obere Kurve den maximal empfehlenswerten Betriebsdruck (Beispiel für eine Anlage mit pvor = 1,0 bar, VAnlage = 720 L und VAG = 80 L).

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Korrosionsschutz durch Wasserbehandlung

Unter Beachtung der Vorgaben des Regelwerks (insbesondere VDI 2023-1 und -2) ist in der überwiegenden Zahl von Anlagen eine Behandlung des Füllwassers zum Korrosionsschutz nicht erforderlich. Durch die anfängliche Korrosionsreaktion der Werkstoffe mit dem Sauerstoff aus dem Füllwasser tritt zudem eine für die verwendeten Werkstoffe günstige Alkalisierung ein (Ausnahme: Aluminium, s. Abschn. 1.10.2-6 s. S. 482). Für den Fall größerer Anlagen ist der Zutritt von Sauerstoff im Betrieb nicht immer sicher dauerhaft zu verhindern. Hier sollte bei Bedarf der Einsatz von chemischen Sauerstoffbindemitteln geprüft werden. Ein schon länger verwendetes Produkt ist das Natriumsulfit, das nach Na2SO3 + 1/2 O2 → Na2SO4 mit dem Sauerstoff unter Bildung von Natriumsulfat reagiert. Die vielfach geäußerten Bedenken wegen der bei Anwendung dieser Chemikalie auftretenden Erhöhung des Gesamtsalzgehaltes des Wassers sind zumindest solange nicht gerechtfertigt, wie sichergestellt ist, dass die Sauerstoffkonzentration im Heizwasser hinreichend klein ist. Wenn dies nicht der Fall ist, muss in erster Linie an Störungen durch die bei Kupferwerkstoffen beobachtete Bildung von Kupfer(I)sulfid-Korrosionsprodukten gerechnet werden. Aus der Stoffgruppe der organischen Reduktionsmittel stammen die neuerdings diskutierten Hydrazin-Ersatzstoffe, deren Eigenschaften in 1) zusammengestellt sind. Neben seit Jahrzehnten angewendeten Stoffen wie den Tanninen gehören hierzu auch Stoffe wie die als Vitamin C bekanntere Ascorbinsäure, die besonders wegen ihrer Ungiftigkeit bei der Handhabung und bei einem gegebenenfalls erforderlich werdenden Ablassen des behandelten Heizwassers in die Kanalisation Vorteile aufweist. Im Gegensatz zum Korrosionsschutz durch Sauerstoffbindung, bei dem die Korrosion durch Entfernen des erforderlichen Oxidationsmittels unmöglich gemacht wird, erfolgt beim Korrosionsschutz durch Zugabe von Inhibitoren zum Heizwasser lediglich eine Behinderung einer grundsätzlich nach wie vor möglichen Korrosion. Zum Verständnis der hierbei zu beachtenden Probleme muss auf die Ausführungen in Abschn. 1.10.1-2 s. S. 472 zum Korrosionselement verwiesen werden. Je nachdem, ob ein Inhibitor überwiegend die anodische Teilreaktion (der Metallauflösung) oder die kathodische Teilreaktion (der Reduktion eines Oxidationsmittels) beeinflußt, spricht man von einem kathodischen oder anodischen Inhibitor. Als kathodischer Inhibitor ist z.B. das in nahezu allen Leitungswässern enthaltene Calciumhydrogencarbonat anzusehen, das im Bereich der durch die entstehenden Hydroxyl-Ionen alkalisch reagierenden Kathodenflächen Calciumcarbonat-Deckschichten bildet, die dann die ka-

1)

Höhenberger, L.: Alternativen zum Einsatz von Hydrazin in Dampf- und Heißwasseranlagen. Beiträge zur Kesselwasserbetriebstechnik 87, Siehe 3–23, Akademie TÜV Bayern GmbH 1988.

1.10.2 Korrosion in Warmwasserheizungen

489 DVD

thodische Sauerstoffreduktion hemmen, weil sie als Nichtleiter den Durchtritt von Elektronen behindern. Die im Handel erhältlichen Inhibitormischungen enthalten überwiegend anodische Inhibitoren, die die Korrosion durch Bildung von Deckschichten mit dem korrodierenden Metall hemmen. Diese Deckschichten behindern jedoch normalerweise nicht die kathodische Reaktion. Wenn der Schutz mit anodischen Inhibitoren nicht vollständig ist, so führt dies dazu, dass u.U. sehr kleine nichtgeschützte anodische Bereiche relativ großen kathodischen Flächen gegenüberstehen. Unter diesen Bedingungen kann es dann zu stark ausgeprägter örtlicher Korrosion kommen, die sich in Form von Lochfraß bemerkbar macht. Aufgrund dieses Effektes werden anodische Inhibitoren auch als gefährliche Inhibitoren bezeichnet. Bereiche, in denen der Schutz durch anodische Inhibitoren erschwert ist, sind Stellen, an denen der Zutritt der Inhibitoren geometrisch behindert ist, z.B. in Spalten, unter zerklüfteten Schweißnähten, unter Ablagerungen und Korrosionsprodukten. Die beste Wirksamkeit ist deshalb bei metallisch blanken Oberflächen zu erwarten. Dies ist jedoch auch bei neu erstellten Anlagen praktisch nie gegeben. Bei Anlagen, die bereits längere Zeit in Betrieb gewesen sind und Korrosionsprodukte gebildet haben, müßten die Innenflächen vor der Zugabe von Inhibitoren mit Säuren metallisch blank gebeizt werden, was jedoch mit erheblichem Aufwand verbunden wäre und deshalb kaum praktiziert wird. Speziell bei Fußbodenheizungen mit nicht sauerstoffdichten Kunststoffrohren sind zur Vermeidung von Schlammbildung vielfach Inhibitoren eingesetzt worden. Während die Schlammbildung auf diese Weise unterbunden werden kann, besteht ein erhöhtes Risiko für örtliche Korrosion. Ein hierfür typischer Schaden an einem Röhrenradiator ist in Bild 1.10.2-4 wiedergegeben. Da sich die Inhibitoren in unterschiedlichem Ausmaß mit der Zeit verbrauchen, ist es erforderlich, die Konzentration der Wirkstoffe in regelmäßigen Abständen zu kontrollieren. Hierzu empfieht es sich, Proben des Heizwassers zur Kontrolle an die jeweilige Lieferfirma einzusenden. In Anlagen mit Kunststoffrohren dürfen grundsätzlich nur vom Rohrhersteller zugelassene Inhibitoren unter Beachtung der Angaben in dem bei jeder Rohrlieferung nach DIN 4726 vorgeschriebenen Beipackzettel verwendet werden.

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Frostschutzmittel

Frostschutzmittel werden erforderlich, wenn eine bereits fertiggestellte aber noch nicht in Betrieb genommene Warmwasserheizung eine Winterperiode in frostgefährdeten Räumen schadensfrei überstehen soll (Kurzzeitanwendung). Ein weiterer Einsatzbereich für Frostschutzmittel sind nicht durchgehend betriebene Warmwasserheizungen in Wochenend- bzw. Ferienwohnanlagen (Daueranwendung). Bei den im Heizungsbereich eingesetzten Frostschutzmitteln handelt es sich überwiegend um Glykol/Wasser-Gemische, denen Puffersubstanzen und Korrosionsinhibitoren beigemischt sind. Bei der Daueranwendung von Frostschutzmitteln im Heizungsbereich sind der pHWert, die Pufferung, der Inhibitorgehalt und der Frostschutz (Dichtemessung) zu Beginn der Heizperiode bzw. nach Angaben des Herstellers zu überprüfen. Bei Zutritt von Sauerstoff werden die Glykole zu organischen Säuren oxidiert. Durch die Zugabe der Pufferstoffe wird verhindert, dass der pH-Wert des Heizwassers durch die organischen Säuren in den sauren Bereich absinkt und es zu Säurekorrosion an den metallischen Bauteilen kommt. In geschlossenen Anlagen ohne ständigen Sauerstoffzutritt tritt die Oxidation von Glykol praktisch nicht auf. Außer Pufferstoffen enthalten die handelsüblichen Frostschutzmittel noch Korrosionsinhibitoren. Da diese Inhibitoren überwiegend anodisch wirksam sind (s. Abschn. 1.10.2-12 s. S. 488), besteht die Gefahr von Lochkorrosion bei Unterkonzentration. Für die Praxis bedeutet dies, dass auch dann, wenn nicht so hohe Anforderungen an den Frostschutz gestellt werden, eine vom Hersteller anzugebende Mindestkonzentration eingehalten werden muss. Beim Fehlen dieser Angabe ist ein Gehalt von 30% (Volumen%) anzuwenden. Auf eine mögliche Unterkonzentration ist auch bei der Zugabe von Ergänzungswasser zu achten. Als Ergänzungswasser sollte deshalb das gleiche Frostschutzmittel/Wasser-Gemisch verwendet werden. Im Kurzzeiteinsatz von Frostschutzmitteln ohne Heizbetrieb können auch reine Glykol/ Wasser-Gemische ohne Pufferstoffe und Inhibitoren verwendet werden. Bei Umstellung

DVD 490

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

auf frostschutzmittelfreien Betrieb ist die Anlage nach Entleerung mit Wasser zu spülen, damit das Glykol möglichst vollständig entfernt wird. Wegen einer gegenüber Wasser erhöhten Kriechfähigkeit von Glykol/Wasser-Gemischen muss mit einer Begünstigung von Undichtigkeiten im Bereich von Dichtstellen gerechnet werden. Die Auswahl geeigneter Dichtmittel und die Beachtung der Verarbeitungsvorschriften sind deshalb bei mit Frostschutzmittel zu befüllenden Anlagen von besonderer Bedeutung. Bei der Entleerung von mit Frostschutzmitteln befüllten Warmwasserheizungen sind die bestehenden Abfall- und Entsorgungs-Vorschriften zu beachten.

1.10.3

Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen

Korrosionsschäden an Niederdruck-Dampfanlagen sind verhältnismäßig selten, weil das Ausmaß von Korrosion in diesen Anlagen durch sachgerechte Konstruktion, Wasseraufbereitung und Betriebsweise recht gut unter Kontrolle gehalten werden kann. Sie sind nur möglich, wenn Sauerstoffzutritt gegeben ist oder wenn bei Anlagen mit Dampfentnahme eine auf diese Betriebsweise nicht ausreichend abgestimmte Wasseraufbereitung erfolgt.

-1

Korrosionsschäden

Wanddurchbrüche bei Dampferzeugern entstehen praktisch ausschließlich von der Seite des Kesselwassers, kaum jedoch von der Feuerraumseite oder der Primärseite von Wärmeübertragern aus. Ein Wanddurchbruch ist hier nicht nur als Schaden an der Anlage zu betrachten, sondern vor allem unter dem Gesichtspunkt möglicher Gefahren für Leib und Leben des Bedienungspersonals. Hieraus ergibt sich die Rechtfertigung von gesetzlichen Vorschriften, wie der Dampfkesselverordnung und Regelwerken wie den Technischen Regeln Dampf (TRD). Notwendige Voraussetzung für das Ablaufen von Korrosion, die zum Wanddurchbruch führen kann, ist die Anwesenheit von Sauerstoff im Kesselwasser. Sauerstoff im Kesselwasser muss jedoch nicht zwangsläufig zu Korrosionsschäden führen. Bei unlegiertem Stahl kann sich in salzfreiem Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit unter 0,2 µS/cm eine aus Eisenoxiden bestehende Schutzschicht ausbilden. In salzhaltigem Wasser ist dies nicht möglich, weil insbesondere die im Wasser enthaltenen Chlorid-Ionen befähigt sind, die Oxidschicht zu durchdringen und örtliche Korrosion auszulösen. Durch Erhöhung der Konzentration an Hydroxyl-Ionen (Anhebung des pH-Wertes durch Zugabe alkalisierender Stoffe) kann die Bildung der Oxidschicht in einem solchen Maße begünstigt werden, dass geringere Salzgehalte unschädlich sind. Dies ist der Grund für die Forderung eines Mindest-pH-Wertes bzw. einer Mindest-Alkalität in den einschlägigen Richtlinien1). Im Innern eines Dampferzeugers unterliegt die Zusammensetzung des Kesselwassers wegen des Zurückbleibens der Wasserinhaltsstoffe beim Verdampfungsvorgang laufenden Änderungen. Ob Korrosion möglich ist oder nicht, hängt von den jeweiligen Konzentrationen an Alkalien, Salzen und Sauerstoff ab. Schäden werden praktisch ausschließlich im Bereich der Dreiphasengrenze Metall/Wasser/Dampfraum beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Schäden nicht durch die Bedingungen beim Betrieb des Dampferzeugers, sondern auf die Bedingungen in Stillstandszeiten zurückzuführen sind, in denen beim Abkühlen des Kesselwassers auf Temperaturen unter 100 °C Unterdruck entsteht, der zum Eindringen von Luft in den Dampfraum führt. In solchen Fällen spricht man von Stillstandskorrosion. Bei Wärmeübertragern mit Heizbündeln aus Kupferrohr sind vereinzelt auftretende Schäden auf eine Wechselwirkung von mechanischer und korrosiver Belastung zurückzuführen. Wenn, durch die Konstruktion oder Betriebsweise bedingt, von Dampf mitgerissene Wassertröpfchen auf die Kupferoberfläche prallen, verursachen sie hier eine örtliche Zerstörung der schützenden Oxidschicht. An diesen Stellen kann es dann zu einem verstärkten Korrosionsabtrag kommen, wenn das Speisewasser sauerstoffhaltig ist. Ähnlich kritische Verhältnisse liegen in Bereichen vor, in denen Heizrohre durch Haltebleche durchgeführt sind. Hier kann es beim Auf- und Abheizen als Folge der thermischen Län1)

TRD 611 (12.96). Speisewasser und Kesselwasser von Dampferzeugern der Gruppe IV.

1.10.3 Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen

491 DVD

genänderung des Rohres zu einer mechanischen Belastung der Metalloberfläche durch Reiben an dem feststehenden Halteblech kommen, was ebenfalls zu einer Zerstörung der Oxidschicht mit anschließend verstärkter Korrosion führen kann. Schäden dieser Art können sowohl bei Stahl- als auch bei Kupferrohren auftreten. Bild 1.10.3-1 zeigt ein undicht gewordenes Stahlrohr.

Bild 1.10.3-1. Durch Reibkorrosion an einem Halteblech undicht gewordenes Stahlrohr.

Bei Wärmeübertragern aus nichtrostenden Stählen (austenitische Chrom-Nickel- oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle) werden hin und wieder Schäden durch Spannungskorrosion beobachtet. Ursache für diese Korrosionsart ist stets das Vorliegen konstruktions-, fertigungs- oder betriebsbedingter Zugspannungen im Werkstoff und die Anwesenheit erhöhter Gehalte an Chlorid-Ionen im Wasser. Während die Zugspannungen praktisch nicht vermieden werden können, ist die Anwesenheit erhöhter Chlorid-Ionen-Gehalte zumeist auf Fehler bei der Betriebsweise zurückzuführen. Häufigere Fehler sind die unzureichende Funktionskontrolle der Entsalzungsanlage oder die unzureichende Absalzung des Kesselwassers. Besonders gefährdet sind die Wärmeübertragungsflächen, die sich im Bereich einer Dreiphasengrenze Werkstoff/Wasser/Dampfraum befinden, da es hier beim Betrieb zwangsläufig zur Aufkonzentrierung der Wasserinhaltsstoffe kommt. Unter diesen Bedingungen ist dann auch der im Speisewasser für Dampferzeuger aus nichtrostendem Stahl zumeist nicht entfernte Sauerstoff zu berücksichtigen. In erster Näherung kann man davon ausgehen, dass die Korrosionswahrscheinlichkeit mit dem Produkt aus Chlorid-Ionen- und Sauerstoffkonzentration des Wassers zunimmt. Die häufigsten Schäden an Kondensatleitungen aus unlegiertem Stahl treten dort auf, wo das erste Kondensat anfällt. Ursache für den im Bereich einer Kondensatrinne zumeist gleichförmig erfolgenden Abtrag ist ein erhöhter Gehalt des Kondensats an Kohlenstoffdioxid. Derartige Korrosionsschäden werden praktisch ausschließlich in Anlagen mit Dampfentnahme beobachtet, in denen wegen der Dampfentnahme größere Mengen an Zusatzspeisewasser erforderlich sind. Üblicherweise wird das Zusatzspeisewasser von Niederdruck-Dampfanlagen nur enthärtet und entgast. Es enthält somit Natriumhydrogencarbonat, das beim Erhitzen Kohlenstoffdioxid abspaltet, welches mit dem Dampf ausgetrieben in das Kondensat gelangt. Auch bei dieser Korrosionsart spielt der Sauerstoff eine wesentliche Rolle. Das Ausmaß der Korrosion ist in belüfteten Kondensatleitungen erheblich größer als in geschlossenen Anlagen, bei denen auch die Kondensatleitungen unter einem geringen Überdruck stehen.

-2

Korrosionsschutz

Vorrangiges Ziel des Korrosionsschutzes in Niederdruck-Dampfanlagen ist es, ein geschlossenes System zu schaffen, in das kein Luftsauerstoff eindringen kann. Zum Schutz der Kondensatleitungen muss die Bildung von Kohlenstoffdioxid-haltigem Kondensat verhindert werden. Am wenigsten Probleme bereiten geschlossene Anlagen mit vollständiger Kondensatrückführung. Als Speisewasser kann sauerstoffhaltiges Wasser verwendet werden, das zur Vermeidung von Steinbildung lediglich enthärtet sein muss. Der mit dem Füllwasser eingebrachte Sauerstoff und das beim Erhitzen freiwerdende Kohlenstoffdioxid reichen nicht aus, um Korrosionsschäden zu verursachen. Bei nicht geschlossenen Anlagen (mit vollständiger Kondensatrückführung), in denen das Kondensat in den Kondensatleitungen oder in einem offenen Kondensatsammelbehälter belüftet wird, kann auf eine Entfernung des Sauerstoffs aus dem Speisewasser nicht verzichtet werden. Anlagen, bei denen Dampf entnommen wird, z.B. für Luftbefeuchtung in Klimaanlagen oder für Sterilisationszwecke in Krankenhäusern, sind zwangsläufig Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung. Korrosionsprobleme an Heizkesseln oder Wärmeübertragern aus unlegiertem Stahl gibt es auch hier nicht, wenn die Anlage mit sauerstofffreiem Wasser betrieben und ständig unter Überdruck gehalten wird.

DVD 492

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Für einen störungsfreien Betrieb der Kondensatleitungen müßte bei den Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung als Speisewasser entcarbonisiertes und sauerstofffreies Wasser verwendet werden. In der Regel wird jedoch auch in solchen Anlagen lediglich enthärtetes Wasser eingesetzt, bei dem dann beim Erhitzen aus dem Natriumhydrogencarbonat Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, das Korrosion in den Kondensatleitungen bewirkt. Der bei dieser Betriebsweise im Prinzip mögliche Korrosionsschutz der Kondensatleitungen mit dampfflüchtigen Alkalisierungsmitteln wie z.B. Hydrazin oder Ammoniak wird vor allem bei der Entnahme von Dampf zur Luftbefeuchtung vielfach als problematisch angesehen. Eine andere Möglichkeit des Korrosionsschutzes besteht darin, die gefährdeten Kondensatleitungen in Kupfer oder nichtrostendem Stahl auszuführen. Bei nichtrostendem Stahl ist lediglich darauf zu achten, dass die Kondensatleitungen gegen Zutritt von Wasser zur heißen Außenwandung geschützt ist, da es hier sonst als Folge der Aufkonzentrierung der Wasserinhaltsstoffe durch Verdunstung schnell zu Schäden durch Spannungskorrosion kommen kann. Wesentlich vorteilhafter als Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung erscheinen Anlagen ohne Kondensatrückführung, wie sie z.B. zur Erzeugung von Dampf für Sterilisationszwecke oder Luftbefeuchtung einzusetzen wären. Der schwerwiegendste Nachteil der Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung, die Korrosionsgefährdung der Kondensatleitungen, entfällt hier. Als Speisewasser für den Dampferzeuger ist enthärtetes und sauerstofffreies Wasser erforderlich. Bei größeren Anlagen, die ohnehin aus mehreren Dampfkesseln bestehen, würde es sich anbieten, einen der Kessel von dem übrigen Dampfnetz abzutrennen und separate Leitungen zu den Dampfverbrauchsstellen zu führen. Besondere Probleme treten auf, wenn man meint, die Forderung nach einer besonderen Reinheit des Dampfes für Sterilisationszwecke nur bei Verwendung von Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl erfüllen zu können, wofür im übrigen kein plausibler Grund zu erkennen ist, da die bei unlegiertem Stahl entstehenden Korrosionsprodukte nicht dampfflüchtig sind. In Verbindung mit nichtrostendem Stahl muss vollentsalztes Wasser mit einer Leitfähigkeit von unter 20 µS/cm verwendet werden. Die zulässige Eindickung des Kesselwassers ist dadurch begrenzt, dass die elektrische Leitfähigkeit des Kesselwassers den Wert von 200 µS/cm nicht überschreiten soll. Das verhältnismäßig große Risiko von Schäden durch Spannungskorrosion an der Dreiphasengrenze Werkstoff/Wasser/Dampfraum und die hohen Kosten für die Wasseraufbereitung lassen die Verwendung von nichtrostenden Stählen für Dampferzeuger nicht als empfehlenswert erscheinen. Auch bei Verwendung von im Durchlaufverfahren arbeitenden Schnelldampferzeugern muss im Hinblick auf die für Sterilisationszwecke geforderte Dampfreinheit in jedem Fall vollentsalztes Wasser eingesetzt werden.

-3

Anforderungen an die Beschaffenheit des Speisewassers

Nicht aufbereitetes Leitungswasser ist als Speisewasser für Dampferzeuger nicht geeignet. Wegen der Wasserhärte, die zur Steinbildung an den Wärmeübertragungsflächen führen würde, muss zumindest enthärtetes Wasser verwendet werden. Enthärtetes Wasser wird mit Hilfe von Ionenaustauschern (s. Abschn. 2.3.9-5 s. S. 1080) hergestellt, in denen die Calcium- und Magnesium-Ionen des Wassers gegen NatriumIonen ausgetauscht werden. Je nach Austauscherkapazität müssen die Ionenaustauscher mehr oder weniger häufig regeneriert werden, was mit Natriumchlorid (Kochsalz) erfolgt. Wenn, wie z.B. bei Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung, mit Schäden an Kondensatleitungen durch das als Folge der Zersetzung von Hydrogencarbonat-Ionen 2 HCO3– → CO2 + H2O + CO32– gebildete Kohlenstoffdioxid zu rechnen ist, muss das Wasser einer Entcarbonisierung unterzogen werden. Auch dies geschieht überwiegend mit Hilfe von Ionenaustauschern, in denen entsprechend der Hydrogencarbonat-Ionen-Konzentration im Wasser Calcium-, Magnesium- und Natrium-Ionen gegen Wasserstoff-Ionen ausgetauscht werden. Das nach

1.10.3 Korrosion in Niederdruck-Dampfanlagen

493 DVD

2 H+ + 2 HCO3– → CO2 + H2O entstehende Kohlenstoffdioxid muss entweder durch Verrieseln oder in einem thermischen Entgaser entfernt werden. Die Regenerierung des Ionenaustauschers erfolgt vorzugsweise mit verdünnter Salzsäure. Alle wasserberührten Teile der Ionenaustauscheranlage müssen deshalb aus korrosionsbeständigen Werkstoffen bestehen. Wenn z.B. bei Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl mit Korrosion durch ChloridIonen zu rechnen ist, muss das Wasser einer Vollentsalzung unterzogen werden. Hierzu werden zwei Ionenaustauscherstoffe benötigt, ein Kationenaustauscher, in dem die Metall-Ionen (Kationen) gegen Wasserstoff-Ionen ausgetauscht werden und ein Anionenaustauscher, in dem negativ geladene Ionen wie z.B. die Chlorid-Ionen (Anionen) gegen Hydroxyl-Ionen ausgetauscht werden. Aus den Wasserstoff- und Hydroxyl-Ionen bildet sich Wasser. Der Kationenaustauscher muss mit Säure, der Anionenaustauscher mit Lauge regeneriert werden. Entsalztes Wasser wird in zunehmendem Maße durch Umkehrosmose (s. Abschn. 2.3.9-6 s. S. 1081) hergestellt. In allen nicht geschlossenen Anlagen muss mit Korrosion durch den im Speisewasser enthaltenen Sauerstoff gerechnet werden. Dementsprechend muss in diesen Fällen eine Sauerstoffentfernung vorgenommen werden. Dies geschieht vorzugsweise mit Hilfe der thermischen Entgasung (s. Abschn. 2.3.9-2 s. S. 1077), einem Verfahren, das sich die mit zunehmender Temperatur abnehmende Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten zunutze macht. Die Entfernung von Sauerstoff kann grundsätzlich auch durch Sauerstoffbindung erfolgen. Von den bisher üblichen Sauerstoffbindemitteln Hydrazin und Natriumsulfit kann das Hydrazin wegen seiner gesundheitsgefährdenden Wirkung praktisch nicht mehr eingesetzt werden (vgl. Abschn. 1.10.2-12 s. S. 488). Wie aus den vorangehenden Ausführungen erkennbar geworden ist, werden die Anforderungen an die Beschaffenheit des Kesselspeisewassers im wesentlichen durch die Gesamtkonzeption der Anlage bestimmt. Die im folgenden nochmals zusammengefaßten Empfehlungen gelten selbstverständlich nur für solche Anlagen, bei denen nicht wie z.B. im Geltungsbereich der Dampfkesselverordnung u.U. weitergehende Anforderungen nach dem TRD-Regelwerk gestellt werden. Anforderungsstufe 1 Die geringsten Anforderungen sind bei Anlagen zu stellen, die mit vollständiger Kondensatrückführung (> 95%) und einem geschlossenen Kondensatsystem betrieben werden. In Anlagen dieser Art, in denen sowohl die Dampferzeuger als auch die Kondensatleitungen aus unlegiertem Stahl bestehen können, reicht die Verwendung von lediglich enthärtetem Wasser aus. Anforderungsstufe 2 Etwas höhere Anforderungen sind bei Anlagen zu stellen, bei denen zwar ebenfalls vollständige Kondensatrückführung vorliegt, die aber mit einem offenen Kondensatsystem betrieben werden. Wegen der hier zwangsläufig erfolgenden Belüftung des Kondensats müssen Maßnahmen zur Sauerstoffentfernung aus dem Speisewasser getroffen werden. Im übrigen reicht auch hier die Verwendung von enthärtetem Wasser aus. Die gleichen Anforderungen gelten für – Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung und Kondensatleitungen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl. – Anlagen ohne Kondensatrückführung mit Dampferzeugern aus unlegiertem Stahl. Anforderungsstufe 3 Sehr viel höhere Anforderungen an die Beschaffenheit des Kesselspeisewassers sind bei Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung und geschlossenem oder offenem Kondensatsystem zu stellen, bei denen die Kondensatleitungen aus unlegiertem Stahl bestehen. Hier muss zur Vermeidung der durch die Kohlensäure bedingten Korrosion der Kondensatleitungen entcarbonisiertes Wasser als Zusatzspeisewasser verwendet werden. Außerdem müssen in gleicher Weise wie bei Anforderungsstufe 2 Maßnahmen zu Sauerstoffentfernung aus dem Speisewasser getroffen werden.

DVD 494

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Anforderungsstufe 4 Die höchsten Anforderungen an die Beschaffenheit des Speisewassers sind bei Anlagen mit Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl und bei Anlagen mit Schnelldampferzeugern zu stellen. Hier muss vollentsalztes Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit unter 20 µS/cm verwendet werden.

-4

Betriebsweise

Die wichtigste Maßnahme zur Vermeidung von Korrosionsschäden in Dampferzeugern besteht darin, in Stillstandszeiten den Zutritt von Sauerstoff zu unterbinden. Die einfachste Möglichkeit, dies sicherzustellen, besteht darin, den Dampferzeuger auch in Stillstandszeiten unter einem minimalen Überdruck stehen zu lassen. Wenn dies bei längeren Stillständen nicht möglich ist, muss der Dampferzeuger entweder vollständig mit Speisewasser gefüllt (geflutet) oder vollständig entleert werden. Wenn eine Anlage in Betrieb genommen wird, ist es zweckmäßig, nach Vorliegen eines hinreichenden Vorrats im Kondensatsammelbehälter, den Dampferzeuger mit dem eingedickten Kesselwasser vollständig zu entleeren. Beim Betrieb eines thermischen Entgasers ist darauf zu achten, dass das Wasser im Speisewasserbehälter unterhalb des Entgasers auf einer Temperatur über 100 °C gehalten wird, damit ein Überdruck vorliegt und kein Sauerstoffzutritt möglich ist. Anlagen mit unvollständiger Kondensatrückführung haben einen regelmäßigen Bedarf an größeren Mengen von Zusatzspeisewasser. Der Kontrolle der Eindickung des Kesselwassers und der dementsprechend erforderlichen Absalzung kommt besonders bei Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl große Bedeutung zu. Als Indikator wird zweckmäßigerweise die elektrische Leitfähigkeit genommen, die direkt als Regelgröße für die Steuerung des Absalzvorganges dienen kann. Die Absalzrate kann nach der Beziehung L SW ⋅ 100 υAbs= -------------------------L KW – L SW

υAbs = Absalzrate in %, bezogen auf die Menge an Speisewasser LSW = Leitfähigkeit des Speisewassers LKW = zulässige Leitfähigkeit des Kesselwassers errechnet werden. Mit einer Leitfähigkeit des (vollentsalzten) Speisewassers von 20 µS/cm und einer als zulässig angenommenen Leitfähigkeit des Kesselwassers von 200 µS/cm ergibt sich ohne Kondensatrückführung eine erforderliche Absalzrate von 11%. Bei den mit enthärtetem Wasser gespeisten Dampferzeugern ist die Begrenzung der Eindickung im Kesselwasser weniger aus Gründen des Korrosionsschutzes als aus Gründen der geforderten Dampfreinheit notwendig. Durch Zugabe von Alkalisierungsmitteln wie z.B. Trinatriumphosphat oder salzartigen Sauerstoffbindemitteln wie z.B. Natriumsulfit wird die Leitfähigkeit des Speisewassers und damit die erforderliche Absalzrate noch erhöht. Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Ursachen von Korrosionsschäden oder anderen Betriebsstörungen ist es besonders wichtig, die Betriebsweise der Dampferzeugungsanlage rekonstruieren zu können. Deshalb ist es unbedingt erforderlich, dass ein Betriebstagebuch geführt wird, in das alle Daten über Wassermengen und Qualitätskriterien eingetragen werden. Wie die vorstehenden Ausführungen gezeigt haben, ist ein korrosionssicherer Betrieb bei entsprechender Planung und Betriebsweise ohne besonders großen Aufwand für Wasseraufbereitung mit Anlagen aus unlegiertem Stahl möglich. Die Beschaffenheit des metallischen Werkstoffs selbst ist für die Korrosionssicherheit von untergeordneter Bedeutung. Ausschlaggebend sind die Wasserbeschaffenheit und die Betriebsweise. Die Verwendung von nichtrostendem Stahl für Dampferzeuger bereitet vielfach mehr Probleme, als gemeinhin angenommen wird. Der Einsatz von nichtrostendem Stahl sollte deshalb auf solche Anlagen beschränkt werden, in denen er aus besonderen Gründen tatsächlich notwendig ist. Die Forderung nach einer besonderen Dampfreinheit ist kein Argument für die Notwendigkeit von Dampferzeugern aus nichtrostendem Stahl.

1.10.4 Korrosion in Wassererwärmern

1.10.4

495 DVD

Korrosion in Wassererwärmern

Im Gegensatz zu der Korrosion in Heizanlagen, die im wesentlichen durch den begrenzten Zutritt von Sauerstoff bestimmt wird, ist die Korrosionsbelastung von Wassererwärmern dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zu erwärmenden Wasser stets um Trinkwasser handelt, das normalerweise einen Sauerstoffgehalt im Bereich der Sauerstoffsättigung aufweist. Ungeschützte unlegierte Eisenwerkstoffe kommen deshalb als Material für Wassererwärmer nur in Verbindung mit dem kathodischen Behälterschutz (s. Abschn. 1.10.4-4 s. S. 498) in Betracht. Auch bei Behältern aus feuerverzinktem Stahl, wie sie noch vor etwa 20 Jahren häufig benutzt worden sind, ist das Schadensrisiko (durch Lochkorrosion) so groß, dass sie in Neuanlagen praktisch nicht mehr eingesetzt werden. Bei den heute vorzugsweise für Wassererwärmer verwendeten Werkstoffen handelt es sich um emaillierten und kunststoffbeschichteten Stahl sowie um nichtrostende Stähle.

-1

Wassererwärmer aus emailliertem Stahl

Die Emaillierung wird in großem Umfang bei Speicher-Wassererwärmern und Warmwasserspeichern als Korrosionsschutz angewendet. Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen der DIN 4753-31) hinsichtlich des Qualitätsniveaus der Emaillierung und die der DIN 4753-62) hinsichtlich der Bemessung des kathodischen Schutzes erfüllt sind, können Korrosionsprobleme bei Abwesenheit größerer metallischer Einbauten aus edleren Werkstoffen wie z.B. Kupfer und nichtrostendem Stahl nur dann auftreten, wenn die zum Schutz vor Korrosion an den unvermeidlichen kleinen Fehl- und Schwachstellen eingebauten galvanischen Anoden nicht rechtzeitig im Rahmen einer Wartung erneuert werden und gleichzeitig ein Wasser vorliegt, das sehr wenig Calciumhydrogencarbonat enthält (wie z.B. Talsperrenwasser). Bei Wässern mit größeren Gehalten an Calciumhydrogencarbonat kommt es in dem Korrosionselement mit dem Magnesium als Anode und dem im Vergleich dazu edleren Eisen (das an den Fehlstellen freiliegt) als Kathode aufgrund der bei der kathodischen Sauerstoffreduktion erfolgenden Bildung von Hydroxyl-Ionen zur Ausfällung von Calciumcarbonat und dadurch zu einer Abdeckung der ursprünglich vorhandenen Fehlstellen. Dies ist der Grund dafür, warum in den meisten Fällen auch ohne Erneuerung der Magnesiumanoden keine Korrosionsschäden auftreten. Anders sieht es aus bei Behältern mit größeren Wärmeaustauscherflächen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl, sofern diese nicht gegen den Behälter elektrisch isoliert sind3). Der kathodische Schutz wirkt in diesen Fällen hauptsächlich auf die Edelmetallflächen. Vor allem die im Schatten der Edelmetallflächen befindlichen Fehlstellen in der Emaillierung sind dann nicht ausreichend geschützt. Nach Abzehrung der Anode kann es durch Ausbildung eines Korrosionselementes zwischen einer dann die Anode bildenden Fehlstelle und der als Kathode wirkenden Edelmetallfläche zu beschleunigter örtlicher Korrosion an der Fehlstelle kommen. Abhilfemaßnahme ist in jedem Fall die elektrische Trennung der Edelmetallfläche von der Behälterwandung. Bei von Heizwasser durchströmten Wärmetauschern muss zusätzlich eine elektrische Trennung in der Vor- und Rücklaufleitung erfolgen, damit ein Kurzschluss über die Erdung vermieden wird, wie dies in dem aus DIN 509274) entnommenen Bild 1.10.4-1 zu erkennen ist. Bei kleineren Elektro-Heizeinsätzen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl kann der erforderliche kathodische Schutz u.U. auch mit Hilfe von fremdstromgespeisten und geregelten Inertanoden erreicht werden. Derartige Anoden sind auch in den beschriebenen Problemfällen mit weichen Talsperrenwässern, wo eine ständige Wirksamkeit des kathodischen Schutzes notwendig ist, zu empfehlen.

1) 2) 3) 4)

DIN 4753-3:1993-07: Wassererwärmer und Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser; Wasserseitiger Korrosionsschutz durch Emaillierung; Anforderungen und Prüfung. DIN 4753-6:1986-02: Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser; Kathodischer Korrosionsschutz für emaillierte Stahlbehälter; Anforderungen und Prüfung. Kruse, C.-L. und Hitzblech, G.: Kathodischer Korrosionsschutz von emaillierten Wassererwärmern. IKZ-Haustechnik (1980) H. 10, Siehe 42–50. DIN 50927:1985-08: Planung und Anwendung des elektrochemischen Korrosionsschutzes für die Innenflächen von Apparaten, Behältern und Rohren.

DVD 496

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Bild 1.10.4-1. Wege des Schutzstromes bei kathodisch geschütztem Objekt mit Elektrolyt-führendem Rohrsystem, Lage der Isolierstücke und des gefährdeten Bereiches.

-2

Wassererwärmer aus kunststoffbeschichtetem Stahl

Kunststoffbeschichtungen stellen nur bei Wärmeübertragungsflächen einen verhältnismäßig unproblematischen Korrosionsschutz dar, da bei diesen die Wandung wärmer ist als das umgebende Wasser. Bei allen Flächen, die kälter sind als das Wasser, z.B. an den Wandungen von Wasserspeichern, liegen sehr kritische Verhältnisse vor. Ursache für diesen zunächst nicht einzusehenden Unterschied ist die Tatsache, dass die Kunststoffe zwar undurchlässig für Wasser, aber durchlässig für Wasserdampf sind. An die kältere Metallwandung diffundierender Wasserdampf kondensiert hier zu Wasser und kann Blasen zwischen dem Metall und der Kunststoffbeschichtung bilden. Aufgeplatzte Blasen werden zu Korrosionsstellen, an denen es zur Abgabe von Korrosionsprodukten an das Wasser und zu Wanddurchbrüchen kommen kann. Letzteres ist besonders dann zu befürchten, wenn die Kunststoffbeschichtung als Folge von Quellvorgängen eine elektrische Leitfähigkeit erhält und dann als Kathodenfläche in einem Korrosionselement wirken kann. Neben der Freiheit von Fehlstellen ist die Beständigkeit gegen Blasenbildung die wichtigste Eigenschaft, die im Rahmen der Normen DIN 4753-41) und DIN 4753-92) zu prüfen ist. Wegen der Gefahr der Blasenbildung müssen an Kunststoffbeschichtungen für Wandungen von Wasserspeichern sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Die Beschichtungen müssen außerdem absolut porenfrei sein, da kathodischer Schutz deshalb nicht angewendet werden kann, weil dadurch aufgrund von elektroosmotischen Vorgängen eine andere (aber ebenfalls schädliche) Art von Blasen erzeugt wird. Eine dritte Art von Blasen bildet sich in Verbindung mit edleren Metallflächen. Deshalb müssen metallische Einbauten auch bei kunststoffbeschichteten Wandungen in gleicher Weise wie bei emaillierten Behältern elektrisch abgetrennt werden.

-3

Wassererwärmer aus nichtrostendem Stahl

Eine Zusammenfassung des derzeitigen Kenntnisstandes zum Korrosionsverhalten von nichtrostenden Stählen gegenüber Wasser bietet DIN 50930-43). Speziell im Hinblick auf 1)

2)

DIN 4753-4:1994-10: Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser; Wasserseitiger Korrosionsschutz durch Beschichtungen aus warmhärtenden duroplastischen Beschichtungsstoffen; Anforderungen und Prüfung. DIN 4753-9:1990-09: Wassererwärmer und Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser; Wasserseitiger Korrosionsschutz durch thermoplastische Beschichtungsstoffe; Anforderungen und Prüfung.

1.10.4 Korrosion in Wassererwärmern

497 DVD

die Korrosionssicherheit von Wassererwärmern wird in DIN 4753-71) gefordert, dass der Hersteller Werkstoffwahl und Verarbeitung so vornimmt, dass innerhalb der von ihm angegebenen Einsatzgrenzen (hinsichtlich Gehalt an Chlorid-Ionen und Temperatur) keine Schäden durch Lochkorrosion auftreten. Nichtrostende Stähle sind bei Einwirkung Chlorid-Ionen-haltiger Angriffsmittel stets mehr oder weniger anfällig für Lochkorrosion. Die durch die chemische Zusammensetzung bedingten Unterschiede in der Beständigkeit der verschiedenen Werkstoffe (die üblicherweise durch Werkstoffnummern wie z.B. 1.4301 bezeichnet werden) werden durch die sog. Lochfraßpotentiale charakterisiert. Je positiver das Lochfraßpotential ist, desto beständiger ist der jeweilige Werkstoff in dem betreffenden Angriffsmittel. Mit zunehmender Konzentration an Chlorid-Ionen und mit zunehmender Temperatur verschiebt sich das Lochfraßpotential in negativer Richtung, d.h. nimmt die Anfälligkeit für Lochkorrosion zu. Von den Legierungselementen ist vor allem das Molybdän zu nennen, das die Beständigkeit gegen Lochkorrosion beträchtlich erhöht. Zu den weniger beständigen molybdänfreien Qualitäten (früher als V2A-Stahl bezeichnet) gehören die nichtrostenden Stähle der Werkstoff-Nr. 1.4301 und 1.4541, zu den beständigeren molybdänhaltigen Qualitäten (früher als V4A-Stahl bezeichnet) die der Werkstoff-Nr. 1.4401 und 1.4571. Lochkorrosion ist immer dann möglich, wenn das Lochfraßpotential negativer ist als das durch den Gehalt an Oxidationsmittel in der Lösung bestimmte Redoxpotential. Die Beobachtung, wonach Lochkorrosion hin und wieder auch dann auftritt, wenn dies aufgrund der Lage des Lochfraßpotentials und des Redoxpotentials nicht zu erwarten wäre, hängt damit zusammen, dass z.B. bei nicht einwandfreien Schweißnähten (z.B. als Folge von örtlicher Chromverarmung im Metall durch Bildung chromreicher Zunderschichten) kleine Bereiche mit örtlich negativerem Lochfraßpotential vorliegen können, ebenso wie in Spalten, in denen Anreicherung von Chlorid-Ionen stattfindet. Von den nichtrostenden Stählen wird vorzugsweise der austenitische Chrom-NickelMolybdän-Stahl der Werkstoffnummer 1.4571 für Wassererwärmer und Warmwasserspeicher eingesetzt. Auch bei diesem Werkstoff ist jedoch wie bei anderen nichtrostenden Stählen eine Anfälligkeit für Lochkorrosion nicht auszuschließen. Erhöhte Gefahr für Lochkorrosion besteht – in Oberflächenbereichen in und neben nicht einwandfreien Schweißnähten – bei Bauteilen mit Wandtemperaturen über 90 °C – bei Bauteilen in Berührung mit wasserdampfdurchlässigen Dichtungen. Als nicht einwandfreie Schweißnähte sind solche anzusehen, bei denen Poren in der Schweißraupe, Zunderschichten oder Schlackenreste vorliegen. Hier kann Lochkorrosion praktisch in jedem Leitungswasser auftreten. Die Gefährdung nimmt mit zunehmender Temperatur und zunehmender Chlorid-Ionen-Konzentration zu. Wasserdurchbrüche als Folge von Spannungsrißkorrosion können von der Außenseite der Behälterwandung ausgehend auftreten, wenn von außen Wasser zutritt, das sich auf der heißen Wandung durch Verdunsten des Wassers aufkonzentriert. Nach Erreichen einer kritischen Chlorid-Ionen-Konzentration kommt es zunächst zu Lochkorrosion und dann vom Lochgrund ausgehend zu Spannungsrißkorrosion. Besondere Korrosionserscheinungen werden bei gelöteten Plattenwärmeaustauschern aus nichtrostendem Stahl beobachtet. Durch Kontaktkorrosion mit dem edleren nichtrostenden Stahl kann es zu einer bevorzugten Auflösung des Kupferlots kommen. Dabei kann es sowohl zu Undichtigkeiten zur Außenseite als auch zur Seite des Primär-Heizmediums kommen. In Verbindung mit Warmwasser-Rohrleitungen aus feuerverzinktem Stahl sind schwere Schäden durch Lochkorrosion beobachtet worden, die durch die bei der Korrosion des Kupferlotes in Lösung gehenden Kupfer-Ionen verursacht worden sind.

3)

1)

DIN EN 12502-4: 2005-04: Korrosionsschutz metallischer Werkstoffe – Hinweise zur Abschätzung der Korrosionswahrscheinlichkeit in Wasserverteilungs- und speichersystemen – Teil 4: Einflussfaktoren für nichtrostende Stähle. DIN 4753-7:1988-10: Wassererwärmer und Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser; Wasserseitiger Korrosionsschutz durch korrosionsbeständige metallische Werkstoffe; Anforderungen und Prüfung.

DVD 498

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

-4

Kathodischer Schutz

Das Prinzip dieses Schutzverfahrens beruht auf der Bildung eines Korrosionselementes, bei dem als Anode ein Metall eingebracht wird, das unedler sein muss als das zu schützende Metall (galvanische Anode, Opferanode). Im einfachsten Fall des kathodischen Schutzes von Behältern aus emailliertem Stahl werden hierfür Stäbe aus speziellen Magnesiumlegierungen verwendet. Der an Fehlstellen im Emailüberzug freiliegende Stahl wird zur Kathode in dem Korrosionselement mit dem Magnesium. Ein Nebeneffekt des kathodischen Schutzes besteht darin, dass es als Folge der Bildung von Hydroxyl-Ionen im Bereich der Kathoden zur Ausfällung von Calciumcarbonat kommen kann, wodurch die ursprünglich vorhandenen Fehlstellen abgedeckt werden. Dies ist jedoch nur bei Wässern mit ausreichendem Gehalt an Calciumhydrogencarbonat möglich. Bei anderen Wässern muss die sich durch Korrosion verbrauchende Anode regelmäßig erneuert werden. Dieses Verfahren des kathodischen Korrosionsschutzes ist deshalb nicht wartungsfrei. In dieser Beziehung ist der kathodische Schutz mit Inertanoden aus nichtangreifbarem Material (z.B. Mischoxid-beschichtetes Titan, Magnetit) vorteilhafter. Die Inertanoden müssen jedoch mit Hilfe von Gleichstrom als Anode geschaltet werden. Hier findet dann nach 2 H2O + 4 e– → 4 H+ + O2 die Bildung von Sauerstoff statt. Insgesamt wird dadurch genau so viel Sauerstoff erzeugt, wie nach bei der kathodischen Sauerstoffreduktion an der Behälterwand verbraucht wird. Eine Verringerung des Sauerstoffgehaltes, wie sie bei der Verwendung von Magnesiumanoden zwangsläufig auftritt, ist bei der Verwendung von Inertanoden somit nicht gegeben. Abgesehen von dem Einsatz in emaillierten Wassererwärmern spielt der kathodische Schutz mit Inertanoden vorzugsweise bei größeren Behältern aus ansonsten nicht geschütztem Stahl eine Rolle. Nach DIN 4753-101) wird auch diese Lösung als korrosionsbeständige Ausführung eingestuft. Eine Sonderstellung nimmt das sog. Guldager-Verfahren ein2). Einerseits wird mit Hilfe von Inertanoden oder fremdstromgespeisten Aluminiumanoden der kathodische Schutz des Warmwasserbereiters aus ungeschütztem oder feuerverzinktem Stahl bewirkt. Andererseits kann durch das bei der anodischen Auflösung der Aluminiumanoden zum Teil in kolloidaler Form ins Wasser gelangende Aluminiumhydroxid eine besonders wirksame Schutzschicht auf feuerverzinkten Stahlrohren aufgebaut werden, die die kathodische Reaktion der Zinkoberfläche in starkem Maße behindert und damit die Wirksamkeit von Korrosionselementen verringert. Wie der Verlauf des kathodischen Astes der Stromdichte-Potential-Kurve eines nur aus Eisen-Zink-Legierungsphase bestehenden Überzuges sehr deutlich zeigt (Bild 1.10.4-2), ist hier die kathodische Wirksamkeit (bei einem für eine aktive Anode angenommenen Potential von UH = –800 mV) deutlich geringer als unter den entsprechenden Versuchsbedingungen mit unbehandeltem (Kurve 4), Ortho-Phosphat-behandeltem (Kurve 11) und Polyphosphat-behandeltem (Kurve 8) Wasser3). Das Guldager-Verfahren wird mit sehr gutem Erfolg zur Sanierung von Korrosionsschäden in Warmwasserleitungen aus feuerverzinktem Stahl eingesetzt. Die Anwendung von Aluminium zum Korrosionsschutz fällt unter die Einschränkungen der Liste der zugelassenen Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren nach § 11 der Trinkwasserverordnung, die aktuelle Fassung ist einsehbar unter http://www.umweltbundesamt.de/wasser/themen/downloads/trinkwasser/trink11.pdf Danach ist der Einsatz von Aluminium als Inhibitor zulässig für Installationen aus verzinktem Stahl, die als Warmwassersysteme betrieben und vor dem 1.1.2006 errichtet wurden.

1)

2)

3)

DIN 4753-10:1989-05: Wassererwärmer und Wassererwärmungsanlagen für Trink- und Betriebswasser, Kathodischer Korrosionsschutz für nicht beschichtete Stahlbehälter, Anforderungen und Prüfung. Heinzelmann, U. und Franke, G.: Kathodischer Innenschutz von Wasserbehältern. Handbuch des kathodischen Schutzes. herausgegeben von W. v. Baeckmann und W. Schwenk. Verlag Chemie, Weinheim, 4. Auflage 1999. Kruse, C.-L., Schmitt-Thomas, Kh. G. und Gräfen, H.: Korrosionsverhalten von Zink und feuerverzinktem Stahl in erwärmtem Wasser. Werkstoffe und Korrosion 34 (1983) Siehe 539–546.

1.10.5 Abgasseitige Korrosion

499 DVD

Kathodischer Schutz wird hauptsächlich in Verbindung mit ungeschütztem Stahl angewendet. In speziellen Fällen kann er jedoch auch zur Vermeidung von Lochkorrosion bei feuerverzinktem Stahl und bei nichtrostenden Stählen eingesetzt werden. In diesen Fällen muss lediglich das Elektrodenpotential der Metalle auf Werte eingestellt werden, die negativer sind als das unter diesen Bedingungen gegebene Lochfraßpotential. Hierfür sind vor allem bei den nichtrostenden Stählen nur sehr geringe Schutzströme erforderlich.

Bild 1.10.4-2. Stromdichte-Potential-Kurve eines nur aus Eisen-Zink-Legierungsphase bestehenden Zinküberzuges. Kurve 4: Unbehandeltes Dortmunder Leitungswasser. Kurve 5: Wassererwärmer mit fremdstromgespeisten Aluminiumanoden. Kurve 8: Zugabe von Polyphosphat.Kurve11: Zugabe von Orthophosphat

1.10.5

Abgasseitige Korrosion

Bei den Korrosionsschäden durch Abgas-Kondensat1) ist eine ähnliche Abhängigkeit von der technischen Entwicklung zu beobachten wie bei den wasserseitigen Durchrostungen. Eine Vielzahl von Schäden trat nach der Umstellung von Kohle-befeuerten Kesseln auf Heizölbetrieb auf, und zwar in Form von Durchrostungen im Bereich des Rücklaufwassereintritts, d.h. an der kältesten Stelle des Kessels. Durch Anhebung der Rücklaufwassertemperatur bzw. Änderung der Kesselkonstruktion wurden derartige Schäden extrem selten. Mit der Entwicklung von Kesseln für niedrigere Kesselwassertemperaturen ist diese Korrosionsart in den letzten Jahren wieder aktuell geworden.

-1

Korrosionsursachen

Korrosion auf der Abgasseite eines Heizkessels und auf der Abgas-berührten metallischen Innenschale eines Schornsteines kann nur bei Anwesenheit eines Elektrolyten stattfinden. Diese Voraussetzung ist immer dann erfüllt, wenn es als Folge der Unterschreitung der Taupunkttemperatur des Abgases zur Bildung von Abgas-Kondensat kommt, was wegen des Wasserdampfgehaltes im Abgas möglich ist. Solange die Temperatur der Abgase, der Kesselwandung oder der Schornsteinwandung nicht unter die Taupunkttemperatur absinkt, sollte es nicht zu Kondensation von Wasser und damit nicht zu Korrosion kommen können. Tatsächlich wird jedoch Korrosion bei der Verbrennung von Kohle und Heizöl bereits bei erheblich höheren Temperaturen beobachtet. Dies ist auf den Schwefelgehalt dieser Brennstoffe zurückzuführen. Aus dem bei der Verbrennung entstehenden Schwefeldioxid bildet sich in einer nachgelagerten 1)

VDI E 2035-3:2000-09: Vermeidung von Schäden in Warmwasserheizanlagen; Abgasseitige Korrosion.

DVD 500

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Reaktion mit Sauerstoff und Wasser in geringen Mengen Schwefelsäure, deren Taupunkt stets deutlich über dem Wassertaupunkt liegt. Die Betrachtungen über die Lage des Säuretaupunktes sind für die Verhältnisse in den zur Beheizung von Wohngebäuden normalerweise verwendeten Kleinanlagen noch durch einen weiteren Gesichtspunkt zu ergänzen. Bei dem hier üblichen intermittierenden Betrieb kühlt ein erheblicher Teil der Abgas-beaufschlagten Wandungsflächen auf Temperaturen unterhalb des Säuretaupunktes ab. Bei jedem Aufheizen findet dann hier bis zum Überschreiten des Taupunktes erneut Kondensation von Schwefelsäure statt. Bei weiterem Aufheizen kommt es lediglich zu einer Aufkonzentrierung der Schwefelsäure, nicht aber zu einer Verdampfung, da Schwefelsäure erst bei einer Temperatur von 338 °C siedet. Da diese Temperatur üblicherweise nicht erreicht wird, bleibt die Schwefelsäure auf der Wandung. In Stillstandszeiten wirkt sich besonders ungünstig aus, dass konzentrierte Schwefelsäure sehr hygroskopisch ist. Vor allem in den Sommermonaten mit häufig erhöhter relativer Luftfeuchtigkeit gelangt das für die Korrosion erforderliche Wasser als Folge der Hygroskopie der Schwefelsäure aus dem Wasserdampf der Luft in die Schwefelsäure auf der Wandungsfläche. Die besondere Korrosivität der Schwefelsäure gegenüber Eisenwerkstoffen ist dadurch bedingt, dass sie bei der Korrosion nur zum Teil verbraucht wird. Bei der Reaktion von Eisen mit Schwefelsäure und Sauerstoff entsteht nach 2 Fe + 3 H2SO4 + 3/2 O2 → Fe2(SO4)3 + 3 H2O Eisen(3)sulfat, das mit Wasser nach Fe2(SO4)3 + 4 H2O → 2 FeOOH + 3 H2SO4 durch Hydrolyse die Schwefelsäure wieder freisetzt. Die Schwefelsäure wirkt nach diesem Mechanismus überwiegend als Katalysator der Korrosion von Eisen, ohne sich dabei zu verbrauchen. Neben der Korrosionsbelastung der Abgas-beaufschlagten Bauteile durch Schwefelsäure kann auch eine Belastung durch Salzsäure auftreten. Bei der Verbrennung von Kohle muss damit regelmäßig gerechnet werden, da die Kohle Chloride in der Größenordnung von 0,1% enthält, aus denen sich bei der Verbrennung Chlorwasserstoff bilden kann, der mit Wasser zu Salzsäure reagiert. Bei der Verbrennung von Heizöl und Gas ist das Auftreten von Chlorwasserstoff im Abgas als Ausnahme anzusehen. Gas ist stets frei von Chlorverbindungen. Heizöl selbst enthält ebenfalls keine nennenswerten Mengen an Chlorverbindungen. Ein bei Heizöl vereinzelt festgestellter höherer Gehalt an Chlorverbindungen war auf die Verunreinigung mit Altöl zurückzuführen. Schäden durch Chlorwasserstoff im Abgas bei der Verbrennung von Heizöl oder Gas sind meist auf Verunreinigungen der Verbrennungsluft mit Chlorverbindungen zurückzuführen. In Frisiersalons sind es die aus Fluorchlorkohlenwasserstoffen bestehenden Treibgase von Spraydosen, die bei der Verbrennung Chlorwasserstoff bilden. In diesen Fällen kann in den Korrosionsprodukten regelmäßig auch Fluorid nachgewiesen werden. In anderen Fällen sind es die flüchtigen Chlorverbindungen, die bei der chemischen Reinigung verwendet werden, oder chlorhaltige Lösungsmittel von Kleb- bzw. Anstrichstoffen, die als Ursache für die Bildung von Chlorwasserstoff erkannt werden können. Die Mengen an Salzsäure, die auf diese Weise gebildet werden, sind normalerweise sehr viel geringer als die bei der Verbrennung von Kohle oder Heizöl anfallenden Mengen an Schwefelsäure. Ein spezieller Salzsäure-Taupunkt wird nicht beobachtet, er fällt praktisch mit dem Wassertaupunkt zusammen. Ausgesprochen kritisch ist die Anwesenheit von Salzsäure bei der Verwendung von Bauteilen aus nichtrostendem Stahl, bei denen dann Lochkorrosion auftritt.

-2

Korrosionsschäden

Korrosionsschäden durch Abgaskondensat werden vor allem bei Heizkesseln und bei metallischen Innenschalen von Schornsteinen und Abgasleitungen beobachtet. Schäden an Heizkesseln aus unlegiertem Stahl oder Guß als Folge mehr oder weniger gleichmäßig abtragender Korrosion treten überwiegend bei mit Heizöl betriebenen Anlagen auf. Ein typisches Beispiel hierfür ist in Bild 1.10.5-1 wiedergegeben. In den korrodierten Bereichen befinden sich Korrosionsprodukte, die entsprechend aufgrund der Hydrolyse des entstehenden Eisen(3)sulfats sehr stark sauer reagieren und bis zu 50% Sulfat-Ionen enthalten können. Da es sich bei der durch Schwefelsäure verursachten Korrosion um mehr oder weniger gleichmäßig abtragende Korrosion handelt, wer-

1.10.5 Abgasseitige Korrosion

501 DVD

den derartige Schäden meist erst nach längerer Betriebszeit beobachtet. Grundsätzlich sind Stahl- und Gußkessel in gleicher Weise gefährdet. Wegen der im Regelfall geringeren Wanddicke bei Stahlkesseln entsteht jedoch manchmal der Eindruck, als ob diese korrosionsanfälliger seien.

Bild 1.10.5-1. Wanddurchbruch auf der Abgasseite eines Heizkessels durch Korrosion als Folge der Unterschreitung des Schwefelsäuretaupunktes.

Bei Schornsteineinsatzrohren aus nichtrostendem Stahl sind Wanddurchbrüche als Folge gleichmäßig abtragender Korrosion bisher ausschließlich bei den dünnwandigen flexiblen Einsatzrohren von mit Heizöl betriebenen Anlagen aufgetreten, und zwar vorzugsweise auf den dem Abgas zugewandten Seiten der gewellten Rohre in Bereichen stärkerer Auskühlung und bei ungünstiger Regelung des Ölbrenners (häufiger kurzer Betrieb). Diese Schadensfälle waren zunächst insofern überraschend, als man von einer besseren Beständigkeit von nichtrostendem Stahl bei Korrosionsbelastung durch Schwefelsäure ausgegangen ist. Offensichtlich wird unter den im Schornstein herrschenden Bedingungen die Passivität des nichtrostenden Stahls aufgehoben. Dies ist wahrscheinlich auf die Wirkung des im Abgas enthaltenen Schwefeldioxids zurückzuführen. Im Aktivzustand erfolgt dann ein verhältnismäßig schneller Abtrag durch die Schwefelsäure. Bei den dickwandigeren starren Einsatzrohren sind vergleichbare Korrosionsschäden bisher nicht beobachtet worden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch hier ähnliche Vorgänge ablaufen, die jedoch wegen der größeren Wanddicke und des auf die gesamte Fläche verteilten Angriffs wesentlich längere Zeiten bis zu einem Wanddurchbruch erfordern. Schäden durch Lochkorrosion bei Anwesenheit von Chlorwasserstoff im Abgas sind sowohl bei flexiblen wie auch bei starren Einsatzrohren in mit Heizöl und in mit Gas betriebenen Anlagen aufgetreten. Ein typisches Beispiel hierfür zeigt Bild 1.10.5-2. Praktisch schadensfrei sind bisher die werksseitig wärmegedämmten Schornsteinbauelemente aus nichtrostendem Stahl geblieben.

Bild 1.10.5-2. Lochfraß an einem Schornsteineinsatzrohr aus nichtrostendem Stahl, verursacht durch Chlorwasserstoff im Abgas.

-3

Korrosionsschutz

Die Notwendigkeit eines Korrosionsschutzes für die Abgas-berührten metallischen Teile hängt in starkem Maße von der Beschaffenheit des Abgases ab. Das Abgas von mit Gas betriebenen Anlagen ist wegen des Fehlens von Schwefeldioxid wesentlich weniger korrosiv als das Abgas von mit Heizöl betriebenen Anlagen. Das Abgas in mit Kohle betriebenen Anlagen enthält zwar neben Schwefeldioxid stets auch einen gewissen Anteil an Salzsäure bzw. Chlorid-Ionen, andererseits ist hier der Anteil von Wasserdampf sehr viel geringer, so dass eine Unterschreitung des Wassertaupunktes praktisch nicht auftreten kann.

DVD 502

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Sofern die Abgastemperatur über dem Säuretaupunkt liegt, ist ein praktisch vollständiger Korrosionsschutz der metallischen Innenschale eines Schornsteins durch entsprechende Wärmedämmung zu erzielen. Im stationären Zustand, in dem die Wandungstemperatur praktisch gleich der Abgastemperatur ist, ist dann keine Bildung von Kondensat als Folge von Taupunktunterschreitung möglich. Im instationären Zustand des Aufheizens nach einer Stillstandszeit wirkt sich die geringe Wärmekapazität, die eine wärmegedämmte dünne Metallschale besitzt, insofern positiv aus, als sich die Wandung schnell auf die Abgastemperatur aufheizt. Die Zeitspanne, in der sich Kondensat als Folge von Tapunktunterschreitung bilden kann, ist deshalb gering. Die Wärmedämmung muss allerdings gut gegen den Zutritt von Regenwasser geschützt sein, da sie sonst das Gegenteil, eine verstärkte Kondensatbildung, bewirkt. Bei Abgastemperatur über dem Taupunkt und guter Wärmedämmung ist die Korrosionsbelastung so gering, dass als Werkstoff für die Innenschale unlegierter Stahl verwendet werden kann. Beispiele hierfür finden sich in einer Vielzahl von Industrie-Schornsteinen. Eine deutlich größere Korrosionsbelastung liegt vor, wenn die Abgastemperatur im stationären Zustand unter dem Säuretaupunkt liegt. Auch unter diesen Bedingungen kann jedoch die Korrosionsbeständigkeit von unlegierten Eisenwerkstoffen völlig ausreichend sein, wie das Beispiel der Abgas-beaufschlagten Flächen von Heizkesseln mit zwangsläufig niedrigerer Wandungstemperatur zeigt. Die Korrosionsbelastung nimmt verständlicherweise mit abnehmender Wandungstemperatur zu. Dementsprechend ist es nicht verwunderlich, dass bei Niedertemperatur-Heizungsanlagen häufiger abgasseitige Kesselschäden beobachtet werden als bei 90/70-Anlagen, die zudem häufig aufgrund regelungstechnischer Maßnahmen mit einer Anhebung der Rücklauftemperatur arbeiten. Zunehmend kritischer werden die Verhältnisse, – wenn die Häufigkeit instationärer Zustände mit stärkerer Unterschreitung des Säuretaupunkts zunimmt, – wenn zeitweilige Unterschreitung des Wassertaupunkts auftritt – oder wenn gar mit ständiger Unterschreitung des Wassertaupunktes (wie dies bei den Brennwertkesseln angestrebt wird) zu rechnen ist. In diesen Fällen können unlegierte Eisenwerkstoffe nicht mehr ohne Korrosionsschutz eingesetzt werden, bzw. es müssen korrosionsbeständigere Werkstoffe zum Einsatz kommen. Wenn, wie bei mit Gas betriebenen Anlagen, nur mit dem Auftreten von Kohlenstoffdioxid-haltigem Abgaskondensat zu rechnen ist, kann das Auftreten von Korrosionsschäden durch Verwendung von nichtrostenden Stählen mit großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Dies gilt auch noch bei mit Heizöl betriebenen Anlagen für Anlagenteile, die mehr oder weniger ständig mit Kondensat beaufschlagt werden, da bei der dann vorliegenden Konzentration an Schwefelsäure bzw. Schwefliger Säure eine ausreichende Beständigkeit von nichtrostenden Stählen gegeben ist. Bei mit Heizöl betriebenen Anlagen mit häufigerem Anfall von Kondensat und Aufkonzentrierung der auskondensierten Säure bei anschließendem Anstieg der Wandungstemperatur kann die Korrosionsbeständigkeit der üblicherweise verwendeten nichtrostenden Stähle (wie aus den Schäden an dünnwandigen flexiblen Einsatzrohren erkennbar) u.U. nicht mehr ausreichend sein. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass bei Aufkonzentrierung von Schwefelsäure und gleichzeitiger Anwesenheit von Schwefeldioxid die Passivität von nichtrostendem Stahl aufgehoben wird. Unter diesen Bedingungen unterscheiden sich die üblicherweise verwendeten Stähle in ihrer Beständigkeit nur unwesentlich. Bei Anlagen, bei denen mit Salzsäure oder Chlorid-Ionen im Kondensat zu rechnen ist, kann das Risiko von Korrosionsschäden durch Auswahl von nichtrostenden Stählen mit erhöhter Beständigkeit gegen Lochkorrosion in gewissen Grenzen verringert werden. Für die Unterschiede in der Beständigkeit der nichtrostenden Stähle in bezug auf ihre Anfälligkeit für Lochkorrosion ist hier bei vergleichbarem Chromgehalt der Gehalt an Molybdän von besonderer Bedeutung. Die Beständigkeit ist am geringsten bei den Molybdän-freien Qualitäten (wie z.B. bei Werkstoff-Nr. 1.4301 und 1.4541). Deutlich besser ist sie bei den Qualitäten mit Molybdängehalten zwischen 2,0 und 2,5% (wie z.B. bei Werkstoff-Nr. 1.4401 und 1.4571). Mit steigenden Molybdängehalten (wie z.B. bei Werkstoff-Nr. 1.4436 mit 2,5 bis 3,0%) nimmt sie weiter zu. Die unterschiedlichen Kohlenstoffgehalte sind für die Korrosionsbeständigkeit nur mittelbar von Bedeutung, nämlich nur dann, wenn es bei der Verarbeitung (z.B. beim Schweißen) oder während des Betriebes (z.B. durch einen Schornsteinausbrand) zu einer Wärmebeeinflussung

1.10.6 Steinbildung

503 DVD

kommt, die durch Ausscheidung von Chromcarbiden zu einer Sensibilisierung für interkristalline Korrosion führen kann. Diese Gefahr ist bei hinreichend niedrigen Kohlenstoffgehalten nicht gegeben. Bei höheren Kohlenstoffgehalten kann die Bildung von Chromcarbiden durch Zugabe von stabilisierenden Elementen (z.B. Titan bei WerkstoffNr. 1.4541 und 1.4571) vermieden werden. Da die Korrosionsbelastung von Abgas-beaufschlagten Bauteilen in vielen Fällen durch die Ansammlung und Aufkonzentrierung der aus dem Schwefeldioxid gebildeten Schwefelsäure zurückzuführen ist, besteht eine einfache Möglichkeit des Korrosionsschutzes in der Reinigung der Teile. Aus diesem Grund ist es z.B. sehr zu empfehlen, einen mit Heizöl betriebenen Heizkessel am Ende der Heizperiode zu reinigen, damit nicht in den feuchten Sommermonaten verstärkte Korrosion unter den Schwefelsäurehaltigen Belägen ablaufen kann.

1.10.6

Steinbildung1)

Unter Steinbildung versteht man die Bildung festhaftender Beläge aus Calciumcarbonat auf wasserberührten Wandungen von Wassererwärmungs- und Warmwasserheizungsanlagen bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes. Von einem Schaden durch Steinbildung spricht man, wenn eine Beeinträchtigung der Funktion von Wassererwärmungs- und Warmwasserheizungsanlagen durch Steinbildung aufgetreten ist. Im Gegensatz zur Korrosion spielen bei der Steinbildung die Eigenschaften des Werkstoffes nur eine untergeordnete Rolle. Entscheidend für das Ausmaß der Steinbildung sind die Wasserbeschaffenheit und die Betriebsweise. Zur Steinbildung (Ausfällung von Calciumcarbonat) kann es aufgrund der Reaktion Ca2+ + 2 HCO3– → CaCO3 + CO2 + H2O immer dann kommen, wenn Calciumhydrogencarbonat-haltiges Wasser erwärmt wird. Schäden durch Steinbildung können auftreten, wenn Auslegung, Betriebsbedingungen und Wasserbeschaffenheit nicht aufeinander abgestimmt sind. Die Kalkabscheidung wird in erster Linie durch die Menge des im Wasser gelösten Calciumhydrogencarbonats bestimmt, die normalerweise durch die sog. „Karbonathärte“ charakterisiert werden kann. Als Karbonathärte bezeichnet man den Anteil der „Gesamthärte“ (Gehalt an Calcium- und Magnesium-Ionen), der an Hydrogencarbonat-Ionen gebunden ist. Im Normalfall, wenn die Konzentration an Calcium- und Magnesium-Ionen größer ist als die äquivalente Konzentration an Hydrogencarbonat-Ionen, dient letztere, die durch die sog. „Säurekapazität bis pH = 4,3“ (KS 4,3 früher als m-Wert bezeichnet) bestimmt wird, – c ( Ca ( HCO 3 ) 2 ) c ( HCO 3 ) K S 4,3 - = 0 ,5 ⋅ ------------------------------------------------------- = 0 ,5 ⋅ ---------------------–3 –3 –3 mol m mol m mol m als Maß für die Karbonathärte. Außer der Einheit mol/m3 werden zur Angabe der Konzentration der Härtebildner national und international noch andere Einheiten verwendet: 1 °d = Grad deutscher Härte = 10 mg CaO/L entspr. 17,9mgCaCO3/L 1 mval CaCO3/L = 50 mgCaCO3/L 1 ppm CaCO3/L = 1 mgCaCO3/L 1 °f = Grad französischer Härte = 10 mgCaCO3/L 1 °e = Grad englischer Härte = 1 grain/Imp.gal. = 64,8 mg CaCO3/4,546 L = 14,3mgCaCO3/L 1 gpg = grain CaCO3/per US gal. = 64,8 mg CaCO3/3,785 L = 17,1mgCaCO3/L Mit 1 mol/m3 = 1 mmol/L = 100 mg CaCO3/L können die verschiedenen Einheiten leicht umgerechnet werden.

1)

VDI 2035-1: 2005-12: Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen – Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen.

DVD 504

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

Beispiel: Die Angaben 15 °d bedeutet 15 × 17,9 mg CaCO3/L = 268,5 mg CaCO3/L 268,5 mg CaCO3/L : (100 mg CaCO3/L : 1 mol/m3) = 2,7 mol/m3.

-1

Steinbildung in Wassererwärmungsanlagen 1)

Mit zunehmender Steinbildung kommt es zur Behinderung der Wärmeübertragung und zu unerwünschten Temperaturdifferenzen an den Wärmeaustauschflächen. Dies hat je nach Anlagenart unterschiedliche Folgen: – Bei (nichtelektrisch) direkt und indirekt beheizten Anlagen tritt eine Abnahme der Wärmeleistung auf. – Bei (nichtelektrisch) direkt beheizten Anlagen kommt es darüber hinaus zu einer Erhöhung der Abgastemperatur und damit zu einer Abnahme des Wirkungsgrades. Unter kritischen Bedingungen kann es hier zu Materialschäden durch Überhitzung kommen. – Bei elektrisch beheizten Wassererwärmern nehmen zwar mit zunehmender Steinbildung Wirkungsgrad und Wärmeleistung nicht ab, es kommt aber wegen der konstant bleibenden elektrischen Leistung zu erhöhter Temperaturdifferenz an den Heizelementen, was zum Ausfall der Heizelemente führen kann. – Bei Durchfluß-Wassererwärmern kann es als Folge der Steinbildung zu einer Verringerung des Strömungsquerschnittes und damit zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes kommen, was zu einer Durchflußreduzierung und damit (bei nicht elektrisch beheizten Durchfluß-Wassererwärmern) zu einer Abnahme der Wärmeleistung führt. Das Ausmaß der Kalkabscheidung kann durch zwei Faktoren verstärkt werden, durch Entfernung von Kohlenstoffdioxid und durch Erhöhung der Temperatur. Beides wird entscheidend durch die Konstruktion und Betriebsweise des Wassererwärmers beeinflußt. Bei offenen Wassererwärmern (z.B. Kochendwassergeräten und kleinen drucklosen Elektrospeichern), bei denen ständig Kohlenstoffdioxid entweichen kann, kann es schnell zu einer Steinbildung auf den Elektro-Heizelementen kommen. Geschlossene Wassererwärmer, bei denen kein Kohlenstoffdioxid entweichen kann, sind weniger anfällig. Die Steinbildung auf den Wärmeübertragungsflächen ist hier allein darauf zurückzuführen, dass die Löslichkeit von Calciumcarbonat mit zunehmender Temperatur abnimmt. Entscheidend ist nicht die Wassertemperatur im Innern des Wassererwärmers, sondern die Wandtemperatur an der Wärmeübertragungsfläche. Mit zunehmender Wandtemperatur steigt die Neigung zur Steinbildung. Von wesentlichem Einfluß auf die Wandtemperatur ist auch die zum Teil konstruktionsbedingte Betriebsweise. Bei einem Speicher, bei dem die Zufuhr von Heizwasser abhängig von der Temperatur des erwärmten Wassers über eine Ladepumpe erfolgt, sind die Verhältnisse weniger kritisch als bei einem (nicht elektrisch beheizten) ungeregelten Durchfluß-Wassererwärmer. Im ersten Fall erreicht die Wandtemperatur praktisch nie die maximal mögliche Temperatur des Heizwassers. Vor allem in den langen Stillstandszeiten über Nacht kühlt sich das Heizregister schnell auf die eingestellte Wassertemperatur ab. Im zweiten Fall des ungeregelten Durchfluß-Wassererwärmers wird zwangsläufig bei jedem Stillstand schnell die Temperatur des Heizwassers erreicht. Eine spezielle Art der Steinbildung wird in Zusammenhang mit dem kathodischen Schutz von Behältern beobachtet. Als Folge der an der Kathode ablaufenden Sauerstoffreduktion 1/2 O2 + H2O + 2 e– → 2 OH– kommt es hier zu einer Erhöhung der Konzentration an Hydroxyl-Ionen, der sog. Wandalkalisierung, wodurch die Dissoziationsgleichgewichte der Kohlensäure in Richtung auf eine Erhöhung der Carbonat-Ionen-Konzentration verschoben werden. Als Folge der dadurch bewirkten Kalkübersättigung kommt es zur Kalkabscheidung auf der Kathodenfläche. Nützlich ist diese Kalkabscheidung im Hinblick auf den Korrosionsschutz von emaillierten Behältern. An den ursprünglich in der Emaillierung vorhandenen Fehlstellen, die die

1)

DIN 1988-7: 2004-12: Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen (TRWI) – Teil 7: Vermeidung von Korrosionsschäden und Steinbildung; Technische Regel des DVGW.

1.10.6 Steinbildung

505 DVD

Kathoden im Korrosionselement mit der Magnesiumanode bilden, kommt es auf diese Weise zu einer Abdeckung mit Kalk, wodurch der Schutzstrombedarf erheblich reduziert wird. Außerdem kann in hinreichend harten Wässern dadurch eine Nichterneuerung der nach einiger Zeit aufgezehrten Anode ohne schädliche Auswirkungen bleiben. Schädlich kann diese Kalkabscheidung sein, wenn sie zum Zuwachsen von nichtemaillierten metallischen Abgangsstutzen führt. Dies ist möglich, wenn sich der Abgangsstutzen im „Sichtbereich“ der Anode befindet und das Wasser Kupfer-Ionen enthält, die sich ebenfalls an der Kathode abscheiden. Der auf diese Weise elektrisch leitend werdende Belag kann dann bis zum Verschluss ständig weiter wachsen. Schädlich ist diese Art von Kalkabscheidung natürlich auch dann, wenn sie auf elektrisch mit dem Behälter kurzgeschlossenen Heizflächen aus Kupfer oder nichtrostendem Stahl zu einer Behinderung des Wärmeübergangs führt.

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Steinbildung in Warmwasserheizungsanlagen

Als Folge von Steinbildung auf direkt beheizten Wärmeübertragungsflächen kann es zu örtlicher Überhitzung und dadurch bedingter Rißbildung kommen. Im übrigen wird durch den Steinbelag der Wärmedurchgang herabgesetzt, was zu einer Verringerung der Wärmeleistung führt. In Warmwasserheizungsanlagen ist die Gefahr von Schäden durch Steinbildung zunächst nicht sehr groß, weil die zur Verfügung stehende Menge an Calciumcarbonat begrenzt ist. Sie ergibt sich nach V Anl c ( Ca ( HCO 3 ) 2 ) m ( CaCO 3 ) - ⋅ -------------------------------------------------------------- = 100 ⋅ --------3 –3 g mol m m aus dem Anlagenvolumen VAnl und der Konzentration an Calciumhydrogencarbo-nat c(Ca(HCO3)2). Bei Wässern, bei denen nach einer Enthärtung c(Ca2+) < 0,5 c(HCO3–) ist, kann die Karbonathärte nicht aus der Konzentration an Hydrogencarbonat-Ionen(m-Wert, Säurekapazität bis pH 4,3 KS 4,3) berechnet werden. In diesen Fällen muss statt dessen die tatsächlich noch vorhandene Konzentration an Calcium-Ionen zugrunde gelegt werden. Die Ausscheidung von Kalk erfolgt hauptsächlich an den heißesten Stellen der Anlage, d.h. an den Wärmeübertragungsflächen im Heizkessel. Die Wandungstemperatur liegt zwar hier zunächst nur wenig höher als die Wassertemperatur, da der Wärmeübergang vom Abgas auf die Kesselwandung erheblich stärker gehemmt ist als der Wärmeübergang von der Kesselwandung auf das Wasser. Wenn es hier jedoch zur Bildung von Kalkablagerungen kommt, deren Wärmeleitfähigkeit sehr viel schlechter ist, steigt hier die Wandungstemperatur. Der Befund, wonach sich häufig die gesamte Kalkmenge nur auf einer verhältnismäßig kleinen Fläche ablagert, hängt damit zusammen, dass die Kalkabscheidung auf einer metallisch blanken Fläche sehr stark gehemmt ist und sehr viel leichter auf einer Fläche erfolgt, auf der bereits Kalk abgeschieden worden ist. Dies führt dann dazu, dass sich u.U. die gesamte Kalkausscheidung auf den Bereich konzentriert, in dem es zuerst zur Kalkausscheidung gekommen ist. Dies sind erfahrungsgemäß die Bereiche mit der höchsten Heizflächentemperatur oder solche, bei denen strömungsbedingt der geringste Wärmeabtransport erfolgt.

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Maßnahmen gegen Steinbildung

Entscheidenden Einfluß auf die Steinbildung hat die Konstruktion des Wassererwärmers bzw. Heizkessels, da sie die maximalen Wandungstemperaturen bestimmt. Als Faustregel kann gelten, dass die Intensität der Kalkausscheidung bei gegebener Wasserbeschaffenheit mit zunehmender Wandungstemperatur zunimmt. Um eine möglichst niedrige Wandungstemperatur zu erreichen, muss die Heizleistung deshalb möglichst gleichmäßig auf große Flächen verteilt werden. Die Möglichkeiten der Begrenzung der Steinbildung durch Werkstoffwahl sind begrenzt. Ein Einfluß des Werkstoffes ist nur insofern gegeben, als die Steinbildung auf glatten Oberflächen erschwert ist. Dementsprechend neigen korrosionsbeständigere Werkstoffe (wie z.B. nichtrostende Stähle), weniger zu Steinbildung als Werkstoffe (wie z.B. feuerverzinkter Stahl), bei denen Korrosionsprodukte die Oberfläche vergrößern und Ansatzpunkte für die Steinbildung liefern.

DVD 506

1. Grundlagen / 1.10 Grundlagen des Korrosions- und des Steinschutzes

In Warmwasserbereitungsanlagen kann die Steinbildung vor allem durch die Wahl einer möglichst niedrigen Wassertemperatur beeinflußt werden. Dieser Möglichkeit stehen allerdings in zunehmendem Maße Bedenken wegen einer damit verbundenen Erhöhung eines Legionella-Infektionsrisikos gegenüber1). In Abhängigkeit von den konstruktions- und betriebsbedingten Faktoren lassen sich drei Gruppen von Wassererwärmern unterscheiden: Wassererwärmer-Gruppe I Wassererwärmer mit Wassertemperatur bis 60 °C wie z.B.: – Indirekt beheizte Speicher-Wassererwärmer – Indirekt beheizte Durchfluß-Wassererwärmer mit geregelter Heizwasserzufuhr – Gasbeheizte Speicher-Wassererwärmer – Elektrisch (Heizdraht) beheizte Durchfluß-Wassererwärmer – Elektrisch beheizte Speicher-Wassererwärmer Wassererwärmer-Gruppe II Wassererwärmer mit Wassertemperatur bis 70 °C wie z.B.: – Indirekt beheizte Wassererwärmer – Gasbeheizte Durchfluß-Wassererwärmer – Geschlossene elektrisch beheizte Speicher-Wassererwärmer Wassererwärmer-Gruppe III Wassererwärmer mit Wassertemperatur über 70 °C bzw. besondere Bauarten wie z.B.: – Indirekt beheizte Durchfluß-Wassererwärmer mit ungeregelter Heizwasserzufuhr – Offene elektrisch beheizte Speicher-Wassererwärmer In Abhängigkeit von der Konzentration an Calciumhydrogencarbonat c(Ca(HCO3)2) lassen sich den Wassererwärmergruppen unterschiedliche Anfälligkeiten für Schäden durch Steinbildung zuordnen: c(Ca(HCO3)2) mol/m3

bis 1,5

über 1,5 bis 2,5

über 2,5

WassererwärmerGruppe I

gering

gering

gering

WassererwärmerGruppe II

gering

gering

mittel

WassererwärmerGruppe III

gering

mittel

hoch

Als wasserseitige Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden durch Steinbildung werden in DIN 1988-72) die Härtestabilisierung und die Enthärtung genannt. Unter Härtestabilisierung versteht man die Zugabe von Chemikalien zum Wasser, durch welche die Kalkabscheidung derart beeinflußt wird, dass es nicht zur Steinbildung kommt. Der Kalk kann dabei jedoch in Schlammform ausfallen. Im Trinkwasserbereich erfolgt die Härtestabilisierung ausschließlich mit den in der Trinkwasser-AufbereitungsVerordnung zugelassenen Polyphosphaten. Diese behindern das Aufwachsen von Steinbelägen, indem sie die zunächst gebildeten Kristallkeime blockieren und auf diese Weise am Wachsen hindern. Bei längeren Standzeiten bildet sich durch Hydrolyse aus den Polyphosphaten das monomere Phosphat, das dann zeitlich verzögert zur Ausfällung von Calciumphosphat in Schlammform führt. Schlammbildung ohne Steinansatz auf den Wandungen würde vermutlich auch dann auftreten, wenn in dem kalten Wasser vor der Erwärmung gezielt Calciumcarbonatkeime erzeugt werden könnten, an denen dann beim Erwärmen des Wassers die Anlage1)

2)

DVGW-Arbeitsblatt W551: 2004-04: Trinkwassererwärmungs- und Trinkwasserleitungsanlagen; Technische Maßnahmen zur Verminderung des Legionellenwachstums; Planung, Errichtung, Betrieb und Sanierung von Trinkwasser-Installationen. DIN 1988-7: 2004-12: Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen (TRWI) – Teil 7: Vermeidung von Korrosionsschäden und Steinbildung; Technische Regel des DVGW.

1.10.6 Steinbildung

507 DVD

rung von Kalk erfolgen könnte. Auf diesen Effekt wird von einzelnen Herstellerfirmen die Wirkung ihrer auf physikalischer Basis arbeitender Geräte zur Vermeidung von Steinbildung zurückgeführt. Bei den Geräten, die sich bei einer Prüfung nach dem DVGW-Arbeitsblatt W 5121) als wirksam erwiesen haben, ist davon auszugehen, dass die Wirkung auf elektrochemischen Vorgängen beruht. Das sicherste Verfahren zur Vermeidung von Steinbildung ist die Enthärtung, bei der die im Wasser enthaltenen Calcium- und Magnesium-Ionen entfernt werden (s. Abschn. 1.10.3-3 s. S. 492). Ein im Ionenaustauscherverfahren enthärtetes Wasser enthält nur noch Spuren von Calcium- und Magnesium-Ionen. Im Bereich der Trinkwasser-Installation ist ein derart vollenthärtetes Wasser nicht zulässig. Das Wasser wird deshalb üblicherweise hinter dem Ionenaustauscher durch Vermischen mit nicht enthärtetem Wasser auf eine Härte von etwa 1 mol/m3 eingestellt. Bei Wässern im Härtebereich 1 und 2 werden wasserseitige Maßnahmen nicht als notwendig angesehen. Bei Wässern im Härtebereich 3 kann Steinbildung durch Härtestabilisierung zumindest vermindert werden. Durch Enthärtung kann Steinbildung in jedem Fall verhindert werden. Anstelle von Wasserbehandlungsmaßnahmen zur Verringerung der Anfälligkeit für Schäden durch Steinbildung kann auch eine in regelmäßigen Abständen durchzuführende Steinentfernung vorgesehen werden. Abgesehen von einer mechanischen Entfernung bei leicht zugänglichen Teilen kommt hier vor allem die chemische Auflösung mit Säuren zur Anwendung. Hierfür können dieselben Kesselsteinlösemittel verwendet werden, wie sie auch für die Behandlung von Dampfkesseln zugelassen sind2). Bei Warmwasserheizungsanlagen kann die Steinbildung vor allem durch die Art und Weise der Inbetriebnahme beeinflußt werden. Wenn die Anlage mit geringster Leistung oder langsam stufenweise aufgeheizt wird, besteht die Möglichkeit, dass sich der Kalk nicht nur an den heißesten Stellen, sondern über die ganze Anlage verteilt u.U. sogar in Schlammform ausscheidet. Bei Mehrkesselanlagen empfiehlt es sich, alle Kessel gleichzeitig in Betrieb zu nehmen, damit sich die gesamte Kalkmenge nicht auf die Wärmeübertragungsfläche eines einzelnen Kessels konzentrieren kann. Durch Einbau von Strangabsperrventilen kann die Menge des erforderlichen Ergänzungswassers erheblich verringert werden, da dann nicht in jedem Reparaturfall das gesamte Heizwasser abgelassen werden muss. Die Notwendigkeit von wasserseitigen Maßnahmen ergibt sich aus Annahmen hinsichtlich der zulässigen mittleren Dicke der Kalkschicht. Wenn man z.B. bei größeren Anlagen annimmt, dass lediglich eine mittlere Dicke der Kalkschicht von 0,05 mm toleriert werden kann, weil bereits bei dieser geringen mittleren Dicke in den Bereichen mit der höchsten Wandtemperatur Kalkbeläge mit einer Dicke bis zu 0,5 mm entstehen können, dann errechnet sich die maximale Menge an Wasser Vmax, die in Abhängigkeit von der Konzentration an Calciumhydrogenkarbonat und der Kesselleistung eingespeist werden kann, auf einen in der VDI 2035-13) beschriebenen Rechenweg zu V max Q˙ 1 ⁄ c ( Ca ( HCO 3 ) 2 ) ----------- = 0 ,0313 ⋅ -------K- ⋅ ------------------------------------------–1 3 3 kW mol m m Wenn das zulässige Wasservolumen erreicht ist, darf entweder nur noch enthärtetes Wasser nachgespeist werden, oder es muss eine Entfernung des Steinbelages im Kessel vorgenommen werden. Um im Garantiefall die Erfüllung dieser Anforderung kontrollieren zu können, muss bei größeren Anlagen ein Wasserzähler in die Fülleitung eingebaut sein. Außerdem sind Aufschreibungen darüber vorzulegen, zu welchem Zeitpunkt welche Mengen Wasser einer bestimmten Konzentration an Calciumhydrogencarbonat nachgespeist worden sind.

1) 2) 3)

DVGW-Arbeitsblatt W512: Verfahren zur Beurteilung der Wirksamkeit von Wasserbehandlungsanlagen zur Verminderung von Steinbildung. VdTÜV-Richtlinien für die Untersuchung von Kesselsteinlösemittel und Kesselbeizmitteln. Technische Überwachung 14 (1973) Nr. 11, Siehe 332–333. VDI 2035-1: 2005-12: Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen – Steinbildung in Trinkwassererwärmungs- und Warmwasser-Heizungsanlagen.

DVD 508

1.11

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Grundlagen Facility Management – Planung, Erstellung, und Nutzung1) Koordination von Dr.-Ing. Ronald Miller, Stuttgart

1.11.1

Grundlagen2)

Der Begriff Facility Management beinhaltet gemäß der gängigen Bedeutung das Management (Führung, Handhabung, Leitung, Verwaltung) von Einrichtungen (Bauwerke, Gebäude, Anlagen). Die aktuelle internationale Definition nach DIN EN 1522-1 versteht diesen Begriff deutlich weiter gefasst und schließen unter FM alle denkbaren Unterstützungsprozesse für das Kerngeschäft einer Organisation auch unabhängig von Gebäuden und Anlagen mit ein. Die zur Zeit noch aktuellen Definitionen der verschiedenen nationalen und internationalen Organisationen wie AMEV, DIN, GEFMA, IFMA, VDI, VDMA usw. sind nach wie vor nicht ganz einheitlich. Sie reichen von der „Gesamtheit aller Leistungen zur optimalen Nutzung der betrieblichen Infrastruktur auf der Grundlage einer ganzheitlichen Strategie“ (VDMA) bis „Facility Management ist der ganzheitliche strategische Rahmen für koordinierte Programme um Gebäude, ihre Systeme und Inhalte kontinuierlich bereitzustellen, funktionsfähig zu halten und an die wechselnden organisatorischen Bedürfnisse anzupassen“ (Euro-FM-Network). Unter ganzheitlich werden im allgemeinen die vier verschiedenen Phasen Planung, Erstellung, Nutzung und Verwertung im Lebenszyklus einer Einrichtung verstanden. Dabei werden in der Nutzungsphase Leistungen im technischen, infrastrukturellen und käufmännischen Gebäudemanagement erforderlich.

Bild 1.11.1-1. Definition des Facility Management Modells nach DIN EN 15221-1.

Für die Anlagen der Heizung und Klimatechnik sind für das Facility Management im wesentlichen die Phasen der Planung und Erstellung sowie das technische und kaufmän1) 2)

Dieser Abschnitt wurde durch Koordination von Dr.-Ing. Ronald Miller, Stuttgart, für die 72. Auflage, z.T. unter Verwendung bereits früher bestehender Abschnitte, neu eingerichtet. Erstbearbeitung von Dr.-Ing. Ronald Miller, Stuttgart, für die 72. Auflage, hier Ergänzungen.

1.11.2 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

509 DVD

nische Gebäudemanagement während der Nutzung relevant und werden in diesem Kapitel behandelt.

1.11.2 -1

Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung1) Begriffsabgrenzungen und Definitionen

Bei der Entscheidung für technische Anlagen der Heizungs- und Klimatechnik spielen Aspekte der Kostenstruktur und der Wirtschaftlichkeit eine entscheidende Rolle. Die Entscheidungsgrundlagen für beide Aspekte entstammen je nach betriebswirtschaftlicher Fragestellung des investierenden Unternehmens (oder anderer Institutionen) – dem Bereich der Finanz-(Liquiditätsrechnung) – dem Bereich der Gewinn- und Verlustrechnung – dem Bereich der betrieblichen Erfolgsrechnung In der technischen Literatur werden die betriebswirtschaftlich eindeutig definierten Begriffe2) Kosten, Aufwand, Ausgaben, Auszahlungen häufig unscharf oder doppeldeutig verwendet. Deshalb sind für die nachfolgende Behandlung der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung die hierzu notwendigen Begriffe ausführlich definiert. Ihre gegenseitige Abgrenzung ist aus Bild 1.11.2-1 ersichtlich a) Definitionen zur Abgrenzung des Kostenbegriffs Auszahlung: Jeder Vorgang, der den Bestand an liquiden Mitteln (Kassenbestände und verfügbare Bankguthaben) vermindert. Die entsprechende Position auf der Leistungsseite ist die Einzahlung (oder auch Einsparung). Ausgabe: Auszahlung + Forderungsabnahme + Schuldenzunahme (d.h. Einbeziehung von Kreditvorgängen). Die hierzu adäquate Position auf der Leistungsseite ist die Einnahme. Aufwand: Gesamter Werteverzehr von Sachgütern, Arbeits- und Dienstleistungen sowie Rechten in einer Abrechnungsperiode. Die Position auf der Leistungsseite ist der Ertrag. Kosten: In Geldeinheiten bewerteter Verbrauch von Sachgütern, Arbeits- und Dienstleistungen zur Erstellung von marktlich verwertbaren betrieblichen Leistungen (Betriebshauptzweck) in der Abrechnungsperiode. Die Gegenposition hierzu ist die betriebliche Leistung. Die Kosten wiederum werden untergliedert nach: Aufwandskosten: Diejenigen Aufwandsbestandteile, die ausschließlich und direkt dem Betriebshauptzweck zuzurechnen sind und keine kalkulatorischen Bestandteile enthalten. (In der Kostenrechnung auch Grundkosten genannt) Kalkulatorische Kosten: Über die Grundkosten hinaus anzusetzender Werteverzehr wie: – Abschreibungen zur Erfassung des Werteverzehrs von Wirtschaftsgütern des Anlagevermögens über die betriebliche Nutzungszeit (kalkulatorische Abschreibung) – Verrechnung von Zinsen auf das Eigenkapital – Verrechnung von Mieten bei eigengenutzten Immobilien (kalkulatorische Miete) b) Definitionen zur Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnung Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnung: Rechenverfahren, mit denen die wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit von Investitionsvorhaben ermittelt wird.

1) 2)

Erstbearbeitung erfolgte durch Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Werner Solfrian, Essen, für die 68. Auflage. Hörschgen, H.: Grundbegriffe der Betriebswirtschaftslehre, Sammlung Poeschel, Schaeffer-Poeschel-Verlag, Stuttgart, 1992.

DVD 510

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Bild 1.11.2-1. Abgrenzung der Begriffe, Kosten, Aufwand, Ausgaben und Auszahlungen.

1.11.2 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

511 DVD

Statische Verfahren: Einfache pragmatische Vergleichsverfahren, die zeitliche Unterschiede im Auftreten von Einnahmen und Ausgaben nicht berücksichtigen. In der Regel wird nur ein verkürzter Betrachtungszeitraum zugrunde gelegt, mit der Annahme, dass dieser für die gesamte Nutzungsdauer repräsentativ sei. Dynamische Verfahren: Komplexere Rechenverfahren, die dem zeitlichen Ablauf der Investitionsvorgänge Rechnung tragen. Der Zeitaspekt wird durch Abzinsen von Zahlungsreihen mit einem Kalkulationszinsfuß auf einen Betrachtungszeitpunkt (meist gleich Investitionszeitpunkt) berücksichtigt. Kalkulationszinsfuß: Der Kalkulationszinsfuß macht die zeitlich unterschiedlichen Auswirkungen der durch die Investition verursachten Zahlungsreihen (Ein- und Auszahlungen) deutlich. Für die Höhe des Zinsfußes sind je nach betrieblicher Zielsetzung verschiedene Ansätze üblich. Ansatz bei Kalkulationszinsfuß: – Marktzins für langfristiges Fremdkapital (bei Annahme unbegrenzter Kapitalbeschaffungsmöglichkeit) – Branchenüblicher Zinssatz – Durchschnittsrendite des im Betrieb eingesetzten Kapitals – Struktur der Finanzierung aus Eigen- und Fremdkapital.

-2

Grundlagen der Kostenrechnung

-2.1

Aufgaben der Kostenrechnung

Als Kostenrechnung eines Unternehmens wird die kurzfristig (z.B. monatliche, quartalsweise) verfügbare innerbetriebliche Bewertung der für den betrieblichen Hauptzweck eingesetzten Sachgüter sowie Arbeits- und Dienstleistungen bezeichnet. Unter Einbeziehung der dadurch erbrachten betrieblichen Leistungen spricht man von kalkulatorischer Erfolgsrechnung. Aufgaben der Kostenrechnung sind: 1. Rechnerische Aufgliederung des betrieblichen Kostengefüges nach • Kostenarten (Typologie der Kosten), • Kostenstellen (Ort des Kostenanfalls), • Kostenträgern (anteilige Belastung der Unternehmensprodukte). 2. Überwachung der Wirtschaftlichkeit der betrieblichen Abläufe. 3. Bereitstellung von Zahlenmaterial für unternehmerische Entscheidungen wie • Kalkulation von Preisen, • Planung des Produktionsablaufs, • Planung der Anteile Eigenfertigung und Fremdbezug, • Planungsgrundlagen für Investitionen und Finanzierung. 4. Bereitstellung von Unterlagen für die Bewertung halbfertiger Arbeiten in der Bilanz des Unternehmens. 5. Ermittlung von kostenorientierten Angebotspreisen bei öffentlichen Aufträgen.

-2.2

Kostenrechnungssysteme

Um die Kostenrechnung dem betrieblichen Prozeß der Leistungserstellung zweckmäßig anzupassen sind folgende Kostenrechnungssysteme1) in Gebrauch: – Istkostenrechnung – Normalkostenrechnung auf Vollkosten- oder Teilkostenbasis – Plankostenrechnung

}

1)

) Schierenbeck, H.: Grundzüge der Betriebswirtschaftslehre, R. Oldenbourg Verlag, München und Wien, 1989

DVD 512

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Istkostenrechnung: Verrechnung effektiv angefallener Kosten. Vorteil: Präzise Erfassung der Kostenströme möglich. Nachteil: Hoher Aufwand und schwerfälliges Verfahren. Anwendung: Nachkalkulation betrieblicher Leistungen zur Feststellung des Betriebsergebnisses. Normalkosten: Verrechnung von Durchschnittskosten aus Istkosten vergangener Perioden. Vorteil: Einfache Handhabung von Kostenelementen sowie Erhöhung der Vergleichbarkeit von Kostenrechnungsergebnissen. Nachteil: Beeinträchtigung der Genauigkeit der Kostenrechnung. Anwendung: Vorkalkulation bei der Erarbeitung von Angeboten. Plankostenrechnung: Zukunftsorientierte Verrechnung von Kostenelementen als Sollvorgabe für den Prozeß der Leistungserstellung. Vorteil: Lenkungsfunktion der Kostenrechnung durch Vorgabe von Sollwerten. Nachteil: Plankostenrechnung kann sinnvoll nur auf Teilkostenbasis durchgeführt werden. Anwendung: Wirtschaftlichkeitskontrolle und Budgetierung von Kostenstellen. Vollkostenbasis: Es werden grundsätzlich sämtliche Periodenkosten verrechnet und den Leistungen oder Produkten des Unternehmens zugeordnet. Anwendung: Vorwiegend bei Istkostenrechnung. Teilkostenbasis: Es werden in der Regel nur die dispositionsabhängigen, d.h. variablen Kosten verrechnet, da nur diese durch die Kostenstellen beeinflußt werden können. Anwendung: Vorwiegend bei Normal- und Plankostenrechnung. Die in die Kostenrechnungssysteme eingehenden Kosten werden wiederum unterteilt: – hinsichtlich ihrer Zurechenbarkeit zu den Produkten und Dienstleistungen in • Einzelkosten vorwiegend bei Vollkostenrechnung • Gemeinkosten relevant – hinsichtlich ihrer Abhängigkeit von der Auslastung (Beschäftigung) des Unternehmens • variable Kosten vorwiegend bei Teilkostenrechnung • fixe Kosten relevant Der Zusammenhang dieser Unterteilungen wird aus Tafel 1.11.2-1 deutlich:

}

}

1.11.2 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

513 DVD

Tafel 1.11.2-1 Zusammenhang Einzel-/Gemeinkosten sowie fixe und variable Kosten Zurechenbarkeit Einzelkosten auf Produkte (direkt zuzuordnen)

Abhängigkeit von der Auslastung

Gemeinkosten (über Verteilungsschlüssel zuzuordnen) Unechte Gemeinkosten

Variable Kosten

Echte Gemeinkosten Fixe Kosten

Echte Gemeinkosten: Können objektiv nicht verursachungsgerecht zugeordnet werden. Unechte Gemeinkosten: Werden aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht verursachungsgerecht zugeordnet. Beispiele

-2.3

Kosten für – Instandhal- – Kosten – Material tungskosKoppel– Hilfs- und ten produkBetriebsstoffe – Energietion – Fremdprodukund Me– Energiete dienkosten und Me(bei dezentdienkosraler Erfasten (bei sung) zentraler – EntwickErfaslungskosten sung)

– – – – – –

Verwaltung Abschreibungen Bürokosten Mieten (Personalkosten) Kalkulatorische Kosten – Steuern, Gebühren, Beiträge – Zinsen

Aufbau der betrieblichen Kostenrechnung

Für die innerbetriebliche Kostenrechnung werden die Kosten aufgeteilt nach: – Art der verbrauchten Güter und Dienstleistungen (Kostenartenrechnung) in z.B. Materialkosten, Personalkosten, Betriebsmittelkosten usw. – Betriebsbereich, in dem sie anfallen (Kostenstellenrechnung) (Beschaffungs-, Produktions-, Absatz-, Finanzierungskosten usw.) Der Ablauf der betrieblichen Istkostenrechnung auf Vollkostenbasis ist in Bild 1.11.2-2 dargestellt. Folgende Arbeitsschritte sind hierzu durchzuführen: 1. Erfassung sämtlicher Kosten des betrieblichen Leistungs- und Finanzierungsprozesses in der Abrechnungsperiode nach Kostenarten. Gliederungskriterium: Systematik der Kostenarten nach branchenüblichen Kostenrahmen. 2. Aufspaltung der Gesamtkosten in Einzel- und Gemeinkosten. Verteilung der Gemeinkosten auf die Kostenstellen direkt oder über mengen-/wertmäßige Schlüsselgrößen. 3. Kostenstellenumlage der Kosten der Hilfskostenstellen auf die Hauptkostenstellen verursachungsgerecht oder gemäß einem Aufteilungsschlüssel. 4. Übernahme der Einzelkosten direkt aus der Kostenartenrechnung in die Kostenträgerrechnung sowie der bereits aufbereiteten Gemeinkosten aus den Hauptkostenstellen nach einem möglichst verursachungsgerechten Schlüssel. 5. Ermittlung der Kosten je Produkteinheit (Stückkosten) durch Division der Anzahl der in der Abrechnungsperiode erzeugten Produkte oder Verrechnungseinheiten.

DVD 514

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Bild 1.11.2-2. Schema der betrieblichen Istkostenrechnung auf Vollkostenbasis.

-2.4

Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen nach VDI 2067

Speziell für die Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen hat die VDI-Gesellschaft TGA Richtlinien für die Ermittlung des Wärmebedarfs und des Jahreswärmeverbrauchs sowie der Ermittlung des Investitionsbedarfs und der Wärmegestehungskosten für – Sammelheizungen – Fernwärmeversorgung – Wärmepumpen – Blockheizkraftwerken – Raumlufttechnische Anlagen herausgegeben. Die Berechnung der Wärmegestehungskosten bei unterschiedlichen Anlagen und verschiedenen Bedarfsfällen erfolgt gemäß diesen VDI-Richtlinien als Normalkostenrechnung auf Vollkostenbasis. Da im Sinne der innerbetrieblichen Kostenzurechnung gemäß Bild 1.11.2-2 nur ein Produkt (Raumwärme) und eine Hauptkostenstelle (Wärmeerzeugungsanlage) vorliegen, kann aus der Zusammenstellung der Kostenarten direkt eine Zuordnung zum Kostenträger ,,Raumwärme“ erfolgen. Die VDI-Richtlinie unterscheidet folgende Kostenarten: – Kapitalgebundene Kosten = > fixe Kosten der Tafel 1.11.2-1 – Verbrauchsgebundene Kosten = > variable Kosten der Tafel 1.11.2-1 – Betriebsgebundene Kosten = > ebenfalls Fixkostenblock der Tafel 1.11.2-1 – Sonstige Kosten = > Zuschlag zu den Fixkosten als Gemeinkostenzuschlag. Bei der Zurechnung der Kapitalkosten nach der betriebswirtschaftlich üblichen Vorgehensweise gemäß Bild 1.11.2-2 sind als ,,kapitalgebundene Kosten“ die Abschreibungen und die auf das Investitionsgut entfallenden Zinsen anzusetzen. Beim Vorgehen gemäß VDI 2067 werden die jährlichen Ausgaben für das Investitionsobjekt (Kapitaldienst) den kapitalgebundenen Kosten der Investition gleichgesetzt. Diese Vorgehensweise ist bei einer Normalkostenrechnung – als Näherungsverfahren – sicherlich hinnehmbar. Bei einer Istkostenrechnung führt ein solches Vorgehen zu einer unkorrekten Kostenzurechnung.

1.11.2 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

515 DVD

Die Kosten für die jährliche Instandhaltung werden in der VDI-Richtlinie als prozentualer Anteil der Investitionsausgabe ermittelt. Für die Kostenermittlung der Wärmegestehungskosten nach VDI 2067 enthalten die hierzu verfügbaren Unterlagen1) ein Berechnungsschema, dessen Benutzung bei einer konkreten Normal- oder Plankostenberechnung der Wärmegestehungskosten zu empfehlen ist. Die prinzipielle Vorgehensweise ist der VDI-Richtlinie zu entnehmen.

-3

Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsrechnung

-3.1

Aufgaben der Wirtschaftlichkeitsrechnung

Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnungen werden zur Vorbereitung oder Überprüfung von Investitionsentscheidungen eingesetzt, um Fehlinvestitionen soweit wie möglich zu vermeiden. Bei der Berechnung der Vorteilhaftigkeit lassen sich drei Problemkreise unterscheiden 1. Prüfung der Vorteilhaftigkeit einer einzelnen Investition (Wirtschaftlichkeitsproblem) 2. Wahl zwischen zwei oder mehr sich gegenseitig ausschließenden Investitionen (Wahlproblem) 3. Entscheidung, ob eine bereits realisierte Investition durch eine andere ersetzt werden soll und Frage nach dem günstigsten Ersatzzeitpunkt (Ersatzproblem) Aus der Vielzahl der verwendeten Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechnungsverfahren zeigt Bild 1.11.2-3 einen Überblick über die gebräuchlichsten Methoden. a) Charakteristik der statischen Verfahren – Kostenvergleichs-/Gewinnvergleichs-/Rentabilitätsrechnung • Nur eine Periode (in der Regel ein Jahr) wird als repräsentativ für die gesamte Lebensdauer angesehen. • Zinsen und Zinseszinsen aufgrund des zeitlichen Anfalls von Wertbewegungen werden nicht berücksichtigt. • Berücksichtigung von Durchschnittsgrößen in einer fiktiven Teilperiode – Amortisationsrechnung • Berechnung des Zeitraumes, in dem die durch die Investition ausgelösten kumulierten Erlöse gleich der Summe der Anschaffungskosten und laufenden Betriebskosten ist. • Zinsen und Zinseszinsen werden nicht berücksichtigt. Anwendung: Wahlproblem, bei Amortisationsrechnung auch Ersatzproblem. Vorteil: Einfache Verfahren, daher übersichtliche schnelle Lösungen. Nachteile: Nur anwendbar, wenn mit nahezu konstanten Werten der relevanten Einflußgrößen für die gesamte Lebensdauer des Investitionsobjekes gerechnet werden kann.

1)

VDI 2067 Blatt 1: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung 200-09. VDI 2067 Blatt 10: 1983-12: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude 1998-06. VDI 2067 Blatt 11: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Rechenverfahren zum Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude 1998-06. VDI 2067 Blatt 12: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung 2000-06. VDI 2067 Blatt 20: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energieaufwand der Nutzenübergabe bei Warmwasserheizungen 2000-08. VDI 2067 Blatt 21: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energieaufwand der Nutzenübergabe – Raumlufttechnik 2003-05. VDI 2067 Blatt 22: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energieaufwand der Nutzenübergabe bei Anlagen zur Trinkwassererwärmung.

DVD 516

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Bild 1.11.2-3. Gebräuchlichste Methoden der Wirtschaftlichkeitsrechnungsverfahren.

b) Charakteristik der dynamischen Verfahren – Traditionelle Verfahren • Als Rechengröße werden ausschließlich reine Zahlungsvorgänge (Einzahlungen und Auszahlungen) verwendet. • Die zeitliche Struktur von Wertbewegungen wird durch Abzinsung oder Aufzinsung mit einem Kalkulationszinsfluß berücksichtigt. • Preissteigerungen können in den Rechengang einbezogen werden. • Es wird eine zeitraumbezogene Berechnung über alle Teilperioden der Lebensdauer der Investition durchgeführt. – Operation-Research-Verfahren • Investitionsproblem wird nicht isoliert, sondern im Rahmen eines mathematischen Modells des Unternehmens betrachtet. • Interdependenzen mit Finanzierungsplanung, Absatz- und Produktionsplanung werden berücksichtigt. • Änderungen relevanter Parameter im Zeitverlauf können berücksichtigt werden. Anwendung: Wirtschaftlichkeitsproblem, Wahlproblem, Ersatzproblem. Vorteile: Verfahren sind universaler und mit größerer Aussageschärfe anwendbar als statische Verfahren. Nachteile: Aufwendigere Verfahren bei Berücksichtigung von Kapitalwert-, Annuitäten- und Interne-Zinsfuß-Methode. Operation-Research-Verfahren bedingen eine mathematische Modellierung des gesamten Unternehmensprozesses. Verfahren des Operation-Research werden hier nicht weiter behandelt. Es wird auf die hierzu erschienene Literatur (s. z.B. 1)) hingewiesen.

1)

Hannsmann, F.: Einführung in die Systemforschung, Methodik der modellgestützten Entscheidungsvorbereitung, 2. Auflage, München, 1985. Koch, H.: Neuere Entwicklungen in der Unternehmenstheorie, Wiesbaden, 1983. Schmidt, R.H.: Grundzüge der Investitions- und Finanzierungstheorie, Wiesbaden, 1983. Müller-Merbach, H.: Operations Research, München, 1973.

1.11.2 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

-3.2

517 DVD

Entscheidungskriterien und Randbedingungen der Wirtschaftlichkeits-/Investitionsrechenverfahren

-3.2.1 Statische Verfahren a) Kostenvergleichsrechnung Kriterium für die Bewertung sind die durchschnittlichen Kosten, die durch die Investition in einer Periode verursacht werden (Periodenkosten oder Stückkosten). K = KB + KD

P (K + R) KA – R A - + --------- ⋅ --------------------K D = --------------100 2 t K = Gesamtkosten je Periode als Durchschnittswert KB = Betriebskosten je Periode KD = Kapitaldienst je Periode KA = Investitionsausgabe P = Zinssatz R = Restwert des Investitionsgutes nach Nutzungsdauer t = Abschreibungs-/Nutzungszeitraum Anwendung: Wahlproblem und Ersatzproblem b) Gewinnvergleichsverfahren Kriterium für die Bewertung ist der durchschnittliche Periodengewinn, der durch die Investitionen verursacht wird. G=E–K G = Durchschnittsgewinn je Periode E = Durchschnittserlös je Periode K = Durchschnittskosten je Periode Anwendung: Wahlproblem und Ersatzproblem c) Rentabilitätsrechnung Kriterium für die Bewertung ist die zeitliche Durchschnittsverzinsung des eingesetzten Kapitals für eine Investition. Eine betrachtete Investition ist immer dann vorteilhaft, wenn ihre Rentabilität über einer geforderten Mindestrentabilität liegt. G R = ------ ⋅ 100% > R min KA

R = Rentabilität G = Durchschnittsgewinn je Periode KA = Durchschnittlich gebundenes Kapital Rmin = geforderte Mindestrentabilität Anwendung: Wirtschaftlichkeits-, Wahl- und Ersatzprobleme. d) Amortisationsrechnung Kriterium für Vorteilhaftigkeit einer Investition ist der Zeitraum, in dem das für eine Investition eingesetzte Kapital wiedergewonnen wird. Ki t A = -------------G+A

tA Ki G A

= = = =

Amortisationszeitpunkt Investitionskapital Durchschnittsgewinn je Periode Durchschnittliche Abschreibungen je Periode

DVD 518

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

-3.2.2 Dynamische Verfahren a) Kapitalwertmethode Kriterium für die Bewertung der Vorteilhaftigkeit der Investition ist der Kapitalwert als Summe aller mit dem Kalkulationszinsfuß auf den Investitionszeitpunkt abgezinsten Einzahlungen und Auszahlungen. Statt Einzahlungen können auch Einsparungen angesetzt werden. Der Kalkulationszinsfuß wird vom Investor bestimmt und drückt dessen Erwartungen bezüglich der Mindestverzinsung des eingesetzten Kapitals aus. T

C0 = – A0 +

∑ ( Et – At ) ⋅ (----------------t 1 + i) 1

t=1

A0 C0 Et At i t T

= = = =

Investitionsausgabe Kapitalwert Einzahlungen zum Zeitpunktt Auszahlungen zum Zeitpunkt t P - Kalkulationszinsfuß = -------100 = Periodenindex (t = 1, ... T) = letzte zu berücksichtigende Periode

1 BF = -----------------t =Abzinsungsfaktor der Periode (auch Barwertfaktor) (1 + i) In Tafel 1.11.2-3 sind die Barwertfaktoren für einen Zeitraum bis 30 Jahren und für Kalkulationszinsfüßen von 3%–15% dargestellt. b) Annuitätenmethode Kriterium der Vorteilhaftigkeit ist hier die Annuität d.h. die dem Kapitalwert einer Investition äquivalente Jahresrente. Das Annuitätenverfahren ist damit nur eine Variante der Kapitalwertmethode. T

(1 + i) ⋅ i AN = C 0 ⋅ --------------------------T (1 + i) – 1

AN = ANE – ANA AN = Annuität des Kapitalwertes C0 ANE = Annuität der Einzahlungsreihe ANA = Annuität der Auszahlungsreihe T

(1 + i) ⋅ i - = Wiedergewinnungsfaktor (Annuitätsfaktor) WF = -------------------------T (1 + i) – 1

In Tafel 1.11.2-3 sind die Wiedergewinnungsfakten für einen Zeitraum bis 30 Jahren und Kalkulationszinsfüße von 3%–15% dargestellt. Tafel 1.11.2-2 Abzinsungsfaktoren BF = 1/(1+i) t Betrachtungszeitraum Jahre 1 2 3 4 5

Zinssatz 4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

11%

12%

13%

0,962 0,925 0,889 0,855 0,822

0,952 0,907 0,864 0,823 0,784

0,943 0,890 0,840 0,792 0,747

0,935 0,873 0,816 0,763 0,713

0,926 0,857 0,794 0,735 0,681

0,917 0,842 0,772 0,708 0,650

0,909 0,826 0,751 0,683 0,621

0,901 0,812 0,731 0,659 0,593

0,893 0,797 0,712 0,636 0,567

0,885 0,783 0,693 0,613 0,543

1.11.2 Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

519 DVD

Tafel 1.11.2-2 Abzinsungsfaktoren BF = 1/(1+i) t Betrachtungszeitraum Jahre

Zinssatz 4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

11%

12%

13%

6 7 8 9 10

0,790 0,760 0,731 0,703 0,676

0,746 0,711 0,677 0,645 0,614

0,705 0,665 0,627 0,592 0,558

0,666 0,623 0,582 0,544 0,508

0,630 0,583 0,540 0,500 0,463

0,596 0,547 0,502 0,450 0,422

0,564 0,513 0,467 0,424 0,386

0,535 0,482 0,434 0,391 0,352

0,507 0,452 0,404 0,361 0,322

0,480 0,425 0,376 0,333 0,295

11 12 13 14 15

0,650 0,625 0,601 0,577 0,555

0,585 0,557 0,530 0,505 0,481

0,527 0,497 0,496 0,442 0,417

0,475 0,444 0,415 0,388 0,362

0,429 0,397 0,368 0,340 0,315

0,388 0,356 0,326 0,299 0,275

0,350 0,319 0,290 0,263 0,239

0,317 0,286 0,258 0,232 0,209

0,287 0,257 0,229 0,205 0,183

0,261 0,231 0,204 0,181 0,160

16 17 18 19 20

0,534 0,513 0,494 0,475 0,456

0,458 0,436 0,416 0,396 0,377

0,394 0,371 0,350 0,331 0,312

0,339 0,317 0,296 0,277 0,258

0,292 0,270 0,250 0,232 0,215

0,252 0,231 0,212 0,194 0,178

0,218 0,198 0,180 0,164 0,149

0,188 0,170 0,153 0,138 0,124

0,163 0,146 0,130 0,116 0,104

0,141 0,125 0,111 0,098 0,087

21 22 23 24 25

0,439 0,422 0,406 0,390 0,375

0,359 0,342 0,326 0,310 0,295

0,294 0,278 0,262 0,247 0,233

0,242 0,226 0,211 0,197 0,184

0,199 0,184 0,170 0,158 0,146

0,164 0,150 0,138 0,126 0,016

0,135 0,123 0,112 0,102 0,092

0,112 0,101 0,091 0,082 0,074

0,093 0,083 0,074 0,066 0,059

0,077 0,068 0,060 0,053 0,047

26 27 28 29 30

0,361 0,347 0,333 0,321 0,308

0,281 0,268 0,255 0,243 0,231

0,220 0,207 0,196 0,185 0,174

0,172 0,161 0,150 0,141 0,131

0,135 0,125 0,116 0,107 0,099

0,106 0,098 0,090 0,082 0,075

0,084 0,076 0,069 0,063 0,057

0,066 0,060 0,054 0,048 0,044

0,053 0,047 0,042 0,037 0,033

0,042 0,037 0,033 0,029 0,026

c) Interne-Zinsfuß-Methode Kriterium der Vorteilhaftigkeit einer Investition ist die effektive Verzinsung r (interner Zinsfuß), die die Investition erbringt. Beim internen Zinsfuß r wird der Kapitalwert aller der Investition zuzurechnenden Auszahlungen und Einzahlungen gleich 0. Die Ermittlung des internen Zinsfußes entspricht der Berechnung der Nullstelle eines Polynoms T-ten Grades und ist analytisch ab T > 3 nicht mehr lösbar. In der Praxis wird der interne Zinsfuß deshalb durch iterative Interpolation ermittelt. Eine Investition ist nach dieser Methode dann wirtschaftlich, wenn der interne Zinssatz größer oder gleich dem Kalkulationszinssatz ist. Tafel 1.11.2-3 Wiedergewinnungsfaktoren WF = (1+i) T · i/((1+i) T–1) Betrachtungszeitraum Jahre 1 2 3 4 5

Zinssatz 4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

11%

12%

13%

1,040 0,530 0,360 0,275 0,225

1,050 0,538 0,367 0,282 0,231

1,060 0,545 0,374 0,289 0,237

1,070 0,553 0,381 0,295 0,244

1,080 0,561 0,388 0,302 0,250

1,090 0,568 0,395 0,309 0,257

1,100 0,576 0,402 0,315 0,264

1,110 0,584 0,409 0,322 0,271

1,120 0,592 0,416 0,329 0,277

1,130 0,599 0,424 0,336 0,284

DVD 520

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Tafel 1.11.2-3 Wiedergewinnungsfaktoren WF = (1+i) T · i/((1+i) T–1) Betrachtungszeitraum Jahre

Zinssatz 4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

11%

12%

13%

6 7 8 9 10

0,191 0,167 0,149 0,134 0,123

0,197 0,173 0,155 0,141 0,130

0,203 0,179 0,161 0,147 0,136

0,210 0,186 0,167 0,153 0,142

0,216 0,192 0,174 0,160 0,149

0,223 0,199 0,181 0,167 0,156

0,230 0,205 0,187 0,174 0,163

0,236 0,212 0,194 0,181 0,170

0,243 0,219 0,201 0,188 0,177

0,250 0,226 0,208 0,195 0,184

11 12 13 14 15

0,114 0,107 0,100 0,095 0,090

0,120 0,113 0,106 0,101 0,096

0,127 0,119 0,113 0,108 0,103

0,133 0,126 0,120 0,114 0,110

0,140 0,133 0,127 0,121 0,117

0,147 0,140 0,134 0,128 0,124

0,154 0,147 0,141 0,136 0,131

0,161 0,154 0,148 0,143 0,139

0,168 0,161 0,156 0,151 0,147

0,176 0,169 0,163 0,159 0,155

16 17 18 19 20

0,086 0,082 0,079 0,076 0,074

0,092 0,089 0,086 0,083 0,080

0,099 0,095 0,092 0,090 0,087

0,106 0,102 0,099 0,097 0,094

0,113 0,110 0,107 0,104 0,102

0,120 0,117 0,114 0,112 0,110

0,128 0,125 0,122 0,120 0,117

0,136 0,132 0,130 0,128 0,126

0,143 0,140 0,138 0,136 0,134

0,151 0,149 0,146 0,144 0,142

21 22 23 24 25

0,071 0,069 0,067 0,066 0,064

0,078 0,076 0,074 0,072 0,071

0,085 0,083 0,081 0,080 0,078

0,092 0,090 0,089 0,087 0,086

0,100 0,098 0,096 0,095 0,094

0,108 0,106 0,104 0,103 0,102

0,116 0,114 0,113 0,111 0,110

0,124 0,122 0,121 0,120 0,119

0,132 0,131 0,130 0,128 0,127

0,141 0,139 0,138 0,137 0,136

0,063 0,061 0,060 0,059 0,058

0,070 0,068 0,067 0,066 0,065

0,077 0,076 0,075 0,074 0,073

0,085 0,083 0,082 0,081 0,081

0,093 0,091 0,090 0,090 0,089

0,101 0,100 0,099 0,098 0,097

0,109 0,108 0,107 0,107 0,106

0,118 0,117 0,116 0,116 0,115

0,127 0,126 0,125 0,125 0,124

0,136 0,135 0,134 0,134 0,133

26 27 28 29 30

-3.3

Wirtschaftlichkeitsberechnungsverfahren nach der VDI 2067 für Wärmeversorgungsanlagen

Für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit von Wärmeversorgungsanlagen hat die VDIGesellschaft TGA eine spezielle VDI-Richtlinie1) herausgegeben. Diese Richtlinie behandelt sehr ausführlich alle Aspekte der dynamischen Verfahren – Kapitalwertmethode – Annuitätsmethode – Zinsfußmethode – Amortisationsmethode Des weiteren werden Fragen der Finanzierung von Investitionen in Wärmeversorgungsanlagen diskutiert. Für die konkrete Bearbeitung von Wirtschaftlichkeitsberechnungen sind Arbeitsblätter vorgesehen, anhand derer die Zahlungsreihen entwickelt werden können. Für verschiedene Anwendungsfälle – Wohnblock – Schulgebäude – BHKW-Anlage sind Beispiele durchgerechnet.

1)

VDI 6025: Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen: 1996-11

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

521 DVD

Es wird empfohlen, bei konkreten Entscheidungen auf diese Unterlagen zurückzugreifen.

1.11.3

Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung1) Ergänzungen von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marina Schulz, Weimar

-1

Allgemeines

Die klassische Gewaltenteilung beim Bauen – Bauherr, Architekt, Fachingenieur, Ausführender – hat in den letzten Jahren eine grundlegende Veränderung erfahren. Neben den bereits fest etablierten Geschäftsfeldern des Projektsteuerers sind zunehmend Projektbeteiligte wie Generalübernehmer, Generalplaner, Facility Manager in das Geschehen eingetreten. Aus diesem Grund werden zunächst mögliche Konstellationen, Aufgabenverteilungen und Zusammenwirken von Beteiligten durch Kurzdefinitionen umrissen.

-2

Definitionen

-2.1

Bauherr2)

Der Bauherr ist der Veranlasser einer Baumaßnahme. Nach den Landesbauordnungen ist er dafür verantwortlich, dass die von ihm initiierte Baumaßnahme dem öffentlichen Baurecht entspricht. Darüber hinaus hat er für genehmigungsbedürftige Maßnahmen einen Entwurfsverfasser und einen Unternehmer zu bestellen, teilweise auch noch einen Bauleiter. In der Sprachregelung der VOB wird der Bauherr als Auftraggeber bezeichnet, wenn er die Bauleistung nicht selber ausführt. Nicht jede in der VOB als Auftraggeber bezeichnete Person oder Institution ist jedoch Bauherr, da auch ein Auftragnehmer Bauleistungen an Nachunternehmer vergeben kann und damit zum Auftraggeber des Nachunternehmers wird.

-2.2

Architekt3)

Architekt ist der Auftragnehmer in erster Linie für Objektplanungen für Gebäude, Freianlagen und raumbildende Ausbauten. Dazu gehören Neubauten, Neuanlagen, Wiederauf-, Erweiterungs-, Umbauten, Modernisierungen, raumbildende Ausbauten, Instandhaltungen und Instandsetzungen. Darüber hinaus kann zum Leistungsbild gehören oder eine Spezialisierung (→ Fachplaner) erfolgt sein für die Erarbeitung von Flächennutzungsplänen, Bebauungsplänen, landschafts- und verkehrsplanerischen Anlagen.

-2.3

Projektsteuerung4)

Die Projektsteuerung übernimmt die Funktion des Auftraggebers bei der Steuerung von Projekten mit mehreren Fachbereichen. Projektsteuerung ist die neutrale und unabhängige Wahrnehmung von Auftraggeberfunktionen in technischer, wirtschaftlicher und rechtlicher Hinsicht im Sinne § 31 HOAI3).

-2.4

Fachplaner1)

Der Fachplaner wird in direktem Vertragsverhältnis mit dem Auftraggeber zur Erbringung von Fachplanungsleistungen beauftragt, z.B. der Tragwerksplanung, der Planung

1) 2) 3) 4)

Erstbearbeitung als früherer Abschnitt 1.13 von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marina Schulz, Weimar, für die 70. Auflage. Brüssel, W.: Baubetrieb von A bis Z, 1993, Werner-Verlag, Düsseldorf. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure in der vom 1. Januar 1996 an geltenden Fassung, 2. Auflage 2002. Nr. 9 der Schriftenreihe des AHO, „Projektmanagementleistungen in der Bau- und Immobilienwirtschaft“, Januar 2004, Bundesanzeiger.

DVD 522

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

der Technischen Anlagen und der Baugrundbeurteilung. Verantwortung, Haftung und Gewährleistung der Fachplaner erstrecken sich jeweils nur auf ihren begrenzten Aufgabenbereich.

-2.5

Generalplaner1)

Bei Einschaltung eines Generalplaners liegt die gesamte Verantwortung einschließlich Haftung und Gewährleistung für alle Planungsleistungen sowie für die Überwachung der Bauausführung in einer Hand. Dem Generalplaner steht es frei, alle Planungsleistungen mit eigenen Mitarbeitern zu erfüllen. Fallweise kann er Fachplaner im Nachunternehmerverhältnis einschalten, wobei sich der Auftraggeber i.d.R. ein Mitspracherecht vorbehält.

-2.6

Generalfachplaner1)

Der Generalfachplaner entspricht einem Generalplaner, allerdings i.d.R. ohne Beauftragung mit allen Leistungsphasen der Architekten-/Objektplanung, da Architekten daneben einzelvertraglich gebunden werden.

-2.7

Fachunternehmer

Einem Fachunternehmer werden vom Auftraggeber die Bauleistungen eines Gewerbezweiges (Fach, Gewerk) übertragen. Er führt die beauftragten Teile der Leistung im Wesentlichen selbständig und eigenverantwortlich aus.

-2.8

Generalunternehmer1)

Einem Generalunternehmer werden vom Auftraggeber die Bauleistungen aller Gewerbezweige für ein Bauwerk übertragen. Dabei hat er ggf. auch Teile der Ausführungsplanung zu erbringen. In diesem Fall spricht man von einem „qualifizierten Generalunternehmer“. Er führt wesentliche Teile der Bauleistung selbst aus, z.B. die Rohbauarbeiten. Die übrigen Bauleistungen vergibt er an Nachunternehmer, die ihre Leistungen selbständig und eigenverantwortlich auch im Rahmen von Werkverträgen erfüllen.

-2.9

Generalübernehmer1)

Der Generalübernehmer unterscheidet sich vom Generalunternehmer dadurch, dass er die Ausführung der Bauleistungen aller Gewerbezweige für ein Bauwerk übernimmt, jedoch selbst keinerlei Bauleistungen im eigenen Betrieb ausführt. Generalübernehmer haben für den Auftraggeber den Nachteil, dass ihr Betriebsvermögen durch das Fehlen eines eigenen Baubetriebes meistens niedriger ist als das eines Generalunternehmers.

-2.10

Hauptunternehmer1)

Ein Rohbauunternehmer wird bei der Vergabe nach Fachlosen/Gewerken gemäß § 4 Nr. 3 VOB/A1) als Hauptunternehmer bezeichnet. Für die weiteren Teilleistungen, wie z.B.die Technischen Anlagen und den Ausbau, werden dann weitere Nebenunternehmer eingeschaltet.

-2.11

Nebenunternehmer1)

Für nachrangige Bauleistungen schließt der Auftraggeber neben dem Bauwerkvertrag mit einem Hauptunternehmer für die maßgeblichen Bauleistungen Verträge mit Nebenunternehmern ab. Zwischen Hauptunternehmer und Nebenunternehmer bestehen keine direkten Vertragsverhältnisse.

-2.12

Nachunternehmer2)

Er wird von einem Generalunter-, Generalüber- oder Totalunternehmer im Werkvertragverhältnis beauftragt. Es besteht kein direktes Vertragsverhältnis zu deren Auftraggeber.

1) 3)

VOB/A DIN 1960:2006-05. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure in der vom 1. Januar 1996 an geltenden Fassung, 2. Auflage 2002.

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

-3

Planung und Ausschreibung

-3.1

Allgemeines

523 DVD

In den meisten Fällen wird in einer sehr frühen Projektphase bereits die Art der Ausschreibung, unabhängig vom Ausschreibungsverfahren, festgelegt. Dies hat unmittelbaren Einfluss auf den Planungsablauf und die Planungsanteile der jeweiligen Auftragnehmer. Daher soll hier neben dem a) klassischen Planungsverfahren mit „konventioneller“ Leistungsbeschreibung nach HOAI b) ein gewandelter Planungsablauf mit sogenannter Funktionalausschreibung, bei den Planungsleistungen im Regelfall auf einen Generalunternehmer verlagert werden, eine Darstellung erfahren. In der VDI 6028-12) „Bewertungskriterien für die Technische Ausrüstung“ wird hier erheblich mehr Transparenz geschaffen.

-3.2

Leistungsbild nach § 73 HOAI3)

(Diese auszugsweise Darstellung ist Basis zur transparenten Abgrenzung der unterschiedlichen Ausschreibungsarten) -3.2.1 Grundlagenermittlung Klären der Aufgabenstellung der Technischen Ausrüstung insbesondere in technischen und wirtschaftlichen Grundsatzfragen. -3.2.2 Vorplanung Analyse der Grundlagen. Erarbeiten eines Planungskonzepts mit überschlägiger Auslegung der wichtigen Systeme und Anlagenteile. Aufstellen eines Funktionsschemas beziehungsweise Prinzipschaltbildes für jede Anlage Klären und Erläutern der wesentlichen fachspezifischen Zusammenhänge, Vorgänge und Bedingungen. Mitwirken bei der Kostenschätzung nach DIN 276.4) -3.2.3 Entwurfsplanung Durcharbeiten des Planungskonzepts unter Berücksichtigung aller fachspezifischen Anforderungen sowie unter Beachtung der durch die Objektplanung integrierten Fachplanungen bis zum vollständigen Entwurf. Festlegen aller Systeme und Anlagenteile. Berechnung und Bemessung sowie zeichnerische Darstellung und Anlagenbeschreibung Mitwirken bei der Kostenberechnung, bei Anlagen in Gebäuden: nach DIN 276.1) -3.2.4 Genehmigungsplanung Erarbeiten der Vorlagen für die nach den öffentlich-rechtlichen Vorschriften erforderlichen Genehmigungen oder Zustimmungen einschließlich der Anträge auf Ausnahmen und Befreiungen sowie noch notwendige Verhandlungen mit Behörden. Vervollständigen und Anpassen der Planungsunterlagen, Beschreibungen und Berechnungen.

2) 2) 3) 4) 1)

Nr. 9 der Schriftenreihe des AHO, „Projektmanagementleistungen in der Bau- und Immobilienwirtschaft“, Januar 2004, Bundesanzeiger. VDI 6028-1:2002-02 Bewertungskriterien für die Technische Ausrüstung. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure in der vom 1. Januar 1996 an geltenden Fassung, 2. Auflage 2002. DIN 276:2006-11 Kosten im Hochbau. DIN 276:2006-11 Kosten im Hochbau.

DVD 524

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

-3.2.5 Ausführungsplanung Durcharbeiten der Ergebnisse der Leistungsphasen 3 und 4 (stufenweise Erarbeitung und Darstellung der Lösung) unter Berücksichtigung aller fachspezifischen Anforderungen sowie unter Beachtung der durch die Objektplanung integrierten Fachleistungen bis zur ausführungsreifen Lösung. Zeichnerische Darstellung der Anlagen mit Dimensionen (keine Montage- und Werkstattzeichnungen). -3.2.6 Vorbereitung der Vergabe Ermitteln von Mengen als Grundlage für das Aufstellen von Leistungsverzeichnissen in Abstimmung mit Beiträgen anderer an der Planung fachlich Beteiligter. Aufstellen von Leistungsbeschreibungen mit Leistungsverzeichnissen nach Leistungsbereichen. 1) Konventionelle Leistungsbeschreibung Die Leistungsbeschreibung mit Leistungsverzeichnis (LV) ist allgemein bekannt und stellte langjährig die Regelausschreibung dar. Voraussetzung dafür ist das klassische Planungsverfahren bis zum Vorliegen der Ausführungszeichnungen und der Mengenermittlung. Der Aufbruch der einzelnen Phasen der Projektbearbeitung gemäß § 73 HOAI1) trägt dieser Sinnfälligkeit Rechnung. Die Planung ist frei von Hersteller-, Lieferanten- und Handelsinteressen. Planung und Ausschreibung sind grundsätzlich getrennt; es besteht das bewährte „Vier-Augen-Prinzip“.2) Das Leistungsverzeichnis mit eindeutiger Beschreibung aller Positionen, nach Standardleistungsbuch3) und/oder mit frei gestalteten Texten, wird vom Auftragnehmer für die Ingenieurleistungen erstellt und den potentiellen Auftragnehmern zur Kalkulation übergeben. Des weiteren enthält dieses LV im Regelfall einen Erläuterungsbericht und zusätzliche Vertragsbedingungen als Kalkulationshilfen. In Tafel 1.11.3-1 ist als Beispiel die Beschreibung einer Rohrverschraubung aufgeführt. Es handelt sich dabei um: Rohrverschraubung in Eckform, aus Stahl, Nenndruck 10 bar, flach dichtend mit Anschweißenden, Nennweite DN 8. 2) Funktionale Leistungsbeschreibung Ebenso wie die konventionelle Leistungsbeschreibung ist die Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm – in der Praxis als Funktionale Leistungsbeschreibung – in der VOB4) geregelt. Es gelten dieselben Anforderungen, insbesondere: – Die Leistung ist eindeutig und so erschöpfend zu beschreiben, dass alle Bewerber die Beschreibung im gleichen Sinn verstehen müssen und ihre Preise sicher und ohne umfangreiche Vorarbeiten berechnen können. – Dem Auftragnehmer darf kein ungewöhnliches Wagnis aufgebürdet werden. – Der Zweck der fertigen Leistung sowie die an sie gestellten technischen, wirtschaftlichen, gestalterischen und funktionsbedingten Anforderungen sind klar festzulegen; dabei dürfen aber bestimmte Erzeugnisse oder Verfahren sowie bestimmte Ursprungsorte und Bezugsquellen nur ausnahmsweise vorgeschrieben werden. – Die eingehenden Angebote müssen miteinander verglichen werden können. Die funktionale Leistungsbeschreibung ermöglicht durch den Wettbewerb verschiedener technischer Systeme und Bauverfahren, durch die verstärkte Ausnutzung der unternehmerischen Kompetenz, Einsparungen, die sich für den AG kostenmindernd auswirken. Allerdings besteht immer die Gefahr, dass bei zu groß bemessenen Spielräumen niedrigere Standards und Qualitäten in Kauf genommen werden müssen. Diese stellen zwar keine Baumängel dar, können aber zu minderer Lebensdauer und Nutzungsqualität führen.2)5)

1) 2) 3) 4)

Honorarordnung für Architekten und Ingenieure in der vom 1. Januar 1996 an geltenden Fassung, 2. Auflage 2002. Nr. 11 der Schriftenreihe des AHO, „Leistungsbilder von Anlagen der Technischen Gebäudeausrüstung...“ Oktober 2002, Bundesanzeiger. Standardleistungsbücher. Hrsg. Deutscher Normenauschuss (DNV), Beuth-Verlag. VOB/A DIN 1960:2006-05.

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

525 DVD

Tafel 1.11.3-1 Beispiel für die Beschreibung von Rohrverschraubungen im Standardleistungsbuch 040

Dem gegenüber steht aber ein Preiszuschlag von ca. 15% bis 30%, den GU’s für die Koordinierung von Nachunternehmungen und die Übernahme des Gesamtgewährleistungsrisikos einkalkulieren. Grundsätzlich haben sich zwischenzeitlich eine Reihe von Modellvarianten funktionaler Ausschreibung herauskristallisiert, die sich wie folgt untergliedern lassen:2) a) Bauvorhaben ohne Bauherrnplanung (Funktional und technisch einfache Bauvorhaben) Bauherr erbringt keinerlei Planungsleistungen, stellt lediglich eine Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm auf und benötigt nur wenig eigene Verwaltungskraft. b) Bauvorhaben mit geringer Vorplanung des Bauherrn (Funktional und technisch einfache Bauvorhaben mit höheren Anforderungen)

5) 2) 3)

entspricht 2) von S. 471 VDI 6028:2002-02 Bewertungskriterien für die Technische Ausrüstung VOB/A DIN 1960:2006-05..

DVD 526

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Bauherr erbringt die Vorentwurfsplanung im Maßstab 1:200 und erstellt eine Leistungsbeschreibung mit Leistungsprogramm; dadurch gibt der Bauherr die städtebaulich-architektonischen und funktionalen Anforderung der Bauaufgabe vor. c) Bauvorhaben mit vom Bauherrn erbrachter Genehmigungsplanung (Bauvorhaben mittleren Schwierigkeitsgrades) Bauherr erbringt Entwurfs- und Genehmigungsplanung im Maßstab 1:100 incl. Leitdetails und erstellt funktionale Ausschreibung. d) Bauvorhaben mit vom Bauherrn erbrachter Ausführungsplanung (Bauvorhaben mittleren Schwierigkeitsgrades mit höheren Anforderungen) Bauherr plant bis zur Ausführungsreife, hält sich jedoch offen gegenüber Ausführungsalternativen. e) Bauvorhaben mit parallel zur Bauausführung erfolgender Planung (Funktional und technisch schwierige und/oder städtebaulich-architektonisch anspruchsvolle, ggf. denkmalgeschützte Bauvorhaben) Bauherr plant parallel zur Bauausführung je nach Erfordernis der Bauausführung (Trennung von Planung und Bauausführung). f) Bauvorhaben, welche erst nach vollständiger Planung und Vergabe ausgeführt werden (Funktional und technisch schwierige und/oder städtebaulich-architektonisch anspruchsvolle, ggf. denkmalgeschützte Bauvorhaben mit höchsten Anforderungen) Bauherr plant bis Ausführungsreife fertig und veranstaltet zur wirtschaftlichen Erstellung und zum Betrieb des schlüsselfertigen Gebäudes einen Preis-Leistungs-Wettbewerb verschiedener Unternehmensformen durch sog. Parallelausschreibung. Dabei haben sich eigentlich die Varianten c) und d) als durchaus tragfähig erwiesen, insbesondere zur Sicherung von Qualität und Standard. Bei schwierigeren Objekten [e) und f)] entspricht das Vorgehen im Wesentlichen dem klassischen Verfahren. Ergänzungen zur Nr. 11 der Schriftenreihe der AHO1) sind in der VDI 6028-12) enthalten.

-3.3

Ausschreibungsverfahren

Grundsätzlich unterscheidet man hier nach VOB3) a) Öffentliche Ausschreibung Bekanntmachung in Tageszeitungen, amtlichen Veröffentlichungsblättern oder Fachzeitschriften; Jeder (Fach)Unternehmer kann teilnehmen. Prüfung der Leistungsfähigkeit parallel zur Angebotsauswertung nach Submission. b) Beschränkte Ausschreibung Bekanntmachung des öffentlichen Teilnahmewettbewerbes in Tageszeitungen, amtlichen Veröffentlichungsblättern oder Fachzeitschriften; Jeder (Fach)Unternehmer kann seine Teilnahme am Wettbewerb beantragen. Prüfung der Eignung und Leistungsfähigkeit führt zu beschränktem Teilnehmerkreis Qualitativ hochwertiges Verfahren. c) Freie Vergabe Zum Beispiel durch Angebotsherbeiziehung, geeignet nur für kleinere Bauvorhaben, bei Dringlichkeit und genauer Preisprüfungsmöglichkeit.

-4

Vergabe, Ausführung und Abnahme

-4.1

Allgemeines

Um eine möglichst umfassende Darstellung des kompletten Leistungsbildes nach § 73 HOAI zu erreichen, wurden auch hier die entsprechenden Abschnitte aufgenommen, obwohl das notwendigerweise nicht erforderlich ist.

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

-4.2

527 DVD

Leistungsbild nach § 73 HOAI1)

-4.2.1 Mitwirkung bei der Vergabe Prüfen und Werten der Angebote einschließlich Aufstellen eines Preisspiegels nach Teilleistungen. Mitwirken bei der Verhandlung mit Bietern und Erstellen eines Vergabevorschlages Mitwirken beim Kostenanschlag aus Einheits- oder Pauschalpreisen der Angebote nach DIN 276.2) Mitwirken bei der Kostenkontrolle durch Vergleich des Kostenanschlages mit der Kostenberechnung. Mitwirken bei der Auftragserteilung. -4.2.2 Objektüberwachung Überwachen der Ausführung des Objektes auf Übereinstimmung mit der Baugenehmigung oder Zustimmung, den Ausführungsplänen, den Leistungsbeschreibungen oder Leistungsverzeichnissen sowie mit den allgemein anerkannten Regeln der Technik und den einschlägigen Vorschriften. Mitwirken bei dem Aufstellen und Überwachen eines Zeitplanes (Balkendiagramm). Mitwirken bei dem Führen eines Bautagebuches. Mitwirken beim Aufmaß mit den ausführenden Unternehmen. Fachtechnische Abnahme der Leistungen und Feststellen der Mängel. Rechnungsprüfung.

-4.3

Vergabeunterlagen

Zusätzlich zu den im vorhergehenden Kapitel dargestellten Leistungsbeschreibungen bestehen die den Firmen zur Kalkulation übergebenen Unterlagen noch aus a) der Aufforderung zur Abgabe eines Angebotes, eventuell mit Bewerbungsbedingungen b) Allgemeine Vertragsbedingungen VOB/B3) c) Allgemeine Technische Vertragsbedingungen VOB/C4) d) etwaigen zusätzlichen Vertragsbedingungen e) etwaigen zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen. Alle Teile enthalten Hinweise, die bei der Kalkulation von Angeboten relevant sind.

-4.4

Prüfen und Werten der Angebote

Insbesondere für öffentliche Auftraggeber sind in den Vergabehandbüchern5) weiterführende bzw. detailliertere Regelungen zur VOB/A6) enthalten. Festgeschrieben sind neben der Beachtung formaler Kriterien, wie z.B. – pünktliches Einreichen der Angebote – Vollständigkeit der Angebote – Eindeutigkeit der Eintragungen auch die Kriterien für Prüfung und Bewertung – rechnerisch – fachtechnisch – wirtschaftlich.

1) 2) 3) 4) 5) 6)

Honorarordnung für Architekten und Ingenieure in der vom 1. Januar 1996 an geltenden Fassung, Bundesanzeiger. 2. Auflage 2002. DIN 276:2006-11 Kosten im Hochbau. VOB B DIN 1961:2006-10. VOB C DIN 18299:2006-10. Vergabehandbücher Bund, Länder, Kommunen. VOB/A DIN 1960:2006-05.

DVD 528

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Leider wird sehr häufig das Kriterium wirtschaftlich durch billig ersetzt, da aufgrund knapper Investitionsmittel die Betrachtung der Folge- und Nutzungskosten in den Hintergrund gedrängt wird. Die Unterlagen mit Vergabevorschlag durch den Prüfenden (im Regelfall der Fachplaner) sind so aufzubereiten, dass ein hohes Maß an Transparenz und Vergleichbarkeit (gegebenenfalls durch Bietergespräche) hergestellt wird. Insbesondere von Bedeutung, wenn Nebenangebote auch mit technischen Änderungsvorschlägen eingereicht werden.4)

-4.5

Vergabearten3)

Die Arten der Vergabe sind unmittelbar mit der Art des Ausschreibungsverfahrens verbunden und werden unterteilt a) offenes Verfahren b) nichtoffenes Verfahren c) Verhandlungsverfahren

-4.6

Vertragsinhalte1)

Unabhängig von der Vertragskonstellation sind in den Bauverträgen geregelt: a) Art und Umfang der Leistung Charakterisiert durch die übergebene Leistungsbeschreibung und weitere Kalkulationsunterlagen. b) Vergütung Einheitspreisbasis mit Abrechnung nach Aufmaß, Pauschalpreisbasis nach Kalkulation mit Planbasis, Stundenlohnsätzen auf Nachweis. c) vom AG (oder dessen Beauftragen) bereitgestellte Planunterlagen Hier unterscheidet sich im Wesentlichen die klassische zur funktionalen Leistungsbeschreibung erheblich. d) Hinweise zur Ausführung e) Fristen der Ausführung mit Regelungen zur Unterbrechung und Behinderung. f) Kündigung durch Vertragsparteien g) Haftung und Verjährung h) Vertragsstrafen i) Abnahme und Gewährleistung j) Abrechnung und Zahlung, incl. Stundenlohnarbeiten k) Zahlungsmodalitäten und Sicherheitsleistungen und nicht zuletzt l) Gerichtsstand oder Schiedsgutachterverfahren.

-4.7

Objektüberwachung

Im Rahmen der Objektüberwachung hat der im Regelfall vom Bauherrn (AG) beauftragte Architekt und Fachingenieur für die Ausführung der Bauleistungen auf Übereinstimmung mit der Planung – dem in Form von Plänen und Leistungsbeschreibungen dokumentierten Willen des Bauherrn – den Regeln der Technik und den entsprechenden gesetzlichen Grundlagen zu achten.2) Darüber hinaus hat er wie dargestellt eine Mitwirkungspflicht bei – Aufstellen und Überwachen eines Zeitplanes – Führen eines Bautagebuches – Aufmaß mit den ausführenden Unternehmen. Fachtechnische Abnahme, Feststellen der Mängel und Rechnungsprüfung gehören zum Aufgabenprofil.

1) 2)

VOB/A DIN 1960:2006-05. Honorarordnung für Architekten und Ingenieure in der vom 1. Januar 1996 an geltenden Fassung, 2. Auflage 2002.

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

529 DVD

Aufgrund der vorher dargestellten Varianten der Auftragsvergabe – Einzelvergaben bis Komplettleistung – hat sich auch das Aufgabenprofil im Rahmen der Objektüberwachung verändert. Bei Vergabe der Leistungen an einen GU insbesondere z.B. einen GU für die Technischen Gewerke hat sich das Modell – Oberleitung mit Qualitätskontrolle – sehr gut bewährt. Dabei entfallen im Regelfall die administrativen Maßnahmen und es erfolgt eine Reduktion der Kontrollfunktion auf Inhalte und Qualitäten. In der VDI 6028-11) sind dazu weiterführende Aussagen enthalten.

-4.8

Abnahmen

Nach Fertigstellung der Montage, Inbetriebnahme und Funktionsprobe meldet der Unternehmer die Abnahme seiner Leistung an. VOB/B2) § 12 regelt das Recht auf Abnahme, die Pflicht zur Abnahme, das zeitliche Prozedere. Wichtig ist dies insbesondere deshalb, weil mit der Abnahme die Gefahr auf den Auftraggeber über geht und damit eine Umkehr der Beweislast eintritt. Das Abnahmeverfahren besteht im Einzelnen aus drei wesentlichen Teilen: a) fachtechnische Abnahme Die fachtechnische Abnahme liegt im Aufgabenbereich des vom Auftraggeber beauftragten Fachingenieurs. Bestimmte Teile der Leistungen müssen bereits während der Bauphase geprüft und abgenommen werden, z.B. Druck- und Dichtigkeitsproben bei wasserführenden Netzen, die später eingebaut oder isoliert werden. Des weiteren sind ständige Zwischenprüfungen für bereits fertiggestellte Leistungsteile sinnvoll. Zur Vorbereitung der fachtechnischen Abnahme muss die Funktionsprüfung erfolgt sein, das Bedienpersonal unterwiesen und alle erforderlichen Unterlagen einschließlich der Protokolle, Prüfbescheinigungen, die von Externen wie z.B. Sachverständigen u.a. erarbeiten werden, müssen vorliegen. Für die Abnahme einer Heizungsanlage sollten in Abhängigkeit des beauftragten Leistungsumfanges nach VDI 38093) folgende Unterlagen vorliegen: Tafel 1.11.3-2 Muster für die Zusammenstellung der im Rahmen des Leistungsumfanges vorzulegenden Bescheinigungen und Unterlagen (nach VDI 3809) Unterlagen

vorhanden

nicht vor- Bemerhanden kungen

Zeichnungen 1 Bestandsunterlagen mit Angaben über Spülmöglichkeiten, Füllmöglichkeiten und Entlüftungstabellen z.B. Lageplan, Kellergeschoss 2 Verlegepläne, z.B. bei Fußbodenheizung*) 3 Strangschema, Schnitte 4 Detailpläne 5 Anlagenschema, Strangschema usw. 6 elektr. Schalt- und Regelpläne Berechnungen 7 Wärmebedarfsberechnung nach DIN 4701 8 Schornsteinauslegung nach DIN 4705 9 Rohrnetzberechnung mit Ventilauslegung

1) 2) 3)

VDI 6028-1:2002-02 Bewertungskriterien für die Technische Ausrüstung. VOB/B DIN 1961: 2006-10. VDI 3809:1994-06.

DVD 530

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Tafel 1.11.3-2 Muster für die Zusammenstellung der im Rahmen des Leistungsumfanges vorzulegenden Bescheinigungen und Unterlagen (nach VDI 3809) 10 Heizflächenauslegung 11 sonstige Berechnungsunterlagen von Anlagenteilen, z.B. Ausdehnungsgefäße Datenblätter und Beschreibungen 12 Anlagenbeschreibungen 13 Gerätebeschreibungen der Anlagenteile 14 Hinweise auf Wasserbehandlung/Entsorgung/ Nachfüllung/Neutralisation 15 Bedienungsanweisungen 16 Wartungsanweisungen 17 Beschreibung der Regelung, z.B. GLT/DDC Protokolle, Prüfbescheinigungen, Verträge 18 Protokolle über Dichtheitsprüfung nach VOB Teil C DIN 18380, 3.4**) 19 Protokoll über Erstinbetriebnahme einschl. Verbrennungsergebnisse/Brennereinstellung/ Kesseltemperatur- und Raumtemperaturverlauf/hydraulischer Abgleich 20 Unternehmerbescheinigungen 21 Überprüfungen durch Sachverständige 22 Schornsteinfegerbescheinigung 23 Wartungsvertrag 24 Energieliefervertrag 25 Liste wiederkehrender Prüfungen *) **)

Bei Fußbodenheizungen einschließlich Schnittzeichnung des Bodenaufbaus mit Wärme- und Trittschalldämmung und Angaben der Dehnungsfugen. Anlagenteile, die durch immobile Bauteile verdeckt sind, müssen geprüft sein, solange sie zugänglich sind; Gasleitungen müssen vor dem Anstrich geprüft sein.

b) behördliche Abnahme Unter der behördlichen Abnahme wird im Regelfall die baurechtliche Abnahme durch die Baugenehmigung ausreichende Behörde – Baurechtsamt – verstanden. Dabei wird die Übereinstimmung der Ausführung mit dem Baurecht überprüft. Eine Beauftragung der Baurechtsabnahme erfolgt vom Auftraggeber gemeinsam mit dem bauleitenden Architekten. c) förmliche Abnahme Eine förmliche Abnahme muss dann stattfinden, wenn eine der Vertragsparteien dies verlangt. Voraussetzung dafür ist das Vorliegen der fachtechnischen und behördlichen Abnahmen. Der Befund dieser Abnahmeverhandlung ist schriftlich niederzulegen. Etwaige Vorbehalte wegen bekannter Mängel und wegen Vertragsstrafen sind aufzunehmen, ebenso etwaige Einwendungen des Auftragnehmers. VOB/B1) § 12 enthält dazu Detailierungen.

-5

Mängelansprüche

Der Auftragnehmer schuldet durch den geschlossenen Bauvertrag – Werkvertrag – ein mängelfreies Werk. Dafür hat er Gewähr zu leisten.

1)

VOB/B DIN 1961:2006-10.

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

531 DVD

Der Werkvertrag hat eine entsprechende Regelung in §§ 631 ff des BGB1) gefunden. § 13 der VOB/B1) kann bei entsprechender vertraglicher Regelung an dessen Stelle treten, jedoch nur insoweit, als die VOB/B für den Bauvertrag eine spezielle Regelung vorsieht. Für die Mängelanspruchshaftung sind zwei Kriterien von Bedeutung: – zum einen der Verantwortungsbereich des Auftragnehmers, – zum anderen der Zeitpunkt, zu dem sich die Ordnungsgemäßheit der Leistung bestimmt. Im Rahmen der Mängelanspruchshaftung trägt der Auftragnehmer nicht schlechthin eine Einstandspflicht für die Mangelfreiheit des Werks während der Dauer der Mängelhaftung. Diese erstreckt sich nur auf solche Mängel, in denen sich die Verletzung einer Vertragspflicht niederschlägt. Dem Auftragnehmer können Mängel nur dann zugerechnet und damit seiner Verpflichtung unterstellt werden, wenn der Mangel im Verantwortungsbereich des Auftragnehmers liegt. Für diese Verpflichtung spielt es keine Rolle, ob der Mangel durch fehlerhafte Bauausführung verursacht worden oder aber auf die Verwendung von für den Auftragnehmer nicht erkennbaren minderwertigen Materialien zurückzuführen ist. Entscheidender Zeitpunkt für die Beurteilung, ob die Bauleistung mangelfrei oder mit Mängeln behaftet ist, ist die Abnahme. Der Auftragnehmer hat auch für alle die Mängel Haftung zu übernehmen, die im Laufe der für die Ansprüche geltenden Verjährungsfrist hervortreten; die Frage ist nur, ob sie ihm auch zugerechnet werden können, also auf einer Verletzung der Vertragspflicht beruhen. Grundsätzlich unterscheidet die VOB folgende Ansprüche für den Auftraggeber. Vor der Abnahme der Bauleistung kann der Auftraggeber gemäß § 4 VOB/B1) – die Entfernung von Stoffen und Bauteilen, die dem Vertrag nicht entsprechen, von der Baustelle verlangen, – die Beseitigung des Mangels verlangen, – Ersatz des durch den Mangel entstandenen Schadens verlangen, wenn der Auftragnehmer den Mangel und die Vertragswidrigkeit zu vertreten hat, – den Vertrag kündigen, wenn er dem Auftragnehmer zuvor vergeblich eine angemessene Frist zur Beseitigung des Mangels gesetzt und erklärt hat, dass er ihm nach fruchtlosem Ablauf der Frist den Auftrag entziehen werde, und die Frist auch abgelaufen ist. Nach der Abnahme der Bauleistung stehen dem Auftraggeber gemäß § 13 VOB/B1) zu: – Nachbesserung durch den Auftragnehmer, – Leistungsverweigerungsrecht hinsichtlich der Vergütung bis zur Durchführung der Nachbesserung, – Eigennachbesserung durch den Auftraggeber nach erfolgter Aufforderung zur Mängelbeseitigung und Fristsetzung sowie Kostenerstattungsanspruch nach erfolgter Eigennachbesserung, – Nachbesserung durch Drittunternehmer nach erfolgter Aufforderung zur Mängelbeseitigung und Fristsetzung sowie Kostenerstattungsanspruch nach erfolgter und abgerechneter Mängelbeseitigung, – Vorschussanspruch in Höhe der zu erwartenden Mängelbeseitigungskosten nach fruchtloser Aufforderung zur Mängelbeseitigung unter Fristsetzung, – Minderungsanspruch (Herabsetzung), wenn die Beseitigung des Mangels unmöglich ist oder sie einen unverhältnismäßig hohen Aufwand erfordern würde und sie deshalb vom Auftragnehmer verweigert wird oder wenn die Beseitigung des Mangels für den Auftraggeber unzumutbar ist, – Schadensersatzanspruch neben den übrigen Ansprüchen, wenn ein wesentlicher, die Gebrauchsfähigkeit erheblich beeinträchtigender Mangel vorliegt und dieser Mangel auf ein Verschulden des Auftragnehmers zurückzuführen ist, – Schadensersatzanspruch hinsichtlich des darüber hinausgehenden Schadens, wenn • der Mangel auf Vorsatz oder grober Fahrlässigkeit beruht, • der Mangel auf einem Verstoß gegen die anerkannten Regeln der Technik beruht, • der Mangel in dem Fehlen einer vertraglich zugesicherten Eigenschaft besteht oder

1)

Bürgerliches Gesetzbuch.

DVD 532

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

• soweit der Auftragnehmer den Schaden durch Versicherung seiner gesetzlichen Haftpflicht gedeckt hat oder hätte decken können. Die Mängelanspruchszeiten nach § 13 Nr. 4 VOB/B1) betragen, wenn keine Verjährungsfrist im Vertrag vereinbart wurde: – für Bauwerke 2 Jahre – abweichend davon für maschinelle und elektrotechnische/elektronische Anlagen 2 Jahre, wenn keine Wartung für die Dauer der Verjährungsfrist an den Auftragnehmer beauftragt ist – für Arbeiten an einem Grundstück 2 Jahre – für feuerberührte Teile von Feuerungsanlagen 2 Jahre. Die Frist beginnt mit der Abnahme der gesamten Leistung, für in sich abgeschlossene Teile mit der Teilabnahme. Der Ablauf einer Frist wird gehindert, wenn eine Hemmung oder Unterbrechung der Verjährung eintritt. Im Falle einer Hemmung tritt ein Stillstand des Fristablaufes ein, der so lange dauert, bis der Zustand, welcher die Hemmung bewirkt hat (Stundungs- und Leistungsverweigerungsrecht, Höhere Gewalt, Hemmung durch Prüfung und/oder Beseitigung des Mangels), weggefallen ist. Nach Wegfall läuft die restliche Verjährungsfrist weiter. Die Unterbrechung bewirkt, dass die bis zur Unterbrechung verstrichene Zeit nicht berücksichtigt wird und eine neue Verjährungsfrist zu laufen beginnt. Die Unterbrechung tritt in folgenden Fällen ein: – Anerkenntnis des Mängelbeseitigungsanspruches – Durch gerichtliche Geltendmachung von Mängelbeseitigungsansprüchen – Unterbrechung durch Beweissicherung – Unterbrechung durch schriftliche Mängelrüge.1)

-6

Investitionskosten

-6.1

Allgemeines

Investitionskosten (auch als Herstell- oder Gestehungskosten bezeichnet) von Anlagen der Technischen Gebäudeausrüstung werden zunächst geschätzt, im Sinne eines Kostenüberschlages. Dieser wird je nach Tiefe der Projektbearbeitung in eine Kostenberechnung überführt. In jedem Fall ermöglicht die Gliederung der Kostenermittlung nach DIN 2762) äußerste Transparenz und gute Vergleichbarkeit zu adäquaten Gebäuden. Die inhaltliche Strukturierung für die Heizungs-, Klima-, Kälte- und Regelungstechnik sei hier als Auszug dargestellt. Während für die Kostenschätzung z.B. die spezifischen Ansätze auf die Brutto-Grundfläche (m2 BGF) als „Mengen- und Bezugseinheit“ oder Ansätze auf installierte Leistung (kW) völlig ausreichend sind, müssen für tiefergreifende Kostenermittlungen weitere Grundlagen herangezogen werden.2) In den nachfolgenden Abschnitten sind als erste Orientierungshilfe daher nur überschlägige Anlagenkosten zusammengestellt.

-6.2

Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung

Die Investitionskosten für eine Heizungsanlage sind von der Art der Heizung, ihrem Umfang und vielen Faktoren abhängig. Die für ausgeführte Anlagen angegebenen Kosten schwanken daher auch in starkem Maße. Anhaltszahlen für eine überschlägige Schätzung der Kosten für Öl- und Gasheizung sind in Bild 1.11.3-1 und Bild 1.11.3-2 enthalten, Stand 1995.

1) 2) 2)

entspricht 1) von Seite 478 DIN 276: 2006-11, Kosten im Hochbau. ZBWB/TIB TGA-KO Kosten techn. Gebäudeausrüstung, Stuttgart 1998.

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

Bild 1.11.3-1. Durchschnittliche Verbrauchspreise von Einzel-Heizgeräten in Abhängigkeit von der Heizleistung.

533 DVD

Bild 1.11.3-2. Ungefähre Investitionskosten von Zentralheizungsanlagen mit Radiatoren für Wohngebäude 1998 (ohne Baukosten).

Folgende Richtpreise für Heizungen in Neubauten ohne Nebenkosten sind für Schätzungen verwendbar (bezogen auf die installierte Leistung): Elektrische Heizgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 … 35 A/kW Eiserne Öfen mit automatischer Regelung . . . . 75 … 100 A/kW Gasheizöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 … 200 A/kW Öleinzelöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 … 350 A/kW Kachelgrundöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 … 200 A/kW Elektrische Fußbodenspeicherheizung . . . . . . . . 350 … 400 A/kW Elektrische Speicheröfen mit Verdrahtung . . . . 300 … 400 A/kW Umlaufgaswasserheizung mit Heizkörpern . . . . 450 … 600 A/kW Bei Sanierung von Altbauten sind die Kosten wesentlich höher. Tafel 1.11.3-3 Auszug aus DIN 276*) Kostengruppen

Anmerkungen

420 Wärmeversorgungsanlagen 421 Wärmeerzeugungsanlagen

Brennstoffversorgung, Wärmeübergabestationen, Wärmeerzeugung auf der Grundlage von Brennstoffen oder unerschöpflichen Energiequellen einschließlich Schornsteinanschlüsse, zentrale Wassererwärmungsanlagen

422 Wärmeverteilnetze

Pumpen, Verteiler; Rohrleitungen für Raumheizflächen, raumlufttechnische Anlagen und sonstige Wärmeverbraucher

423 Raumheizflächen

Heizkörper, Flächenheizsysteme

429 Wärmeversorgungsanlagen, Sonstiges

Schornsteine, soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

430 Lufttechnische Anlagen

Anlagen mit und ohne Lüftungsfunktion

431 Lüftungsanlagen

Abluftanlagen, Zuluftanlagen, Zu- und Abluftanlagen ohne oder mit einer thermodynamischen Luftbehandlungsfunktion, mechanische Entrauchungsanlagen

432 Teilklimaanlagen

Anlagen mit zwei oder drei thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen

433 Klimaanlagen

Anlagen mit vier thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen

DVD 534

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Tafel 1.11.3-3 Auszug aus DIN 276*) Kostengruppen

Anmerkungen

434 Kälteanlagen

Kälteanlagen für lufttechnische Anlagen: Kälteerzeugungs- und Rückkühlanlagen einschließlich Pumpen, Verteiler und Rohrleitungen

439 Lufttechnische Anlagen, Sonstiges

Lüftungsdecken, Kühldecken, Abluftfenster; Installationsdoppelböden, soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

480 Gebäudeautomation

Kosten der anlagenübergreifenden Automation

481 Automationssysteme

Automationsstationen, mit Bedien- und Beobachtungseinrichtungen, GA-Funktionen, Anwendungssoftware, Lizenzen, Sensoren und Aktoren, Schnittstellen zu Feldgeräten und anderen Automatisationseinrichtungen

482 Schaltschränke

Schaltschränke zur Aufnahme von Automationssystemen (KG 481) mit Leistungs-, Steuerungsund Sicherungsbaugruppen einschließlich zugehöriger Kabel und Leitungen, Verlegesysteme soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

483 Management- und Bedieneinrichtungen

Übergeordnete Einrichtungen für Gebäudeautomation und Gebäudemanagement mit Bedienstationen, Programmiereinrichtungen, Anwendungssoftware, Lizenzen, Servern, Schnittstellen zu Automationseinrichtungen und externen Einrichtungen

484 Raumautomationssysteme

Raumautomationsstationen mit Bedien- und Anzeigeeinrichtungen, Schnittstellen zu Feldgeräten und andere Automationseinrichtungen

485 Übertragungsnetze

Netze zur Datenübertragung, soweit nicht in anderen Kostengruppen erfasst

489 Gebäudeautomation, Sonstiges *)

DIN 276:2006-11, Kosten im Hochbau.

Die zusätzlichen baulichen Nebenkosten (Maurer-, Maler-, Tischler-, Elektrikerarbeiten usw.) sind bei den einzelnen Heizungsarten sehr unterschiedlich und betragen etwa: bei Zentralheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 … 15% bei Einzelöfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 … 30% Anteil der gesamten Einrichtungskosten der Heizung an den Baukosten von Geschossbauten etwa: bei Einzelöfen mit Kohle, Öl oder Gas . . . . . . . . . . 4 … 8% bei Kachelöfen oder Warmluftkachelöfen . . . . . . . 6 … 8% bei Stockwerkheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 … 10% bei Zentralheizungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 … 12% Bei Warmwasserzentralheizungen mit Ölfeuerung sind die anteiligen Kosten etwa: Kessel mit Brenner, Tank, Regelung und sonstigem Zubehör . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≈ 55 … 35% Rohrnetz mit Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≈ 25 … 30% Heizkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≈ 30 … 35%

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung

535 DVD

Bei den Niedertemperaturheizungen mit max. Vorlauftemperaturen von ca. 55 °C sind die Kosten für Heizkörper und Kessel geringfügig höher. Kompensation durch Energieeinsparung. Im Vergleich der Heizsysteme sind die Investitionskosten für die Heizung von Ein- und Zweifamilienhäusern etwa folgende (Stand 1998, einschl. MWSt): Fernheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 A/kW Gasheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600 A/kW Ölheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 A/kW Nachtstromspeicher (Einzelofen) . . . . . . . . . . . . . . 450 A/kW Bivalente Wärmepumpe mit Gas- oder Ölkessel . 950 A/kW Bivalente Gasmotor-Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . 1350 A/kW Weitere Angaben zu Investitionskosten sind in speziellen Kapiteln enthalten, so z.B.in Abschn. 2.2.1-7.3 s. S. 634 Elektrische Speicherheizung, in Abschn. 2.2.2-4.7 s. S. 703 Kompressions-Wärmepumpen, Abschn. 2.2.2-5.2 s. S. 711 Kollektoren, Abschn. 2.2.32.6.4 s. S. 753 Wirtschaftlichkeit und Fahrweise BHKW, Abschn. 3.6.2 s. S. 1693 Kosten der Klimaanlage. Wesentlich schwieriger lassen sich die Investitionskosten für Wasser-Erwärmungssysteme fassen. Es lassen sich folgende ungefähre Ansätze machen: Dabei ist ein Einfamilienhaus mit 4 bis 5 Zimmer, Küche und Bad zugrunde gelegt. Die Preise verstehen sich einschließlich Installation der Rohrleitungen, Armaturen, Wärmedämmung usw., bei den Öl- und Gaskesseln anteilig. Sie sind natürlich großen Unterschieden unterworfen. El. Durchflußerwärmer (21 kW) . . . . . . . . . . . . . . 750 … 1250 A El. Speicher 400 l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 … 1500 A Gasbeheizter Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000 … 1250 A Gasdurchflußerwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 … 1000 A Durchflußerwärmer im Öl- oder Gaskessel . . . . . . 750 … 1000 A Speicher im Öl- oder Gaskessel . . . . . . . . . . . . . . . 1750 … 2000 A Wärmepumpenspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2000 … 2250 A Fernwärme einschließlich Übergabestation . . . . . 750 … 1250 A Bei Mehrfamilienhäusern mit zentraler Wärmeversorgung reduzieren sich die Preise wesentlich. Für Büro- und Verwaltungsgebäude sind daraus Ansätze ableitbar. Zusätzliche Angaben sind enthalten z.B. in Abschn. 2.2.2-5.3.2 s. S. 717 Warmwassererzeugung.

-6.3

Raumlufttechnik und Kälteanlagen

Bei der großen Zahl der Ausführungsmöglichkeiten von RLT-Anlagen ist es außerordentlich schwer, annähernd zutreffende Angaben über die Investitionskosten einer Anlage zu machen. Bild 1.11.3-3 gibt in Verbindung mit Tafel 1.11.3-5 annähernd zu erwartende Investitionskosten an. Die angegebenen Zahlen beziehen sich auf fertig montierte Anlagen einschließlich Luftleitungen mittlerer Ausdehnung und Kältemaschine, jedoch ohne den auf die Heizung und Kaltwasserverrohrung des Gebäudes anfallenden Anteil, der bei Klimaanlagen etwa 20 … 30% beträgt und ohne die baulichen Nebenarbeiten wie elektrische Anschlüsse, Maurer- und Verputzarbeiten usw. Wesentliche Abweichungen nach oben und unten sind durchaus möglich. Tafel 1.11.3-4 Überschlägige Kosten von Raumlufttechnischen Anlagen*) Kostengruppe 43 der DIN 276:2006-11 Kosten incl. MwSt. Gebäudeart

Verwaltungsgebäude, mittlerer Standard Verwaltungsgebäude, gehobener Standard Universitäts-Rechenzentren Hörsaalgebäude

Fläche BGF

Kosten in A/m2 BGF min

max

mittel

> 5000 >10000

18 85

43 199

33 125

bis 7500 bis 16000

135 83

357 266

247 175

DVD 536

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Tafel 1.11.3-4 Überschlägige Kosten von Raumlufttechnischen Anlagen*) Kostengruppe 43 der DIN 276:2006-11 Kosten incl. MwSt. Institute für – Natur- und Ing.-Wissenschaften – Medizin, Pharmazie – Technologie/Maschinenbau – Chemie, Biologie, Physik

– – – –

77 230 121 120

165 369 258 364

121 300 190 241

Kreiskrankenhäuser Kliniken für Suchtkranke Altenpflegeheime Rehabilitationszentren Erholungs- und Ferienheime

bis 15000 bis 2500 bis 7500 bis 12000 –

96 16 38 29 13

198 49 60 65 26

147 32 49 46 20

Grund- und Hauptschulen Gymnasien Berufliche Schulen Bildungszentren

bis 1160 – >10000 bis 25000

10 13 56 25

15 45 87 44

13 29 71 35

Kindertagesstätten, mittlerer Standard Kindertagesstätten, gehobener Standard

bis 540 bis 2300

4 13

11 33

7 21

Schulturnhallen 15 × 27 Dreifach-Sporthallen 27 × 45 Mehrzweckhallen Schwimmhallen

– – bis 3500 bis 5000

32 62 60 51

65 95 115 89

58 78 87 70

Hotels, mittlerer Standard Laborgebäude Tiefgaragen Größere Ausstellungsgebäude Bibliotheken

bis 5510 bis 10000 bis 15000 >8000 bis 40000

53 98 22 99 69

141 174 68 184 110

94 134 46 141 90

*)

Gebäudekosten, Ausg. 95, BKB Archit.-Kammer Bad.-Württbg. Preisstand 1998.

Tafel 1.11.3-5 Ungefähre Volumenströme in m3/h pro m2 Nutzfläche bei verschiedener Raumnutzung

Beispiel: Verwaltungsgebäude mit 1000 m2 Büro und 100 m2 Sitzungsraum (Versammlungsraum) mit Klimaanlage. Dazu 150 m2 Flure und Treppenhäuser sowie öffentliche Garage mit 500 m2, ausgeführt als Abluftanlage. Berechnung der Anschaffungskosten:

1.11.3 Bauherr, Architekt, Fachingenieur – Planung bis Erstellung Nutzung

Büro Sitzungsraum Garagen Flure

·

537 DVD

Fläche A m2

spez.Vol.Strom V nach Tafel 1.11.3-5 m3/h je m2

Volumenstrom· A·V

spez. Kosten nach Bild 1.11.3-3 A je m3/h

Kosten der RLT-Anlage A

1000 100 500 150

12 20 12 5

12000 2000 6000 750

11,– 17,– 4,– 10,–

132000,– 34000,– 24000,– 7500,–

Gesamtkosten für die RLT-Anlagen (ohne Heizung) Gesamtanschaffungskosten einschließlich Heizung

ca.

197500,– 258000,–

Das Verwaltungsgebäude entspricht ungefähr einer Besetzung mit 100 Mitarbeitern,so dass pro Arbeitsplatz etwa A 2000 ... 2500 für Klima- und Heizungsanlage zu investieren sind. Prozentuale Aufteilung der Kosten einer Klimaanlage in etwa: Lufttechnische Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ... 25% Luftkanäle, Gitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ... 30% Kältemaschinen, Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ... 30% Rohrleitungen, Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 ... 15% Regelung, Schalttafel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 ... 20% Weitere Hinweise zu Investitionskosten finden sich z.B. in Abschn. 3.6.2 s. S. 1693 Kosten der Klimaanlage, 3.6.4-5.6 s. S. 1766 Kosten (Krankenhäuser). Für größere Kälteanlagen kann man überschlägig als Investitionskosten ansehen: Kälteanlage, Rückkühlwerk Kalt- und Kühlwassernetz 400 A/kW ... 300 A/kW Die Investitionskosten werden neben der Anlagengröße maßgeblich auch durch die Erzeugungsart beeinflusst. In Bild 5.6.3-1 ist diese Abhängigkeit der spezifischen Kosten dargestellt.

Bild 1.11.3-3. Ungefähre Investitionskosten von zentralen Lüftungs- und Klimaanlagen je m3/h Volumenstrom, mit Wärmerückgewinnung und mit Kälteanlage, jedoch ohne Heizung und ohne bauliche Nebenarbeiten (Stand 1998).

DVD 538

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

1.11.4 -1

Technisches Gebäudemanagement1) Allgemeines

Bei den Leistungen des Gebäudemanagement werden im Allgemeinen die Leistungen für das technische, infrastrukturelle und kaufmännische Gebäudemanagement unterschieden. Nach DIN 32736 wird das Gebäudemanagement als Gesamtheit aller Leistungen zum Betreiben und Bewirtschaften von Gebäuden, einschließlich der baulichen und technischen Anlagen, auf der Grundlage ganzheitlicher Strategien definiert. Dabei beinhaltet das technische Gebäudemanagement alle Leistungen, die zum Betreiben und Bewirtschaften der baulichen und technischen Anlagen eines Gebäudes erforderlich sind. Lebensdauer, Betriebsqualität und Wirtschaftlichkeit von Heizungs- und Klimaanlagen hängen darum neben der Konstruktion und Auslegung entscheidend auch von der Qualität des technischen Gebäudemanagement ab. Grundsätzlich bestimmt werden Qualität und Lebensdauer von Heizungs- und Klimaanlagen durch – die Konzeption und Auslegung, – die Qualität bei der Errichtung, – den sachgemäßen Betrieb und – die Instandhaltung. Das technische Gebäudemanagement stellt durch einen sachgemäßen Betrieb und durch einen wirtschaftlich vertretbaren Aufwand bei der Instandhaltung sicher, dass die konstruktive Lebensdauer einer technischen Anlage, bei der vorgesehenen Betriebsqualität und Wirtschaftlichkeit, erreicht wird. Eine unbegrenzte Lebensdauer ist allerdings grundsätzlich mit keiner wirtschaftlich vertretbaren Instandhaltung erreichbar. In VDMA 24186 sind die Tätigkeiten bzw. Leistungen festgelegt, die im Rahmen der Wartung von Baugruppen und Bauelementen in technischen Anlagen und Ausrüstungen in Gebäuden durchgeführt werden sollten, um den Sollzustand zu bewahren. Hierbei ist zu beachten, dass weitergehende Maßnahmen, z.B. auf Grund von rechtlichen Bestimmungen, Normen sowie Bedienungs- bzw. Wartungsanleitungen der jeweiligen Hersteller und/oder Errichter notwendig sein können. Die Folgeteile zu VDMA 24186 beinhalten Leistungsprogramme für die Wartung an technischen Anlagen und Ausrüstungen in Gebäuden. In den Leistungsprogrammen sind die erforderlichen Wartungstätigkeiten aufgeführt. Produktbezogene Abweichungen sind im Einzelfall möglich. Die Durchführung der Wartung wird unterschieden in: – Periodisch durchzuführende Tätigkeiten, die in regelmäßigen Zeitabständen notwendig sind. An die Stelle der periodischen Wartung kann im Einzelfall eine zustandsabhängige Wartung treten, sofern dies technisch möglich und sinnvoll ist. – Bei Bedarf durchzuführende Tätigkeiten, wobei der Bedarf zur Durchführung von dem Ergebnis der jeweils vorausgegangenen periodischen Prüfung abhängig ist. Zeitabstände für periodische Tätigkeiten sind nicht festgelegt. Sie richten sich insbesondere nach: • der jeweiligen Einrichtung, den Betriebsbedingungen und dem Standort; • den herstellerspezifischen Vorgaben (Wartungs- und Betriebsanleitungen); • den rechtlichen Festlegungen; • sonstigen anlagenbezogenen Regelungen (z.B. VdS-Bestimmungen). Bei Erstellung eines detaillierten Wartungsplanes sind die Zeitintervalle entsprechend den Bedingungen des jeweiligen Einzelfalles zu ergänzen. Sollen Materialien und Stoffe vom Auftragnehmer beigestellt werden, ist dies gesondertzu vereinbaren. Eine Bezugnahme auf DIN 31051 allein ist nicht ausreichend, weil die Gewerke und Betriebsbedingungen der technischen Gebäudeausrüstung damit nicht hinreichend erfasst sind. Das technische Gebäudemanagement mit der Instandhaltung liefert einen wesentlichen Beitrag zur Funktionsfähigkeit der Anlagen. Es werden korrekte und genaue Definitionen wie z.B. in DIN EN 13306 benötigt, die den Benutzern der einschlägigen Instandhal1)

Von Dr.-Ing. Ronald Miller, Stuttgart (ausgenommen Abschn. 1.11.4-7 s. S. 547 und Abschn. 1.11.4-10 s. S. 554) für die 72. Ausgabe, hier Korrekturen.

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

539 DVD

tungsnormen ein besseres Verständnis der Instandhaltungs-Anforderungen bieten sollen. Diese Anforderungen können bei der Abfassung von Instandhaltungsverträgen von besonderer Wichtigkeit sein.

-2

Relevante Vorschriften, Normen und Richtlinien

Für den Betrieb und die Instandhaltung von Anlagen der Heizung und Klimatechnik sind zahlreiche Vorschriften, Normen und Richtlinien relevant, wobei die wichtigsten nachfolgend in ihrer derzeit aktuellen Fassung aufgeführt sind. Vorschriften (siehe auch Abschn. 6.1 s. S. 2103): – BauO Bauordnungen der Länder inkl. Gaststätten-/Gaststattenbau-Verordnungen, Geschäftshaus-/Warenhaus-/Verkaufsstätten-Verordnungen, Versammlungsstättenverordnungen und Garagenordnungen der Länder – BGV Berufgenossenschaftliche Verordnungen (früher UVV Unfallverhütungsvorschriften) z.B. BGV A3 – Elektrische Anlagen und Betriebsmittel – ArbStättV Arbeitsstättenverordnungen mit den zugehörigen Arbeitsstättenrichtlinien ASR – BlmSchV Bundesimmissionsschutzverordnung mit Technischer Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) und Technischer Anleitung zum Schutz gegen Lärm (TA Lärm) – EnEV Energieeinsparverordnung – TPrüfVO Technische Prüfverordnung der Länder – TRGS 900 Grenzwerte in der Luft am Arbeitsplatz – Luftgrenzwerte – MAK und TRK – TRGS 905 Verzeichnis krebserzeugender, erbgutverändernder oder fortpflanzungsgefährdender Stoffe – 2. Betriebskostenabrechnungsverordung Normen und Richtlinien: DIN EN 13779: 2007-09 Lüftung von Nichtwohngebäuden DIN 31051:2003-06 Grundlagen der Instandhaltung DIN 31052:1981-06 Instandhaltung; Inhalt und Aufbau von Instandhaltungsanleitungen DIN 31054:1987-09 Instandhaltung, Grundsätze zur Festlegung von Zeiten und zum Aufbau von Zeitsystemen DIN 32541:1977-05 Betreiben von Maschinen und vergleichbaren technischen Arbeitsmitteln DIN 32736:2000-08 Gebäudemanagement Begriffe und Leistungen DIN 33403-2 bis DIN 33403-5 Klima am Arbeitsplatz und in der Arbeitsumgebung (Teil 1 zurückgezogen) DIN EN 13306:2001-09 Begriffe der Instandhaltung VDI 2067:2000-09 Wirtschaftlichkeit Gebäudetechnischer Anlagen VDI 2067-1:2000-09 Grundlagen und Kostenberechnung 2000–09 VDI 2074:2000-03 Recycling in der Technischen Gebäudeausrüstung VDI 2081:2001-07 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen VDI 2890:1986-11 Planmässige Instandhaltung, Anleitung zur Erstellung von Wartungs- und Inspektionsplänen VDI 2891:2005-07 Instandhaltungskriterien bei der Beschaffung von Investitionsgütern VDI 2893:2006-05 Bildung von Kennzahlen für die Instandhaltung VDI 2895:1996-12 Organisation der Instandhaltung, Instandhaltung als Unternehmensaufgabe VDI 2896:1994-10 Instandhaltungscontrolling innerhalb der Anlagenwirtschaft VDI 2898:1996-10 DV-Einsatz in der Instandhaltung; Anforderungen und Kriterien VDI 3801:2000-06 Betreiben von Raumlufttechnischen Anlagen VDI 3807-2:1998-06 Energieverbrauchskennwerte für Gebäude, Heizenergie und Stromverbrauchskennwerte

DVD 540

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

VDI 3810:1997-06 Betreiben von heiztechnischen Anlagen VDI 3814-3:2007-06 Gebäudeautomation, Hinweise für das GebäudemanagementPlanung, Betrieb und Instandhaltung VDI 6022-1:2006-04 Hygiene-Anforderungen an raumlufttechnische Anlagen und Geräte VDI 6022-2:2007-07 Hygiene Anforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte-Messverfahren und Untersuchungen bei Hygienekontrollen und Hygieneinspektionen VDI 6025:1996-11 Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen VDMA 24186 Teil 0 Leistungsprogramm für die Wartung von technischen Anlagen und Ausrüstungen in Gebäuden 2002–09 Teil 0 Übersicht und Gliederung, Nummernsystem, Allgemeine Anwendungshinweise Teil 1 Lufttechnische Geräte und Anlagen Teil 2 Heiztechnische Geräte und Anlagen Teil 3 Kältetechnische Geräte und Anlagen zu Kühl- und Heizzwecken Teil 4 MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme Teil 5 Elektrotechnische Geräte und Anlagen Teil 6 Sanitärtechnische Geräte und Anlagen Teil 7 Brandschutztechnische Geräte und Anlagen

-3

Definitionen im technischen Gebäudemanagement

1. Instandhaltung Nach DIN EN 13306 wird die Instandhaltung als Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements während des Lebenszyklus einer Anlage (Betrachtungseinheit) zur Erhaltung des funktionsfähigen Zustandes oder der Rückführung in diesen, so dass sie die geforderte Funktion erfüllen kann, beschrieben. Sie ist als Oberbegriff für alle Leistungen, die zum Bewahren und Wiederherstellen des Sollzustandes bzw. zum Feststellen und Beurteilen des Istzustandes einer technischen Anlage erforderlich sind, definiert. Instandhaltung in Anlehnung an DIN 31051, DIN 31052, VDMA 24186 Bestandteile Wartung

Inspektion

Instandsetzung

Verbesserung

Ziele Bewahrung des Sollzustandes

Feststellung und Beurteilung des Istzustandes

Prüfen Nachstellen Auswechseln Ergänzen Schmieren Konservieren Reinigung Funktionsprüfung

Prüfen Messen Beurteilen Fehleranalyse Ableiten von Maßnahmen und Konsequenzen

Wiederherstellung des Sollzustandes

Anlagenoptimierung zur Sicherstellung der geforderten Verfügbarkeit

Einzelmaßnahmen Schadensanalyse und -dokumentation Vorbereitung Vorwegmaßnahmen Durchführung Funktionsprüfung und Abnahme Auswertung

Ausführendes Fachpersonal Bild 1.11.4-1. Leistungsinhalte der Instandhaltung.

Fehleranalyse Aufzeigen, Bewerten, Entscheiden und Durchführen von Optimierungsmöglichkeiten Funktionsprüfung und Abnahme Auswertung

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

541 DVD

Instandhaltung in Anlehnung an DIN 31051, DIN 31052, VDMA 24186 Bestandteile Fachmonteur Meister Techniker

Ingenieur Meister Techniker

Fachmonteur Meister Techniker

Ingenieur Meister Techniker

Bild 1.11.4-1. Leistungsinhalte der Instandhaltung.

2. Instandhaltungsstrategie Gewichtung und Vorgehensweise zum Erreichen von vorgegebenen Instandhaltungszielen wie z.B. Verfügbarkeit, Nutzungsdauer, optimale Instandhaltungskosten, Sicherheit und Umweltschutz. Je nach Gewichtung der Instandhaltungsziele ist die geeignete Instandhaltungsart anzuwenden. Die präventiven Instandhaltungsarten werden in festgelegten Abständen oder nach vorgegebenen Kriterien zur Verminderung der Ausfallwahrscheinlichkeit oder der Wahrscheinlichkeit einer eingeschränkten Funktion durchgeführt, während korrektive Instandhaltungsarten erst nach dem Erkennen eines Fehlers, mit dem Ziel, die Anlage wieder in einen Zustand zu bringen, in dem sie die geforderte Funktion erfüllen kann, ausgeführt werden. Bild 1.11.4-2 soll den Unterschied verdeutlichen.

Bild 1.11.4-2. Instandhaltungsstrategien nach DIN 31051.

3. Betreiben Das Betreiben beinhaltet nach DIN 32541 die Gesamtheit aller Tätigkeiten, die an Anlagen der Heizung und Klimatechnik, vom Beginn der Nutzung (Inbetriebnahme) bis zum dauerhaften Beenden der Nutzung (endgültige Ausserbetriebnahme, Verschrottung), ausgeübt werden. Die wichtigsten dieser Tätigkeiten sind: – Bedienen (Stellen, Zuführen von Betriebs- und Verbrauchsstoffen, Überwachen, Prüfen und Beheben von Störungen), – Instandhalten und – das zwischenzeitliche und endgültige Ausserbetriebnehmen. 4. Stellen Oberbegriff für das Handhaben von Stellteilen und Stelleinrichtungen hierzu gehören das Schalten und Steuern 5. Überwachung Beobachten von Betriebsvorgängen auf ordnungsgemässen und vorgesehenen Ablauf und Veranlassen geeigneter Maßnahmen bei Abweichungen.

DVD 542

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

6. Prüfung Prüfung ist ein „technischer Vorgang, der aus dem Ermitteln eines oder mehrerer Merkmale eines Produktes, eines Prozesses oder einer Dienstleistung, nach einem festgelegten Verfahren besteht“. 7. Störung und Beheben von Störungen Eine Störung ist eine im Sinne der Instandhaltung unbeabsichtigte Unterbrechung oder starke Beeinträchtigung der unter definierten Bedingungen vorgesehenen Funktion einer Anlage. Sie ist gekennzeichnet durch die Unfähigkeit der Anlage, aus beliebigem Grund, eine geforderte und vorgesehene Funktion zu erfüllen. Das Beheben von Störungen ist begrenzt auf unmittelbar ausführbare Tätigkeiten mit dem Ziel, die bestimmungsgemäße Funktion wiederherzustellen. Beheben von Störungen beinhaltet im Sinne der technischen Richtlinien alle Maßnahmen, die von der ersten augenscheinlichen Ermittlung der Ursache (grobe Fehleranalyse, die zur Entscheidung führt, ob eine Störung ohne eine Instandsetzung behoben werden kann oder nicht) über unmittelbares Schaffen von Interimslösungen (soweit diese bei der vorhandenen Anlage möglich sind) bis zum Abstellen von mechanischen Störungen oder elektrischen Unterbrechungen (soweit hierzu keine Instandsetzung erforderlich ist). Es ist weiterhin mit unmittelbar möglichen Maßnahmen dafür Sorge zu tragen, dass keine weiteren Schäden in Folge der Störung oder ihrer Behebung entstehen. Lässt sich mit diesen Maßnahmen die Unterbrechung oder Beeinträchtigung der Funktionalität dauerhaft nicht wieder herstellen, ist eine Instandsetzung der Anlage erforderlich. 8. Fehleranalyse Tätigkeiten zur Fehlererkennung, Fehlerortung und Ursachenfeststellung mit anschließender Prüfung, ob eine Verbesserung technisch machbar und wirtschaftlich vertretbar ist. Eine detaillierte Fehleranalyse ist Teil der Instandsetzung.

Bild 1.11.4-3. Flussdiagramm zur Fehleranalyse nach DIN 31051.

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

543 DVD

9. Verbrauchsmaterial Einheit oder Material, die oder das einer Anlage zugeordnet ist und nur für eine einmalige, zeitlich begrenzte Verwendung vorgesehen ist. 10. Ersatzteil Teil (Einheit) zum Ersatz einer entsprechenden Einheit, um die ursprüngliche Funktion der Anlage wiederherzustellen. Ein Teil (Einheit), das für eine ganz bestimmte Ausrüstung vorgesehen und/oder austauschbar ist, wird oft auch als Reserveteil bezeichnet. 11. Verbrauchsmaterial (Verbrauchsteil) Einheit oder Material, die oder das nicht nur einer Anlage zugeordnet und für eine einmalige Verwendung vorgesehen ist. 12. Verfügbarkeit Fähigkeit einer Anlage, zu einem gegebenen Zeitpunkt oder während eines gegebenen Zeitintervalles in einem Zustand zu sein, dass sie eine geforderte Funktion unter gegebenen Bedingungen unter der Annahme erfüllen kann, dass die erforderlichen äußeren Hilfsmittel bereitgestellt sind. 13. Abnutzungsvorrat Nach DIN 31051 der Vorrat der möglichen Funktionserfüllung unter festgelegten Bedingungen, der einer Anlage (Betrachtungseinheit) aufgrund der Herstellung, Instandsetzung oder Verbesserung gegeben ist. Die Abnutzungsgrenze ist der vereinbarte oder festgelegte Mindestwert des Abnutzungsvorrates, s. Bild 1.11.4-4

Bild 1.11.4-4. Typischer Abbau des Abnutzungsvorrates einer technischen Anlage und seine „Auffüllung“ nach einer Instandsetzung nach DIN 31051.

Der technische Zustand und damit prinzipiell auch Abnutzungsvorrat, kann aufgrund der immer vorhandenen Abnutzung der Gesamtanlage auch durch eine optimale Instandsetzung nicht beliebig oft auf ein dem Ausgangszustand nach der Herstellung entsprechendes Niveau gebracht werden. Das heißt, alle technischen Anlagen unterliegen einer inhärenten Abnutzung und haben als System eine begrenzte Lebens- und Nutzungsdauer.

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Ausschreibung, Vergabe, Steuerung und Überwachung von Dienstleistungen im technischen Gebäudemanagement

1. Allgemeines Grundsätzlich gelten für die Ausschreibung und Vergabe von Dienstleistungen im technischen Gebäudemanagement die Vorgaben der VOB und VOL. Beratende Dienstleistungen können z.B. auf der Grundlage nach den Leistungsinhalten und den Honorarsätzen der HOAI §73 erbracht werden. Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu den Bauleistungen besteht im permanten Charakter der technischen Gebäudemanagement-Dienstleistungen und der damit verbundenen Problematik, eine dem ausgeschriebenen Leistungsbild entsprechende Qualität der Dienstleistung, während und nach ihrer Erbringung zu gewährleisten. Die Kriterien und der erforderliche Aufwand für die Steuerung und die Überwachung der vom Dienstleister geschuldeten Qualität hängt entscheidend von der Art der Ausschreibung und der grundsätzlichen Zusammenarbeit von Auftraggeber und Auftragnehmer ab.

DVD 544

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

2. Betreiberkonzept Das Betreiberkonzept legt die grundsätzliche Strategie und weitergehende Details zur Nutzung eines Gebäudes und damit auch der zugehörigen technischen Anlagen fest. 3. Leistungsbeschreibungen Üblicherweise wird die angefragte Leistung im Rahmen einer Ausschreibung entwederin Form eines Leistungsverzeichnisses, einer Funktionsbeschreibung oder mit SLA’s (Service Level Agreements) beschrieben und angefragt. 4. Leistungsverzeichnis Detaillierte, tabellenartige Beschreibung aller geschuldeten Leistungsdetails unterteilt in Titel, Gewerk und Leistungsposition mit Abfrage von Menge, Intervall, Einheitspreis und Gesamtpreis. Bei einigen Leistungsverzeichnissen werden die Preise unterteilt in Lohn und Materialanteil abgefragt. 5. Leistungsbeschreibung Schriftlich fixierte Beschreibung der gewünschten und geschuldeten Dienstleistung und Dienstleistungsqualität. Im Unterschied zum Service Level Agreement sind zu jeder Leistungseinheit Mengen und Intervalle vorgegeben bzw. werden abgefragt. 6. Service Level Agreements und Key Performance Indicators (SLA und KPI) Service Level Agreements sind schriftlich fixierte Vereinbarungen über ein zu erreichendes und nachzuweisendes Dienstleistungsniveau, das sich im Allgemeinen auf die entscheidenden Ausgangsgrößen bezieht. Die geschuldete Leistung bezieht sich dabei im Allgemeinen auf die Verfügbarkeit bzw. Bereitstellung der im SLA verbeinbarten Leistungen. Alle Maßnahmen, die zum Erreichen und Einhalten des vereinbarten Service Level erforderlich sind, werden dabei in die alleinige Verantwortung des Erbringers der Dienstleistung gelegt. Hierdurch wird der Nachweis, ob die geforderte Dienstleistung korrekt erbracht wurde oder nicht, sehr vereinfacht. Ein Service Level Agreement in der Klimatechnik gibt z.B. für einen Raum eine Solltemperatur und -feuchte bei einer vorgegebenen Luftwechselrate in einem entsprechenden Toleranzbereich bei einer geforderten Verfügbarkeit vor. Der Key Performance Indicator entspräche dann der zahlenmäßig festgelegten Soll-Temperatur und/oder Feuchte mit festgelegtem Toleranzbereich und Verfügbarkeit (z.B. 22°C ± 3°C an 365 Tagen im Jahr). 7. Prüfen und Werten der Angebote Das Werten und Vergleichen von Angeboten im Dienstleistungsbereich erfolgt formal nach den gleichen Kriterien wie bei den Bauleistungen. Die Bewertung und der Vergleich der angebotenen Leistungsqualität setzt aber ein ungleich höheres Maß an Vertrauen in die Dienstleistungsqualität des Anbieters voraus. Es ist darum umso wichtiger, sich sehr intensiv von der Leistungsfähigkeit, dem Qualitätsmanagement, dem Prozess-KnowHow und-management und der Fähigkeit der Anbieter, diese Kriterien praktisch umzusetzen, zu überzeugen. Diese Kriterien sollten dann bei der Wertung und dem Vergleich der Angebote, je nach Erwartungshaltung und Anspruch an die Dienstleistung, entsprechend berücksichtigt werden. 8. Vertragsinhalte Verträge über das Betreiben und die Instandhaltung von Anlagen der Heizung und Klimatechnik im Rahmen von Facility Management- oder Gebäudemanagement-Verträgen haben typische Laufzeiten von 3 bis 5 Jahren und sind damit deutlich länger als typische Wartungsverträge, die typischerweise jährliche Kündigungsfristen haben. Mit der Übertragung der Verantwortungen für das Betreiben und die Instandhaltung an einen Dienstleister ist der Punkt der Haftung und Gewährleistung besonders zu beachten. Je nach Vertragsleistung, gesetzlichen Bestimmungen, Versicherungssituation, Branche und Nutzung der Immobilien und der darin betriebenen technischen Anlagen, bestehen sehr unterschiedliche Risiken, die zwischen Auftraggeber und Dienstleister im Detail individuell abgestimmt und entsprechend vertraglich vereinbart werden sollten. Die Vorgehensweise bei Instandsetzungen, die im Rahmen der Instandhaltung erkannt werden, sollte vertraglich geregelt werden. Es ist zu empfehlen Instandsetzungen von geringem Wert in den Vertrag mit einzuschliessen, ohne dass vorher eine gesonderte Beauftragung durch den Auftraggeber erfolgen muss. Instandsetzungsarbeiten bis zu einer vereinbarten Höhe von z.B. 150–500 A pro Einzelfall, können pauschal in den Vertrag eingeschlossen werden. Eine gesonderte Abrechnung kann nach Material- und Lohnkos-

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

545 DVD

tennachweis bis zur einer vertraglich vereinbarten Jahressumme erfolgen oder nach Angebot durch den Auftraggeber beauftragt werden. 9. Steuerung, Überwachung und Abnahme der Dienstleistung Der erforderliche Steuerungs- und Überwachungsaufwand des Auftraggebers für Vertragsleistungen des technischen Gebäudemanagements hängt maßgeblich von der Art der Leistungsbeschreibung und des Vertrages ab. Der Steuerungs- und Überwachungsaufwand für einen auf SLA’s basierenden Vertrag ist im Allgemeinen wesentlich geringer als bei einem auf Leistungspositionen basierenden Vertrag. Die Voraussetzung wird aber in beiden Fällen gleichermaßen durch ein geeignet vereinbartes Berichts- und Dokumentationswesen geschaffen. Die Abnahme der Dienstleistungen bei Vertragsbeendigung oder während der Vertragslaufzeit bedingt im Allgemeinen die gemeinsame Feststellung des Ist-Zustandes der technischen Gebäudeausrüstung.

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Betreiben von Anlagen der Heizung und Klimatechnik

1. Allgemeines Anlagen der Heizung und Klimatechnik müssen so betrieben werden, dass die Auflagen aus den gesetzlichen Vorschriften und die darin eingebundenen Richtlinien eingehalten werden. Die Beachtung und Einhaltung der relevanten Richtlinien ist für einen Betrieb nach dem „Stand der Technik“ ebenfalls erforderlich und vereinfacht die Beweisführung bei Streitigkeiten um die Qualität der Betreiberleistungen. Die wichtigsten ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind: – Innenraumklima – Sicherheit – Immission Zum sicheren und wirtschaftlichen Betreiben von Anlagen der Heizung und Klimatechnik ist heute grundsätzlich eine Anlagenautomation und für größere Gebäudekomplexe eine gewerkeübergreifende Gebäudeautomation erforderlich. Für das Betreiben von Heizung und Klimaanlagen sind technische Unterlagen erforderlich. Bei der Abnahme von errichteten Anlagen ist unbedingt darauf zu achten, dass die erforderlichen technischen Unterlagen im Leistungsumfang bei der Errichtung mit eingeschlossen werden und bei der Abnahme vollständig vorgelegt und übergeben werden. In der Betriebsphase sind die Unterlagen vom Betreiber stetig zu aktualisieren. Die wichtigsten technischen Unterlagen für das Betreiben sind: – Zusammenfassung der wichtigsten technischen Spezifikationen der Anlage – Anlagenschemata für Luft- und Wasserseite – Hydraulische Berechnungen – Elektrischer Übersichts-, Anschluss- und Stromlaufplan – Betriebs- und Wartungsanleitungen – Ausführungsplanung bzw. Werkstatt- und Montageplanung – Stücklisten, Ersatzteillisten mit Entsorgungshinweisen – Diagramme und Kennlinienfelder z.B. für Ventilatoren, Pumpen und Kühltürme – Funktionsbeschreibung mit Regeldiagrammen – Informationslisten bzw. Datenpunktliste – Abnahme- und Inbetriebnahmeprotokolle mit allen detailliert dokumentierten Einstellparametern und Messwerten Der Betreiber ist grundsätzlich für den ordnungsgemässen und sicheren Zustand der heiz- und klimatechnischen Anlagen verantwortlich, weil er die tatsächliche Sachherrschaft über die Anlagen hat und ausübt.

DVD 546

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

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Inspektion, Prüfung und Wartung an Anlagen der Heizung und Klimatechnik

1. Allgemeines Inspektions-, Prüfungs- und Wartungstätigkeiten an heiz- und klimatechnischen Geräten und Anlagen erfolgen nach den gültigen gesetzlichen Auflagen, den Errichtervorgaben bzw. nach Richtlinien wie z.B. VDMA 24186, VDI, AMEV usw. Inspektions- und Wartungstätigkeiten sind grundsätzlich nur von fachkundigem Personal von Fachunternehmen auszuführen. Für einfache Tätigkeiten wie z.B. einfache Reinigungsarbeiten oder Filterwechsel können ggf. auch Hilfskräfte eingesetzt werden, wenn diese fachlich entsprechend eingewiesen sind oder von Fachpersonal während der Arbeiten beaufsichtigt werden. Die Tätigkeiten sind im Rahmen des technischen Gebäudemanagement zu planen (siehe z.B. VDI 2890) und in entsprechenden Inspektions-, Prüfungs- und Wartungsberichten zu dokumentieren. Die Details wie, wann und welche Arbeiten und Leistungen an den jeweiligen heiztechnischen Geräten und Anlagen durchzuführen sind, entscheidet im Allgemeinen der fachlich verantwortliche Betreiber unter Berücksichtigung der Herstellerangaben. Richtlinien wie z.B. die VDMA 24186, VDI 3801 oder VDI 3810 geben an, welche Arbeiten und Leistungen entsprechend dem Stand der Technik und nach den Erfahrungen an den Geräten und Anlagen durchzuführen sind. Eine Inspektion beinhaltet die Zustands- und Funktionsprüfung und legt, falls erforderlich, notwendige Wartungs- oder Instandsetzungsmaßnahmen fest. Dabei ist – der äußere und mechanische Zustand sowie die Funktion und die technischen Daten durch Messen und Vergleich mit den vorgegebenen Soll-Werten zu prüfen und – die Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und die Leistungsfähigkeit zu beurteilen. 2. Heiztechische Geräte und Anlagen Bei heiztechnischen Geräten und Anlagen können nach VDMA 24186 Teil 2 folgende Systeme und Komponenten unterschieden werden, an denen bei der Instandhaltung, nach Erforderung oder regelmäßig, Inspektions-, Prüfungs- und Wartungarbeiten durchzuführen sind. – Wärmeerzeuger (Wasserkessel, Solarkollektoren, Wärmepumpen, Blockheizkraftwerke (BHKW)) – Feuerungseinrichtungen (einschließlich Brennwerttechnik) (Ölbrenner, Gasbrenner mit und ohne Gebläse, Brenner für Feststoffe (Holz, Hackschnitzel, Pellets, Koks, Kohle, Briketts), Brenner für Staubfeuerungen, Hell- und Dunkelstrahler) – Abgasanlagen (Abgasverbindungsstück bis zum Schacht (Schornstein) einschließlich Kompensatoren, Dehnungsausgleichstücke und Reinigungsdeckel, Schalldämpfer, Abgaswärmeübertrager, Abgasklappen, Nebenlufteinrichtungen (Zugbegrenzer), Abgasventilatoren, Abgasleitungen (Schornsteine), Entwässerer, Neutralisationseinrichtungen, Betriebsmesseinrichtungen) – Wassererwärmungsanlagen (für Trink- und Betriebswasser sowie für Heizwasser (Gegenstromapparate)) – Druckhalteeinrichtungen (Druckerhöhung, Druckminderung, Druckbehälter) – Rohrnetze (Pumpen, Absperr-, Abgleich-, Sicherheits- und Regelarmaturen, Schmutzfänger, Rohrleitungen) – Druckausgleichsgefässe – Dosieranlagen – Heizflächen (Heizkörper (Radiatoren, Plattenheizkörper, Konvektoren)) – Schaltschränke, MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme – Antriebselemente (Elektromotore, Riementriebe, Antriebskupplungen, Kettentriebe, Getriebe) – Heizraum und Brennstofflager (Heizraum, Brennstofflager) – Dokumentation und Kennzeichnung (Wartungsrelevante Unterlagen (z.B. Schemata, Herstellervorschriften), bestehende Anlagenkennzeichnung (Beschilderung, Farbkennzeichnung, Typenschild/Zulassungszeichen))

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

547 DVD

3. Raumlufttechnik Bei raumlufttechnischen Geräten und Anlagen können nach VDMA 24186 Teil 1 folgende Systeme und Komponenten unterschieden werden, an denen bei der Instandhaltung, nach Erforderung oder regelmässig, Inspektions-, Prüfungs- und Wartungarbeiten durchzuführen sind. – Luftfördereinrichtung (Ventilatoren) – Wärmeübertrager (Lufterhitzer (Luft/Flüssigkeit), Elektro-Lufterhitzer, Luftkühler (Luft/Flüssigkeit)/Entfeuchter, Verdampfer (Luft/Kältemittel), Rotations- und Kreuzstrom-Wärmeübertrager, Kühldecken) – Luftfilter (Rollbandfilter, Trockenschichtfilter, Elektrofilter, Sorptionsfilter, Schwebstofffilter, Wrasenfilter) – Luftbefeuchter (Umlaufsprüh- und Verdunstungsbefeuchter, Tropfenabscheider/ Gleichrichter, Dampfbefeuchter mit und ohne eigenen Dampferzeuger, Ultraschall-, Zerstäubungs- und Hybridbefeuchter) – Bauelemente des Luftverteilungssystems (Wetterschutzgitter und sonstige Gitter, Jalousieklappen, Kammern, Brandschutzklappen und –ventile, Luftkanäle, Luftdurchlässe, Schalldämpfer, Misch-/Entspannungskästen und Volumenstromregler, Absperr- und Abgleichelemente, Induktionsgeräte und vergleichbare Nachbehandlungsgeräte) – Maschinelle Entrauchungsanlagen (MRA) und Rauchschutz-Druckanlagen (RDA) (Ventilatoren, Luftkanäle, Jalousieklappen, Gitter und Nachströmeinrichtungen) – Wärmeabzug (WA)/Maschinelle Wärmeabzugsanlage – Rohrnetz (Pumpen, Absperr-, Abgleich- und Regelarmaturen, Schmutzfänger, Rohrleitungen und Ausdehnungsgefäße) – Schaltschränke, MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme – Antriebselemente (Elektromotore, Riementriebe, Antriebskupplungen, Getriebe) – Dokumentation und Kennzeichnung (Wartungsrelevante Unterlagen (z.B. Schemata, Herstellervorschriften), bestehende Anlagenkennzeichnung (Beschilderung, Farbkennzeichnung, Typenschild/Zulassungszeichen)) 4. Kälteanlagen Bei kältetechnischen Geräten und Anlagen können nach VDMA 24186 Teil 3 folgende Systeme und Komponenten unterschieden werden, an den bei der Instandhaltung, nach Erforderung oder regelmässig, Inspektions-, Prüfungs- und Wartungarbeiten durchzuführen sind. – Verdrängungs- und Strömungsmaschinen (Hubkolben- und Rotationsverdichter) – Wärmeaustauscher (wassergekühlte –, Verdunstungs- und luftgekühlte Verflüssiger, Verdampfer (Flüssigkeit/Kältemittel), Verdampfer (Luft/Kältemittel)) – Anlagenteile im Kältekreislauf (Rohrleitungen, Armaturen, MSR- und Sicherheitseinrichtungen, Mess- und Anzeigegeräte) – Rückkühlanlagen (Verdunstungsrückkühlanlagen (Kühltürme), Trockenrückkühlanlagen) – Luftfördereinrichtungen (Ventilatoren, Luftkanäle und Filter) – Rohrnetz (Sekundärkreislauf) (Pumpen, Absperr-, Abgleich- und Regelarmaturen, Schmutzfänger, Rohrleitungen und Ausdehnungsgefäße) – Absorber (Absorber-Wärmeaustauscher, Pumpen, Antriebselemente, AbsorberKreislauf (Lithium-Wasser)) – Elektrische Einrichtungen (Schalt- und Steuerschränke, Sicherheitseinrichtungen) – Antriebselemente (Elektromotore, Riementriebe, Antriebskupplungen, Getriebe) – Dokumentation und Kennzeichnung (wartungsrelevante Unterlagen (z.B. Schemata, Herstellervorschriften), bestehende Anlagenkennzeichnung (Beschilderung, Farbkennzeichnung, Typenschild/Zulassungszeichen))

-7

Prüfpflicht an Anlagen der Heizungs, Kälte- und Klimatechnik1) Ergänzungen von Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Markus Schmitz, Essen, und Dipl.-Ing. Thomas Altmüller, Oberhausen.

DVD 548

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

-7.1

Pflichten für Bauherren bzw. Anlagenbetreiber

Technische Anlagen und Einrichtungen sowie deren brandschutztechnische Maßnahmen müssen regelmäßig auf Wirksamkeit und Betriebssicherheit geprüft werden. Bauherren bzw. Betreiber der Anlagen haben die bei einer Prüfung festgestellten Mängel, welche eine konkrete Gefahr für die Sicherheit darstellen, unverzüglich zu beseitigen. Alle weiteren festgestellten Mängel sind mit einer angemessenen Frist zu beseitigen. Die Prüfung erfolgt durch Sachkundige oder Sachverständige auf Kosten der Bauherren oder Betreiber. -7.1.1 Sachverständige (anerkannt nach Baurecht des Bundeslandes) Sachverständige sind Ingenieure entsprechender Fachrichtung, die aufgrund ihrer fachlichen Ausbildung, Kenntnisse, Erfahrungen und Tätigkeiten, die ihnen übertragenen Prüfungen sachgerecht durchführen und mögliche Gefahren erkennen und beurteilen können. Sie müssen neben den persönlichen Voraussetzungen auch über die zur Prüftätigkeit notwendigen Prüfgeräte, Hilfsmittel und Einrichtungen verfügen. Zum Nachweis der erforderlichen Kenntnisse wird von der zuständigen Bauaufsichtsbehörde ein Fachgutachten eingeholt. -7.1.2 Sachkundige Sachkundige sind Personen, die aufgrund ihrer fachlichen Ausbildung, Kenntnisse, Erfahrungen und Tätigkeiten, die ihnen übertragenen Prüfungen sachgerecht durchführen und mögliche Gefahren erkennen und beurteilen können (z.B. Ingenieure entsprechender Fachrichtung, Personen mit abgeschlossener handwerklicher Ausbildung).

-7.2

Lüftungsanlagen

Ein Arbeitgeber hat nach der Betriebssicherheitsverordnung vom 27.09.2002 Art, Umfang und Fristen der erforderlichen Prüfungen von Arbeitsmitteln zu ermitteln und festzulegen. In der neuen Arbeitsstättenverordnung (12.08.2004) ist eine Prüfpflicht von raumlufttechnischen Anlagen nicht mehr beschrieben (früher § 53). Jedoch gelten weiterhin die Arbeitsstättenrichtlinien (Oktober 1979) der ArbeitsstättenVO. Nach ASR 5 sind weiterhin Prüfintervalle von maximal 2 Jahren vorgeschrieben. In den Bauordnungen der Länder ist die Prüfung von raumlufttechnischen Anlagen und Einrichtungen für bestimmte Gebäude gesondert geregelt. So sind z.B. in Nordrhein-Westfalen die Prüfungen von technischen Anlagen und Einrichtungen und deren brandschutztechnischen Maßnahmen in der Technischen Prüfverordnung vom 09.05. 2000 festgelegt. Diese Verordnung gilt für Prüfungen in: – Verkaufsstätten im Sinne der VerkaufsstättenVO vom 22.01. 1969, zuletzt geändert durch Verordnung vom 08.09. 2000 (>2000 m2) – Gast- und Versammlungsstätten im Sinne der Versammlungs- und BeherbergungsstättenVO vom 20.09. 2002 – Krankenhäusern im Sinne der KrankenhausbauVO vom 21.02. 1978, geändert durch Verordnung vom 05.12. 1995 – Hochhäusern im Sinne HochhausVO vom 11.06. 1986, geändert durch Verordnung vom 05.12. 1995 (>22 m) – Mittel- und Großgaragen im Sinne des §2 Abs. 1 der GaragenVO vom 02.11. 1990, geändert durch Verordnung vom 05.12. 1995 (>100 m2) – Heimen, im Sinne des §1 Abs. 1 des Heimgesetzes vom 23.04. 1990, geändert durch Gesetz vom 26.05. 1994 – allgemein- und berufsbildene Schulen – Hallenbauten für gewerbliche und industrielle Betriebe (>2000 m2/Geschoss) – Messebauten, Abfertigungsgebäuden von Flughäfen und Bahnhöfen (>2000 m2/Geschoss) – und in Gebäuden auf Anordnung der zuständigen Bauaufsichtsbehörde

1)

Von Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Markus Schmitz, Essen, und Dipl.-Ing. Thomas Altmüller, Oberhausen, für die 72. Auflage.

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

549 DVD

Die Prüfungen von lüftungstechnischen Anlagen in den Gebäuden nach Technischer Prüfverordnung sind erstmalig vor Inbetriebnahme, nach wesentlichen Änderungen und wiederkehrend mit einer Prüffrist von 3 Jahren bzw. in geschlossenen Mittel- und Großgaragen mit einer Prüffrist von 2 Jahren durch einen staatlich anerkannten Sachverständigen durchzuführen. Für Lüftungsanlagen, die durch feuerwiderstandsfähige Decken oder Wände, ausgenommen solche in Gebäuden geringer Höhe, oder durch Gebäudetrennwände geführt werden, muß in NRW, aber auch in vielen anderen Bundesländern, mit dem Bauantrag ein Lüftungsgesuch (schematische Darstellungen, Beschreibungen der Lüftungsanlagen etc.) gestellt werden. Oft fordert die zuständige Bauaufsichtsbehörde dieses Lüftungsgesuch von einem baurechtlich anerkannten Sachverständigen prüfen zu lassen. Ferner muß in einem Gutachten geprüft werden, ob die Bedingungen für eine natürliche Lüftung von Tiefgaragen eingehalten werden. Die Durchführung dieser Prüfungen und Gutachten erfolgt ebenfalls durch anerkannte Sachverständige nach Baurecht (in NRW staatliche anerkannte Sachverständige). Die Prüfungen von natürlich wirkenden und maschinellen Rauchabzugsanlagen sowie Überdruckanlagen zur Rauchfreihaltung von Rettungswegen in den Gebäuden nach Technischer Prüfverordnung sind erstmalig vor Inbetriebnahme und nach wesentlichen Änderungen durch einen staatlich anerkannten Sachverständigen und wiederkehrend mit einer Prüffrist von 3 Jahren durch einen Sachkundigen durchzuführen. In den meisten anderen Bundesländern ist die Prüfung in bestimmten Gebäuden ähnlich geregelt, wobei die Arten der Gebäude und die Prüffristen variieren können. In Bayern ist dies in der Sicherheitsanlagen-Prüfverordnung, in Sachsen und Sachsen-Anhalt in der Technischen Prüfverordnung, in Brandenburg in der Technische Anlagen-Prüfverordnung, in Hamburg in der Haustechnische Überwachungsverordnung, in Thüringen, Hessen und Rheinland-Pfalz in der Hausprüfverordnung, in Mecklenburg-Vorpommern in der Anlagenprüfverordnung und in Schleswig-Holstein in der Prüfverordnung festgelegt. Die Prüfung von raumlufttechnischen Anlagen und deren brandschutztechnischen Maßnahmen in Gebäuden enthält folgende Punkte, die in einem Prüfbericht festgehalten werden müssen: – Sichtprüfung des Zustandes der Bauteile (Ventilatoren, Wärmetauscher, Gerätekammern, Filter, etc.) – Funktionsprüfung Ventilatoren, Klappensteuerung, Reparaturschalter, Strömungsüberwachung, Filterüberwachung, Frostschutz, Rauchmelder, Steuer- und Regeltechnik einschließlich der Betriebs- und Störanzeigen – Messung des für den jeweiligen Nutzbereich bauordnungsrechtlich vorgeschriebenen Volumenstromes – Prüfung der Lüftungsleitungen bzgl. Ausführung der vorgeschriebenen Feuerwiderstandsdauer – Prüfung von Brandschutzklappen und Rauchschutzklappen auf Einbau und Funktion gemäß Verwendbarkeitsnachweis (Zulassungsbescheid) der Klappen – Kontrolle der nach Verwendbarkeitsnachweis vorgeschriebenen Wartung der Brandschutzklappen und Rauchschutzklappen – Prüfung auf Übereinstimmung der getroffenen brandschutztechnischen Maßnahmen mit den aus dem Brandschutzkonzept geforderten brandschutztechnischen Maßnahmen – Prüfung der Außenluft- und Fortluftöffnungen auf Einhaltung der brandschutztechnischen, hygienischen und schallschutztechnischen Anforderungen – Prüfung der Druckverhältnisse, Luftführung, Luftgeschwindigkeiten und Wirksamkeit der Zu- und Abluftöffnungen im Nutzbereich und Messung der Temperatur im Nutzbereich.

-7.3

Heizungsanlagen

Die Prüfpflicht von Warmwasserheizungsanlagen ergibt sich aus der DIN EN 12828:2003-12 „Heizungssysteme in Gebäuden“. Vor der erstmaligen Inbetriebnahme ist die Wärmeerzeugungsanlage auf den ordnungsgemäßen Zustand der Wärmeerzeuger und der Beheizung sowie der sicherheitstechni-

DVD 550

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

schen Ausrüstung auf Übereinstimmung mit den Anforderungen der gültigen Normen zu prüfen. Diese Prüfung erfolgt bei Warmwassererzeugungsanlagen durch Sachkundige der Erstellerfirma oder falls gefordert oder gewünscht, durch Sachverständige nach § 24 c, Absatz 1 der Gewerbeordnung. Im Rahmen der ersten Inbetriebnahme hat der Sachkundige die ordnungsgemäße Funktion der gesamten sicherheitstechnischen Ausrüstung zu prüfen und in einem Prüfbericht festzuhalten : – Sichtprüfung des Zustandes und der Anordnung der sicherheitstechnischen Bau-teile (Ausdehnungsleitung- und -gefäße, Fülleinrichtung, Temperaturregeleinrichtung, Sicherheitstemperaturwächter bzw. Sicherheitstemperaturbegrenzer, Sicherheitsventile, Sicherheitsdruckbegrenzer, Wassermangelsicherung, Anzeigeeinrichtungen, etc.) – Funktionsprüfung der Temperaturregeleinrichtung – Funktionsprüfung des Sicherheitstemperaturwächters bzw. Sicherheitstemperaturbegrenzers – Funktionsprüfung der Sicherheitsventile – Funktionsprüfung der Sicherheitsdruckbegrenzer (min./max.) – Funktionsprüfung der Wassermangelsicherung – Funktionsprüfung der Flammenüberwachung, des Gasmangelsicherung, des Gasnothahns, des Gasdruckwächters und des Verbrennungsluftwächters – Funktionsprüfung des Not-Aus-Tasters – Prüfung des Aufstellortes bzgl. ausreichender Be- und Entlüftung – Prüfung der Funktion und Lage der Notausgangstüren.

-7.4

Kälteanlagen

Die Prüfpflicht von Kälteanlagen ergibt sich aus der Unfallverhütungsvorschrift VBG 20 (vom 01.04.1987 in der Fassung vom 01.10.1997) „Kälteanlagen, Wärmepumpen und Kühleinrichtungen“.1) Dabei hat der Betreiber dafür zu sorgen, dass Kälteanlagen und Kühleinrichtungen vor ihrer Inbetriebnahme durch einen Sachkundigen einer Dichtigkeitsprüfung unterzogen und auf ihren ordnungsgemäßen Zustand geprüft werden. Das Ergebnis dieser Prüfung ist von einem Sachkundigen zu bescheinigen. Diese Prüfungen sind auch dann erforderlich, wenn Kälteanlagen oder Kühleinrichtungen geändert worden sind, oder wenn sie länger als 2 Jahre außer Betrieb waren. Ferner sind flexible Kälteleitungen, die aktiv bewegt werden, mindestens alle 6 Monate von einem Sachkundigen auf Dichtheit prüfen zu lassen (nicht bei Leitungen mit Kältemittel der Gruppe 1 mit Füllgewicht der Anlage bis 10 kg). Eine wiederkehrende Prüfung ist nur nach Überholung bzw. Änderungen erforderlich. Die Prüfung der Kälteanlage setzt sich wie folgt zusammen: – Sichtprüfung des Zustandes und der Anordnung der sicherheitstechnischen Bau-teile (Ausdehnungsleitung und -gefäße, Fülleinrichtung, Temperaturregeleinrichtung, Sicherheitstemperaturbegrenzer, Sicherheitsdruckbegrenzer, Anzeigeeinrichtungen, etc.) – Funktionsprüfung der Temperaturregeleinrichtung – Funktionsprüfung des Strömungswächters Kühlwasser und Kaltwasser – Funktionsprüfung des Sicherheitstemperaturbegrenzers – Funktionsprüfung der Sicherheitsdruckbegrenzers – Funktionsprüfung der Flammenüberwachung, der Gasmangelsicherung, des Gasnothahns, des Gasdruckwächters und des Verbrennungsluftwächters – Funktionsprüfung des Not-Aus-Tasters – Prüfung des Aufstellungsortes bzgl. ausreichender Be- und Entlüftung – Prüfung der Funktion und Lage der Notausgangstüren – Funktionsprüfung der Kältemitteldetektoren der Gaswarnanlage.

1)

Heute BGV D4

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

-8

551 DVD

Instandsetzung

Die Instandsetzung oder allgemein auch als Reparatur bezeichnet, beinhaltet Maßnahmen zur Rückführung einer Anlage in den bestimmungsgemäßen, funktionsfähigen Zustand, mit Ausnahme von Modernisierungen, Optimierungen und Verbesserungen. Eine Instandsetzung beinhaltet je nach Erfordernis Maßnahmen wie: – Auftrag, Auftragsdokumentation, Analyse des Instandsetzungsbedarfes, Angebotskalkulation und Angebot. Zur Analyse des Instandsetzungsbedarfs ist oft eine detaillierte Fehleranalyse erforderlich. – Vorbereitung der Durchführung, Terminplanung, Abstimmung, Bereitstellung von Personal, Mitteln und Material, Erstellung von Arbeitsplänen – Vorwegmaßnahmen wie Arbeitsplatzausrüstung, Schutz- und Sicherheitseinrichtungen usw. – Überprüfung der Vorbereitung und der Vorwegmaßnahmen einschließlich der Freigabe zur Durchführung – Durchführung der Instandsetzung – Funktionsprüfung, Fertigmeldung und Abnahme – Auswertung einschließlich Dokumentation, Kostenaufschreibung, Aufzeigen der Möglichkeit von Verbesserungen.

-9

Informationsmanagement

Für den Leistungsnachweis, die stetige Bewertung des technischen Anlagenzustandes zur Optimierung und zur betriebswirtschaftlichen Entscheidung über den geeigneten Zeitpunkt für Instandssetzungsmaßnahmen sowie für das Energiemanagement ist im technischen Gebäudemanagement ein entsprechendes Berichts- und Dokumentationswesen erforderlich. Nach den Empfehlungen der VDI 3801 besteht das Berichtswesen aus – Objektlisten mit Angaben von Bauteilen und Geräten, Anzahl, Fabrikat, Typ und Standort der Anlage sowie der Erfassung der Tätigkeiten und der Ausführungsperiode, – Ersatzteillisten (anlagenbezogen) mit Angaben zu den wesentlichen Ersatz- und Verbrauchsteilen wie z.B. Keilriemen und Filter, – Wartungsberichten mit Angaben zu den ausgeführten Tätigkeiten, dem eingestzten Material, den Mängeln, Mess- und Prüfergebnissen und Hinweisen zu ggf. erforderlichen Instandsetzungen, – Inspektionsberichten mit Angaben zu den ausgeführten Tätigkeiten, Mängeln, Hinweisen zur Instandsetzung, Mess- und Prüfergebnissen, Beurteilung von Zustand und Funktion sowie Sicherheit und Wirtschaftlichkeit des Betriebes, – Instandsetzungsberichten mit Angaben zu den ausgeführten Tätigkeiten, Materialeinsatz und Messergebnissen. Instandhaltungsdaten und -berichte des technischen Gebäudemanagement werden mit anderen Betriebsparametern heutzutage elektronisch mit CAFM-System verarbeitet und archiviert. Folgende Beispiele für Wartungs- und Inspektionslisten zeigen beispielhaft typischer Weise für ein Berichts- und Dokumentationswesen erhobene Daten. Die 4 Beispiele unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Darstellung der Häufigkeit. Bei den Beispielen 1 und 2 wird die Häufigkeit in der zutreffenden Spalte angekreuzt bzw. eingetragen, bei Beispiel 3 steht sie für jede Seite einheitlich im Tabellenkopf. Dieses Beispiel ist für eine Gliederung der Wartungs- bzw. Inspektionsliste nach Häufigkeit vorgesehen. In Beispiel 4 wird bei der Häufigkeit zwischen Einsatzklassen unterschieden. Zusätzlich ist eine Spalte „Ausführender“ vorgesehen, in der in Sonderfällen dessen erforderliche Qualifikation angegeben wird. Hinweis: Die in den Beispiellisten gemachten Angaben dienen nur der Veranschaulichung.

DVD 552

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Beispiel 1 Hersteller Lfd. Nr.

Wartungsliste/Inspektionsliste

Auszuführende Arbeiten

1

E-Motor

1.1

Lagertemperatur prüfen

1.2

Zustand der Kohlebürsten prüfen

2

Getriebe

2.1

Ölstand prüfen

2.2

Öl wechseln

1)

Erzeugnis Liste Nr.

Mess- und Prüfgröße Häufigkeit Bemerkungen Betriebs- und Hilfsm 3m 6m a stoffe

60 °C max.

x x

x Schmieröl DIN 51517 – C 100

2)

x

3)

4)

5)

Beispiel 2 Hersteller Lfd. Nr.

Wartungsliste/Inspektionsliste

Auszuführende Arbeiten

1

E-Motor

1.1

Lagertemperatur prüfen

1.2

Zustand der Kohlebürsten prüfen

2

Getriebe

2.1

Ölstand prüfen

2.2

Öl wechseln

1)

2)

Mess- und Prüfgröße Betriebsund Hilfsstoffe

60 °C max.

Erzeugnis Liste Nr.

Häufigkeit

Bemerkungen

3m 6m

m Schmieröl DIN 51517 – C 100

a

3)

4)

5)

Beispiel 3 Hersteller Lfd. Nr. 1

Auszuführende Arbeiten Feuerlöschanlage

Wartungsliste/Inspektionsliste Häufigkeit: Jährlich 4) Mess- und Prüfgröße Betriebs- und Hilfsstoffe

Erzeugnis Liste Nr. Bemerkungen

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement Hersteller Lfd. Nr. 1.1

553 DVD

Wartungsliste/Inspektionsliste Häufigkeit: Jährlich 4)

Auszuführende Arbeiten

Erzeugnis Liste Nr.

Mess- und Prüfgröße Betriebs- und Hilfsstoffe

Bemerkungen

3)

5)

Zustand Löschmittelbehälter prüfen

2

Bremsanlage

2.1

Zustand Bremsbeläge prüfen

2.2

Bremsölfilter reinigen

1)

2)

Beispiel 4 Hersteller Lfd. Nr.

Wartungsliste/Inspektionsliste

Auszuführende Arbeiten

Erzeugnis Liste Nr.

Mess- und Prüfgröße Häufigkeit AusBetriebsEinsatzfühund Hilfsstoffe klasse render A

B

C

1

Antrieb

1.1

Motor: Laufruhe prüfen

2m m 2w

Temperatur prüfen

2m m 2w

Sauberkeit prüfen 1)

2)

a 3)

a 4)

Bemerkungen

a 6)

5)

Hinweise: 1) Bezifferung nach DIN 1421-1 (siehe Beispiel) 2) Wartungs- bzw. Inspektionsarbeiten entsprechend dem gewählten Gliederungsschema angeben. 3) Bei Betriebs- und Hilfsstoffen firmenneutrale Bezeichnungen, z.B. nach DIN, SAE usw. angeben. 4) Unter Häufigkeiten können Zeitintervalle (stündlich, täglich, wöchentlich usw.), Betriebsstunden, Einschalthäufigkeiten u.ä. verstanden werden. Werden zur Angabe von Häufigkeiten Abkürzungen verwendet, so sind diese zu erläutern, wie z.B.: h = stündlich w = wöchentlich a = jährlich d = täglich m = monatlich Solche Häufigkeiten werden durch vorangestellte Zahlen gekennzeichnet, z.B.: 6 m = alle 6 Monate Spalte Einsatzklasse: Einsatzklassen können unterschieden werden, wenn die Häufigkeit der Wartungsarbeiten oder Inspektionsarbeiten z.B. von der Einsatzdauer abhängig gemacht wird. Einsatzklasse A: gelegentliche Benutzung bei langen Ruhezeiten Einsatzklasse B: regelmäßige Benutzung bei unterbrochenem Betrieb Einsatzklasse C: regelmäßige Benutzung im Dauerbetrieb Hier können folgende Angaben erscheinen:

DVD 554

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

• Sonderwerkzeuge, Meß- und Prüfgeräte, Anschlagmittel, Hilfsmittel, Vorrichtungen • Prüfung bei einem bestimmten Betriebszustand • Verweis auf ergänzende Instandhaltungsunterlagen • Hinweis auf besondere Gefahren • Sicherheitseinrichtungen und -maßnahmen, persönliche Schutzausrüstung • notwendige Zusammenarbeit mit Sachkundigen Falls erforderlich, ist die Qualifikation zu nennen, die ein Ausführender erfüllen muss. Die gewählten Abkürzungen sind zu erläutern. Darüber hinaus sind in der VDMA 24186 1) die Leistungsprogramme für die Wartung spezieller technischer Ausrüstungen zusammengestellt. VDMA 24186 Leistungsprogramm für die Wartung von lufttechnischen und anderen technischen Ausrüstungen in Gebäuden Teil 0 Übersicht und Gliederung, Nummernsystem, Allgemeine Anwendungshinweise Teil 1 Lufttechnische Geräte und Anlagen Teil 2 Heiztechnische Anlagen Teil 3 Kältetechnische Anlagen Teil 4 MSR-Einrichtungen und Gebäudeautomationssysteme Diese VDMA-Einheitsblätter empfehlen Leistungsaufgliederungen und Kontrollzyklen, die im Regelfall als Basis zur Erarbeitung eines Wartungsvertrages dienen. Weitere Grundlagen bieten AMEV sowie Herstellerangaben.

-10

Nutzungskosten Ergänzungen von Univ.-Prof. Dr.-Ing Marina Schulz, Weimar

-10.1

Allgemeines

Die wesentlichen Grundzüge und Berechnungsverfahren sind im Kapitel 1.11-2 s. S. 511 „Grundlagen der Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung“ enthalten. Aus diesem Grund sollen in diesem Abschnitt nur ergänzende fachbezogene Hinweise zur überschlägigen Ermittlung dargestellt werden. Nach VDI 20671) werden unterschieden: a) kapitalgebundene Kosten (Kapitalkosten) für Amortisation und Verzinsung des Kapitals, einschließlich Instandhaltung und Erneuerung b) verbrauchsgebundene Kosten (Energiekosten) für Brennstoffe, Hilfsenergie, Wasser, Betriebsstoffe u.a; c) betriebsgebundene Kosten (Betriebskosten) für Reinigung u.ä., Bedienung mit Wartung und Inspektion d) sonstige Kosten für Steuern, Versicherungen u.ä. Anmerkung: In den nachfolgenden Kapiteln sei auch mit Rücksicht auf die Quellen auf die konsequente sprachliche Trennung, insbesondere da die Darstellung der Berechnungsverfahren gleichermaßen für die – Vorausberechnung von Kosten auf den jeweiligen Bedarfgrößen wie auch für die – Feststellung der tatsächlichen Kosten anhand der jeweiligen Verbrauchsgrößen gilt, verzichtet.

1)

VDI 2067-1:2000-09 Grundlagen und Kostenberechnung. VDI 6025:1996-11 Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen.

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

-10.2

555 DVD

Heizungsanlagen und Warmwasserbereitung

-10.2.1 Kapitalkosten Vgl. Kapitel 1.11-2 s. S. 511 und VDI 20671) (s. Tafel 1.11.4-1). Tafel 1.11.4-1 Nutzungsdauer von Anlagenteilen der Raumheizung Gusseiserne Gliederkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gussradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlradiatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezialkessel für Gas oder Öl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrodenkessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umlaufgaswasserheizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gaskessel ohne Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasbrenner ohne Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gas- und Ölbrenner mit Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . Rohrpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Membran-Ausdehnungsgefäße . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrleitungen für Warmwasser-Heizung . . . . . . . . . Kondensatleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahltanks, doppelwandig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schornstein im Gebäude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20 Jahre 15 Jahre 30 Jahre 20 Jahre 20 Jahre 25 Jahre 18 Jahre 20 Jahre 20 Jahre 12 Jahre 10 Jahre 15 Jahre 40 Jahre 8 Jahre 15 Jahre 50 Jahre

-10.2.2 Energiekosten Anmerkung: Die in Abschn. 1.11-10.3.2 s. S. 561 dargestellte Problematik zur Genauigkeit der statistischen Berechnungsverfahren treffen sowohl für den Heiz- als auch Kühlfall zu. Aus diesem Grund soll mit der VDI E 2067-11 – Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Dynamischer Rechenverfahren – ein entsprechendes Instrument geschaffen werden1).

Bild 1.11.4-5. Durchschnittlic he spezifische Heizlast von Gebäuden je m2 Nutzfläche in Abhängigkeit von Gebäudealter und des A/V-Verhältnisses (äußere Umhüllungsfläche zu umbauten Volumen)*). *)

1)

Ihle, Bacher, Golla: Taschenbuch Sanitär, Heizung, Klima, Lüftung. 5. Auflage 2005.

Hirschmann, R.: HLH 48 (1997)/08 Seite 24 ff, VDI E 2067-11:1998-06 Rechenverfahren zum Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude.

DVD 556

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Bild 1.11.4-6. Durchschnittlichespezifische Heizlast von Fabrikbauten je m3 umbauter Raum.

Bild 1.11.4-7. Richtwerte für den spezifischen Heizwärme-/Heizenergiebedarf in Abhängigkeit von Gebäudeerstellungs-Zeitraum und A/V.Verhältnis (äußere Umhüllungsfläche zu umbauten Volumen).*) *)

Hegner, H.-D. Die Energieeinsparverordnung 2002. Symposium Energiesparendes Bauen. Berlin: 1999.

Tafel 1.11.4-2 Wasser- und Wärmebedarf für erwärmtes Trinkwasser, Gesamtbedarf*) 1 Gesamtbedarf

Dusche, Waschtisch, Geschirrspülmaschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert

2

3

4

5

Personenbezogener Gesamt-Nutzwarmwasserbedarf bei der Nutztemperatur δN**)

Personenbezogener GesamtNutzenergiebedarf

vN, ges, d

vN, 3ges, a

qN, ges, d

qN, ges, a

l/d

m /a

kWh/d

kWh/a

15 bis 47 5,2 bis 16,2 0,5 bis 1,6 190 bis 570 31

10,7

1,1

380

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

557 DVD

Tafel 1.11.4-2 Wasser- und Wärmebedarf für erwärmtes Trinkwasser, Gesamtbedarf*) zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand Bidet Wanne normal, Waschtisch, Geschirrspülmaschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand Bidet

4 3 bis 6

1,3 1,0 bis 2,1

0,2 60 0,1 bis 0,2 40 bis 70

33 bis 56 11,4 bis 19,3 1,1 bis 1,9 400 bis 680

44 4 3 bis 6

15,7

1,5

1,3 0,2 1,0 bis 2,1 0,1 bis 0,2

540 60 40 bis 70

Wanne groß, Waschtisch, Geschirrspül- 48 bis 71 16,6 bis 24,5 1,7 bis 2,5 580 bis 860 maschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert 59 20,7 2,1 720 zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand 4 1,3 0,2 60 Bidet 3 bis 6 1,0 bis 2,1 0,1 bis 0,2 40 bis 70 Wanne normal und Dusche, Waschtisch, Geschirrspülmaschine mit Kaltwasseranschluss***) Mittelwert zusätzlicher Bedarf Spülen nur von Hand Bidet *) **) ***)

22 bis 54 7,5 bis 18,6 0,7 bis 1,9 270 bis 650

38 4 3 bis 6

12,7

1,3

3 0,2 1,0 bis 2,1 0,1 bis 0,2

460 60 40 bis 70

VDI 2067-12:2000-06 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen; Nutzenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung. s. Tafel 1, VDI 2067-12:2000-06. Der Rest wird von Hand gespült.

Zur Ermittlung der Energiekosten ist folgende Vorgehensweise erforderlich a) Ermittlung des Jahres-Heizwärme- und Warmwasserbedarfes Berechnungsgrundlagen stellen DIN 47011) und VDI 20672)3) dar, die objektbezogen exakte Ergebnisse liefern. Näherungsweise können folgende Ansätze gewählt werden. b) Ermittlung des Brennstoffbedarfes Der jährliche Energie- und Brennstoffbedarf ist wegen der Wärmeverluste bei der Erzeugung und beim Transport größer als der jährliche Nutzwärmebedarf.4) BHa: Jahresbrennstoffbedarf QHa: Jahresheizwärmebedarf QHa = bVH . QN,Geb (Überschlagsverfahren) · Q N,Geb: Wärmebedarf bVK: Vollbetriebsstunden ηa: Kesselnutzungsgrad ηα = ηK . ηB ηK: mittl. Kesselwirkungsgrad ηB: Bereitschaftgrad 1) 2) 3) 4)

DIN V 4701-10:2003-08 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen. VDI 2067-12:2000-06 Nutzwärmebedarf für die Trinkwassererwärmung. VDI E 2067-10:1998-06 Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude. VDI 3808:1993-01 Energiewirtschaftliche Beurteilungskriterien bei Heizungsanlagen.

DVD 558

ηV:

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management Verteilungsgrad

Bild 1.11.4-8. Nutzwärme und Verluste einer Heizanlage.

Sinngemäß ist dies auf die Warmwasserbereitung anwendbar. Berechnungsgrundlagen sind VDI 2067-10E21), VDI 38082) und VDI 2067/123) enthalten. Näherungsweise kann zum Ansatz gebracht werden, für die Heizenergie: Der Beiwert ϕ = 300 entspricht der Näherungsformel, die von Recknagel 1915 für Koksheizungen angegeben wurde: · BHa = 300 Q N · (Q N = max. Wärmebedarf in kW) Früher üblicher jährlicher Heizölverbrauch in Einfamilienhäusern BHa = 30 ... 35 l/m2a, in Mietwohnungen BHa = 20 ... 25 l/m2a. Durch die Auswirkungen des Energieeinspargesetzes werden sich diese Zahlen weiterhin stark verringern, in Einfamilienhäusern auf 15 … 20 l/m2a, bei Gebäuden nach der ab 2002 gültigen EnEV4) auf 5 … 10 l/m2a im Jahr und weniger (Niedrigenergiehäuser), bei sogenannten Passivhäusern sind 1,5 l/m2a möglich. Tafel 1.11.4-3 Statistische Belegungszahl np von Wohnungen Anzahl an Räumen

Belegungzahl np

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

2,0 2,0 2,0 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 4,3 4,6 5,0 5,4 5,6

*)

DIN 4708-2:1994-04 Zentrale Warmwassererwärmung (Wohngebäude).

1) 2) 3) 4)

VDI E 2067-10:1998-06 Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude. VDI 3808:1993-01 Energiewirtschaftliche Beurteilungskriterien bei Heizungsanlagen. VDI 2067/12:2000-06 Energiebedarf für die Trinkwarmwassererwärmung. EnEV (07/07) Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden.

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

559 DVD

· Tafel 1.11.4-4 Jährlicher Brennstoffverbrauch BHa = ϕ · Q N in älteren Heizungsanlagen Brennstoff

Heizwert Hu

Heizöl El Heizöl S Ferngas Erdgas H Erdgas L Elektrischer Strom (ηges = 0,95)

MJ/kg MJ/mn3

kWh/kg kWh/mn3

42,7 41,0 17,3 37,5 31,7 3,6

11,86 11,40 4,80 10,40 8,80 1,0

Dimensionen

kg/a kg/a m3/a m3/a m3/a kWh/a

Brennstoffverbrauch Ba allgemein

·

0,105 · bv · Q· N 0,110 · bv · Q· N 0,260 · bv · Q· N 0,120 · bv · Q· N 0,142 · bv · Q· N 1,05 · bv · Q N

bei bv = 1600 St

·

168 · Q· N 176 · Q· N 416 · Q· N 192 · Q· N 227 · Q· N 1680 · Q N

Tafel 1.11.4-5 Richtwerte des ·Brennstoffverbrauchswerts ϕ je kW maximaler Wärmebedarf Q N bei älteren Wohngebäuden Gebäudeart Wohnhäuser Bürogebäude Schulen, einschichtig

Koks kg/a

Heizöl EL kg/a

Ferngas m3/a

Erdgas H m3/a

270 … 320 270 … 320 215 … 250

170 … 205 170 … 205 120 … 150

400 … 450 400 … 450 300 … 350

180 … 220 180 … 220 140 … 180

Für Trinkwasser liegen folgende Erfahrungswerte bei mittleren Ansprüchen, bezogen auf die Wohnungsgrundfläche bei Miethäusers vor: bei Koksfeuerung q= 8 ... 12 kg/m2a bei Ölfeuerung q= 4 ... 6 l/m2a bei Stadtgasfeuerung q = 10 ... 14 m3/m2a bei Erdgasfeuerung q= 5 ... 7 m3/m2a bei Elektrospeichern q = 30 ... 40 kWh/m2a Genauere Berechnungsgrundlagen, insbesondere auch für den Fall, dass die Warmwasserbereitung Bestandteil der zentralen Heizungsanlage ist, sind in VDI E 2067-10:1998061) und VDI 2067-12:2000-062) enthalten. Nach der Heizkostenverordnung3) ist die Zählung des Warmwasserverbrauches vorgeschrieben, jedoch ein vereinfachtes Verfahren zur Berechnung des Brennstoffverbrauch B der Warmwasserbereitung in bestehenden Gebäuden zulässig: B=

V ⋅ 4200 ⋅ Δ t 2 ,5 ⋅ V ⋅ Δ t ------------------------------------------------------ = -------------------------- in kg oder m3 3600 ⋅ H u ⋅ η a ( = 0,47 ) Hu

V= Wasserverbrauch m3 Δt = Wassererwärmung K Hu = Heizwert kWh/Einheit c)Ermittlung der Brennstoffkosten Aus dem genauen Jahresbrennstoffbedarf lassen sich problemlos die Kosten ermitteln: K = BHa . P A/a P = Energiepreis in A/kg oder A/m3 In einem vereinfachten Verfahren kann diese auch aus dem Jahreswärmebedarf QHa ermittelt werden

1) 2) 3)

VDI E 2067-10:1998-06 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen, Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude. VDI 2067-12:2000-06 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen, Nutzenergie für die Trinkwassererwärmung. Heizkostenverordnung (01/89).

DVD 560

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Q Ha ⋅ P K = -------------------H u ⋅ η ges

Um die verbrauchsgebundenen Kosten (Energiekosten) zu komplettieren sind Zuschläge für Hilfsenergie z.B. Pumpen und Betriebsstoffe erforderlich. (vgl. Abschn. 1.1110.3.1 s. S. 560) Tafel 1.11.4-6 Spezifische Brennstoffkosten je MWh Nutzwärme*) Brennstoff

Einheit Heizwert Hu Einheits- Nutzungs- Kosten kWh/ preis grad A/MWh Einheit ηges A

Heizöl El (1l = 0,86 kg) Heizöl S Stadtgas Erdgas H Fernwärme Nachtstrom Tagstrom Luft-Wasser-Wärmepumpe *)

1 kg m3 m3 kWh kWh kWh kWh

10,00 11,40 4,80 10,40 1,0 1,0 1,0 1,0

0,20 0,20 0,12 0,25 0,04 0,07 0,13 0,09

0,80 0,80 0,80 0,95 0,95 0,95 g = 2,50

22,– 25,– 30,– 30,– 37,– 69,– 132– 38,–

Objektbezogene Preise sind für jeden Anwendungsfall einzeln zu erfassen.

-10.2.3 Betriebskosten Sie umfassen im Wesentlichen: Bedienung, Wartung, Schornsteinreinigung, Kundendienst, Tankreinigung, Verrechnung u.ä. Sie lassen sich bei nicht ständig gewarteten Anlagen als Zuschläge zu den Brennstoffkosten etwa wie folgt bei mittelgroßen Anlagen angeben: bei Koksheizung 10 … 15% bei Gasheizung 7 … 10% bei Ölheizung 8 … 12% bei Elektroheizung 3 … 5% Weitere Anhaltswerte für die jährlichen Nebenkosten sind bei öl- oder gasbefeuerten Anlagen Kesselleistung 100 kW 4 … 5 A/kW Kesselleistung 1000 kW 4 … 3 A//kW Bei großen Anlagen sind sie am besten gesondert zu berechnen. Zuschlag für Brauchwasserbereitung etwa 10 … 15%. Präzisierte Werte für einzelne Komponenten sind in der VDI 2067-1:2000-09 enthalten.1)

-10.3

Raumlufttechnik und Kälteanlagen

-10.3.1 Kapitalkosten Vgl. Abschn. 1.11 s. S. 508 und VDI 20672) Tafel 1.11.4-7 Nutzungsdauer von Anlagenteilen der Klimatechnik Klimazentralen Kältemaschinen Kühltürme verzinkt Kühltürme Kunststoff Kanäle, Gitter u.ä. Regelanlagen

1) 2)

10 … 15 Jahre 15 Jahre 10 Jahre 15 Jahre 30 … 40 Jahre 12 Jahre

VDI 2067-1:2000-09 Grundlagen und Kostenberechnung. VDI 2067-1:2000-09 Grundlagen und Kostenberechnung. VDI E 2067-10:1998-06: Energiebedarf beheizter und klimatischer Gebäude.

1.11.4 Technisches Gebäudemanagement

561 DVD

-10.3.2 Energiekosten Eine genaue Berechnung der Energiekosten einer Klimaanlage ist sehr umfangreich, da für jeden Einzelfall eine große Anzahl von Daten bekannt sein muss, z.B. das Klimasystem, die äußeren Klimadaten, Betriebszeit, eventuelle Betriebspausen, Lichtschaltung, Jalousiebedienung, Wärme- und Kältequellen u.a. Alle meteorologischen und KühllastDaten müssen Stunde für Stunde über ein ganzes Jahr vollständig vorhanden sein. Die Wetterdaten sind in DIN 47101) stündlich für je einen Tag im Monat für heitere, bewölkte und gemischt bewölkte Tage angegeben. Der Energieverbrauch einer Klimaanlage setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: Luftaufbereitungsenergie; sie fällt an, um die Außenluft vom jeweiligen Zustand auf den gewünschten Zuluftzustand zu bringen (Heizen, Kühlen, Be- oder Entfeuchten). Thermische Raumlasten; sie fallen an durch Transmission, Strahlung, innere Lasten (Heizung oder Kühlung). Beide Anteile ändern sich von Stunde zu Stunde und natürlich auch von Monat zu Monat. Wegen der Vielzahl der erforderlichen Rechengänge sind sinnvolle Ergebnisse nur mit EDV-Rechenprogrammen zu erzielen. Es haben sich zwei dynamische Rechenverfahren durchgesetzt: Tagesgangverfahren; für jeden Monat werden stündlich – also 24mal pro Tag – zwei (oder drei) wettertypische Tage gerechnet. Bei zwei Tagen pro Monat werden heitere und bewölkte Tage entsprechend ihrer Häufigkeit gewichtet. Bei dem Rechenverfahren mit drei Tagen je Monat wird zusätzlich auch noch ein gemischt bewölkter Tag berücksichtigt. Die meteorologischen Daten stehen bei diesen Verfahren aus DIN 47102) für deutsche Städte zur Verfügung. Pro Jahr fällt folgende Zahl von Berechnungen an: 2 (3) Tage je Monat × 24 h/Tag × 12 Monate = 576 (864) Rechnungen. Referenzjahrverfahren (TRY); hier wird für jeden Tag des Jahres jede Stunde gerechnet. Es fallen also an: 24 h/Tag × 365 Tage/a = 8760 Rechnungen. Der Rechenaufwand ist hier auch bei EDV-Anwendung recht erheblich. Das Test-Referenzjahr ist für 12 klimatische Regionen der BRD ermittelt worden vom Deutschen Wetterdienst, Offenbach. Die Daten können für EDV-Berechnung auch online im Dialog über Datex-P abgerufen oder als Magnetband bzw. Diskette bezogen werden3). Durch eine IEA-Studie konnte die Gleichwertigkeit beider Verfahren festgestellt werden4). Inzwischen auch durch Messung bestätigt5). Aus USA kommt das Berechnungsprogramm BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics)6). Richtwerte fürden Energieverbrauch von klimatisierten Bürogebäuden siehe auch Abschn. 3.6.2 s. S. 1693. Die noch von Hand durchführbaren Energieverbrauchsberechnungen nach VDI 2067-3: 1983-12 ermitteln Luftaufbereitungsenergien mit Jahres-Luftgrad-, -Enthalpie-, -Feuchte-Stunden und mit Summenhäufigkeiten für Luft-Enthalpie und -Feuchte. Für etwas genauere Berechnungen gab es auch entsprechende Monatsstunden in VDI 2067. Statische Berechnungsverfahren versagen insbesondere bei VVS-Systemen, wo ständig eine Veränderung der Luftmenge mit der Last stattfindet. Aus diesem Grund wurde o.g. DIN 2067/3 zurückgezogen und durch VDI E 2067-117) – Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – ersetzt. Nachstehende Rechnungen, die auf den Gradtagen und Gradstunden für Erwärmung, Kühlung, Be- und Entfeuchtung beruhen, sind daher nur als Näherung zu betrachten, da sie den dynamischen Verlauf des Energiebedarfs nicht berücksichtigen. Richtwerte aus dynamischen EDV-Berechnungen s. Abschn. 3.6.2 und 3.6.2 s. S. 1693.

1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

DIN 4710:2003-01 Meteorologische Daten zur Berechnng des Energiebedarfes von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland. DIN 4710:2003-01 Meteorologische Daten zur Berechnng des Energiebedarfes von heiz- und raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland. Fachinformationszentrum Karlsruhe, 7514 Eggenstein: Programm METDATA. Internationale Energie-Agentur (IEA), Brüssel. Abschlussbericht ET 5238 (1980). Fox, Hönmann, Steinbach: Ges.-Ing. 2/87. S. 61/66. US Army Corps of Engineers, Construction Engineering Research Laboratory (CERL), Champaign, IL. 61820. VDI E 2067-11:1998-06 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen. Rechnerverfahren zum Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude.

DVD 562

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

a)Ermittlung des Energiebedarfes Elektrische Energie Der jährliche Verbrauch der Ventilatoren an elektrischer Energie E ist bei konstantem Volumenstrom leicht zu errechnen: E = 365 · z · P in kWh/Jahr z = Zahl der täglichen Betriebstunden P= Leistung der Ventilatoren [kW] Bei regulierbaren Antrieben ist der zeitweise verringerte Energiebedarf zu beachten. Wärmeenergie Bei der Ermittlung des jährlichen Wärmebedarfs Qw zur Erwärmung der Außenluft benutzt man am besten die Lüftungsgradstunden GL, bezogen auf die verschiedenen Tageszeiten nach Tafel 1.1.2-7. · Qw = GL · V · c · ρ · 10–6 GJ/a · V = Volumenstrom m3/h c = spez. Wärmekapazität der Luft =1,0 kJ/kgK GL = Lüftungsgradstunden in hK/a nach Tafel 1.1.2-7 Befeuchtung Wird die Luft auch befeuchtet, so ist der dazu erforderliche zusätzliche Wärmebedarf Qf: · Qf = Gf · r · V · ρ · 10–6 GJ/a Gf = Befeuchtungsgrammstunden in h/a · g/kg nach Bild 1.1.3-4 ρ = Dichte der Luft =1,2 kg/m3 r = Verdampfungswärme = 2,5 kJ/g Wasserbedarf · m· w = Gf · ρ · V · 10–6 kg/a Berechnung nach Abschn. 1.1.3 s. S. 80 Der praktisch auftretende Wasserverbrauch beträgt etwa das 3- bis 4-fache des theoretisch errechneten Wertes bei Befeuchtung durch Düsenkammern. Richtwert bei durchlaufendem Betrieb ca. 100 kg/a je m3/h Luft. Kälteenergie zur trockenen Luftkühlung Hier errechnet man den jährlichen Kältebedarf QK mittels der Kühlgradstunden nach Tafel 1.1.2-8: · QK = GK · V · c · ρ · 10–6 GJ/a GK = Kühlgradstunden in hK/a nach Tafel 1.1.2-8 Kälteenergie zur Entfeuchtung (Trocknung) Sinngemäß ist die hierfür erforderliche zusätzliche Kühlleistung · Qtr = Gtr · r · V · ρ · 10–6 GJ/a Gtr = Entfeuchtungsgrammstunden in h/a · g/kg nach Bild 1.1.3-4. Nicht enthalten sind in den obigen Zahlen die thermischen Raumlasten (Heizlast) für die Heizung im Winter (s. Abschn. 2.4.1 s. S. 1088) sowie der Kühlbedarf (die Kühllast) für die Raumkühlung im Sommer (Abschn. 3.5.3 s. S. 1623). b)Ermittlung der Energiekosten Durch Multiplikation des ermittelten Energie- oder Wasserbedarfes mit den Einheitspreisen errechnen sich die jährlichen Energiekosten. Durch die Liberalisierung des Strommarktes und den regional sehr verschiedenen Kosten für Trinkwasser, sowie der oft vorhandenen Nutzung von Niedertarifwärme (Rücklauf von Fernheiznetzen) für die Lufterhitzung lassen sich äußerst schwer spezifische Ansätze formulieren. Für Überschlags-Berechnungen können angesetzt werden: Elektrischer Strom: 0,08 … 0,13 A/kWh Trinkwasser ohne Abwasser: 1,80 … 2,45 A/m3 (nicht aufbereitet) Kälteenergie 38 … 43 A/MWh Wärmeenergie 23 … 38 A/MWh (nach Tafel 1.11.4-6) Zuschläge für Hilfsenergie, wie Pumpen u.a. sowie Betriebsstoffe erforderlich.

1.11.5 Simulation

563 DVD

-10.3.3 Betriebskosten Sie umfassen im Wesentlichen Bedienung, Wartung und Instandhaltung, Reinigung u.a. Sie liegen in folgender Größenordnung: bei einfachen Anlagen 2…4% bei mittleren Anlagen 4…6% bei techn. hochwertigen Anlagen 6,5 … 8,5 % Abhängig sind diese im Wesentlichen von Qualität des Materials und Nutzungsdauer. Präzisierte Werte für Einzelkomponenten sind in der VDI 2067-1:2000-09 enthalten.1) Ausführliche Beispielrechnungen für unterschiedliche Klimaprozesse enthält VDI 2067102).

1.11.5

Simulation3) Überarbeitet von Dipl.-Ing. Markus Werner, Aachen

-1

Simulation als planerisches Hilfsmittel

Mit Zunahme der technischen Komplexität von Gebäuden ist die Betrachtung der Interaktion zwischen Wetter, Nutzer, Bauphysik und Technik zwingende Voraussetzung zum Erzielen behaglich temperierter, belüfteter und beleuchteter Räume eines Gebäudes. Die Notwendigkeit Gebäude hinsichtlich ihres Energiebedarfs, Komforts und ihrer Baukosten zu optimieren, erfordert die Bereitstellung und Verbreitung entsprechender Auslegungshilfen. Mit Einführung computergestützter Hilfsmittel setzt sich die Simulation von technischen Vorgängen als Ergänzung und teilweise schon als Ersatz von klassischen Rechenvorschriften (beispielsweise nach DIN) durch. Simulation ist die wirklichkeitsnahe Nachahmung realer technischer Vorgänge mit Hilfe von mathematischen Rechenmodellen auf einem Rechner. Ein Gebäudesimulationsprogramm erlaubt es die Komplexität der Wechselwirkungen der inneren und äußeren Einflüsse auf ein Gebäude wie Außentemperatur, Sonneneinstrahlung, Wind, Verschattung, Nutzerverhalten, innere Wärmequellen, Lüftung usw. realitätsnah mathematisch abzubilden. Erst durch Auswertung der Simulationsergebnisse wird es dem Planer überhaupt ermöglicht, ein Gebäude sowohl in energetischer als auch ökonomischer Sicht zu optimieren. Dies gilt nicht nur für den Entwurf von Neubauten, sondern auch für die Analyse und Optimierung von Altbauten.

-2

Systemtheoretische Grundlagen

Wenn man sich mit Simulation beschäftigt, so ist das Verständnis und die klare Unterscheidung von grundlegenden Begriffen der Systemtheorie Voraussetzung dafür, dass man Simulationswerkzeuge verstehen und für bestimmte Aufgaben der gebäudetechnischen Planungspraxis zielgerichtet und vor allem richtig anwenden kann.

1) 2) 3)

VDI 2067-1:2000-09 Grundlagen und Kostenberechnung. VDI E 2067-10:1998-06: Energiebedarf beheizter und klimatisierter Gebäude. Neubearbeitung erfolgte von Dipl.-Ing. Markus Werner, Aachen, für die 72. Auflage.

DVD 564

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Tafel 1.11.5-1 Begriffe der Systemtheorie Begriff

Definition mit Beispiel

System

beschreibt eine Menge von Elementen (Komponenten), zwischen denen bestimmte Beziehungen bestehen. Ein Gebäude ist ein technisches System, das sich aus einer Vielzahl von technischen Komponenten wie Wände, Fenster, Lampen, Heizkörper etc. zusammensetzt. Das System ist dadurch charakterisiert, dass es zwischen den darin zusammengefassten Komponenten Wechselwirkungen gibt. Beispielsweise führt der elektrische Stromverbrauch der Lampen zu einer Erwärmung der Räume und damit zu einer Drosselung der thermostatisch geregelten Heizwärmezufuhr über die Heizkörper.

Komponente

ist die kleinste geschlossene Einheit als Bestandteil eines Systems. Die Komponente reagiert auf den Systemzustand und beeinflusst wiederum durch sein Wirken das System. Den Ingenieur interessiert es i.d.R. nicht, was innerhalb einer Komponente passiert, sondern er will nur wissen wie sich diese Komponente im Konzert mit den anderen Komponenten des Systems verhält. Sie ist durch ein bestimmtes Verhalten charakterisiert, das beispielsweise durch eine Kennlinie zwischen Eingang und Ausgang der Komponente beschrieben werden kann. Ein System setzt sich aus einer Vielzahl von Komponenten zusammen. Jede Komponente ist für sich gesprochen wiederum ein eigenständiges Subsystem. Beispielsweise besteht ein Lüftungsgerät aus mehreren Komponenten wie Motor, Ventilator, oder Wärmetauscher. Diese Einzelkomponenten können beliebig in weitere Subsysteme zerlegt werden.

Systemgrenze

ist die Schnittstelle zwischen dem System und seiner Umgebung. Systemgrenze eines Gebäudes kann die Oberfläche der Außenbauteile sein. Durch diese Schnittstelle erfolgt beispielsweise ein thermischer und hygroskopischer Austausch zwischen dem System Gebäude und dem Wetter. Die Systemgrenze ist oft gleichzeitig die ökonomische Bilanzgrenze beispielsweise zur Bestimmung der Energiekosten.

Systemzustand

ist eine Momentaufnahme des messbaren Zustandes des Systems. Abhängig vom Wetter und den thermischen Einflüssen von Gebäudenutzern und -technik stellt sich im Gebäudeinneren ein Systemzustand ein, welcher durch messbare physikalische Größen wie beispielsweise Temperatur oder Feuchte der Raumluft beschrieben werden kann. Das Wetter stellt eine Randbedingung dar, der das System Gebäude unweigerlich unterworfen ist.

Zone

ist ein Gebäudeabschnitt, für den homogene Zustände (Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit etc.) gelten. Die Zone kann einen einzelnen Raum, mehrere Räume oder sogar das ganze Gebäude umfassen.

-3

Modelle zur mathematischen Beschreibung physikalischer Prozesse

Das Verständnis des Menschen von seiner Umwelt beruht in weiten Bereichen auf Modellbildungen. In den Naturwissenschaften, insbesondere der Physik, wurde die Modellbildung als entscheidender Teil der Gewinnung von Erkenntnissen kultiviert. Für eine Modellierung durchschreitet der Physiker die Phasen – Beobachten eines zeitabhängigen Vorgangs in der Natur, – Nachdenken über das Beobachtete, – Erinnern an ähnliche, schon bekannte Vorgänge, – Bündelung der Erkenntnisse in Form einer mathematischen Beschreibung des Beobachteten,

1.11.5 Simulation

565 DVD

– Überprüfung der mathematischen Beschreibung durch Messungen am beobachteten natürlichen Prozess. Träger der naturwissenschaftlichen Erkenntnis sind somit mathematisch formulierte Modelle, die sich durch Messergebnisse überprüfen lassen. Die mathematischen Modelle erlauben es, das Verhalten des vom Modell beschriebenen Ausschnittes der Realität und Systemzustände aus vorgegebenen Anfangsbedingungen vorherzusagen. Neben dem Wissen über die verfügbare Technik muss der gebäudetechnische Ingenieur das Wirken technischer Komponenten einschätzen und zu einem funktionstüchtigen System komponieren können. Dabei bedient er sich geeigneter Rechenvorschriften, welche es erlauben technische Vorgange in mathematische Modelle zu überführen. Um solche technischen Vorgänge einerseits möglichst genau, andererseits möglichst ökonomisch, d.h. zeitsparend zu modellieren, sind – bezogen auf die Aufgabenstellung – folgende Grundsätze der Modellierung zu beachten: – Gewichtung: Klären, welche Komponenten und Komponenteneigenschaften starken Einfluss auf die Ergebnisse haben und deshalb genügend genau modelliert werden müssen. – Reduktion: Arbeitsumfang durch Entkopplung nicht dringend nötiger Teilaufgaben soweit wie möglich reduzieren. – Entkopplung: so weit betreiben, wie eine getrennte Untersuchung der Teilaufgaben die Gesamtlösung nur unwesentlich verschlechtert.

-4

Analogien zur Modellerstellung

Bei den meisten kommerziellen Programmen beruht die Gebäudesimulation darauf, die Geometrie und die physikalische Beschaffenheit eines Gebäudes in ein mathematisches Modell zu übertragen. Einzelne Räume werden als ein räumliches Gitter aufgefasst, dessen einzelne Gitterpunkte Systemkomponenten wie Wände, Fenster, Heizkörper etc. mit bestimmten physikalischen Eigenschaften (Temperatur, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit usw.) beschreiben. Tafel 1.11.5-2 Analogien zwischen der Thermodynamik und Elektrodynamik Thermodynamik Systemgröße Temperatur Temperaturdifferenz Wärmestrom Wärme Wärmewiderstand Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Länge Zeit

Elektrodynamik

Symbol Dimension T ΔT dQ/dt Q R λ C l t

°C K W Ws K/W W/mK Ws/K m s

Systemgröße Elektrisches Potenzial Spannung Strom Ladung Widerstand Leitfähigkeit Kapazität Länge Zeit

Symbol Dimension

φ U = Δφ I Q R σ C l t

V V A As Ω 1/m Ω F = As/V m s

Das thermodynamische Verhalten eines Gebäudes, d.h. die zeitliche Veränderung seiner Leistungsflüsse und Zustände wird durch eine Art elektrisches Netzwerk dargestellt. Tafel 1.11.5-2 zeigt die Analogien zwischen thermodynamischen Größen der Bauphysik und den Größen eines elektrischen Netzwerkes. So werden beispielsweise der u-Wert einer Wand und die Wärmeübergänge (Konvektion, Strahlung) durch Widerstände, die Wärmekapazität des Wandaufbaus durch Kondensatoren und die Einspeisung von Heiz- oder Kühlleistung – beispielsweise zur Modellierung einer Bauteilaktivierung – durch Stromquellen modelliert. In Tafel 1.11.5-3 ist dies anhand des sogenannten „Beuken-Modells“ zur Beschreibung des thermodynamischen Verhaltens eines Wandaufbaus exemplarisch dargestellt, mit dem das thermodynamische Verhalten aller Wandaufbauten eines Gebäudes exakt berechnet werden kann.

DVD 566

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Bild 1.11.5-1. Elektrisches Ersatzschaltbild der Wände eines Gebäudes (Beuken-Modell).

Tafel 1.11.5-3 Leistungsfähigkeit statischer und dynamischer Simulationsprogramme Kriterium

Statische Dynamische Simulation Simulation

Relevant für

Einfluss von Wetter und Nutzung

–

+

Erschließung von einstellungsbedingten Optimierungspotenzialen

Leistungsanschlusswerte

o

+

Dimensionierung, Anschlusskosten

Jahresenergiebedarf

+

+

Arbeitskosten, Amortisation

Investitions- und Betriebskosten

o

+

Systemwahl, Dimensionierung, Energieeinspar-Contracting

Raumtemperaturen

–

+

Grenzsituationen (z.B. Sommerfall), Mitarbeiterproduktivität

Licht- und Luftqualität

–

+

Behaglichkeit, Gesundheit, Mitarbeiterproduktivität

Systemanalysen und -optimierung

o

+

Erschließung von einstellungsbedingten Optimierungspotenzialen

Betriebsoptimierung

–

+

Ermittlung von Reglerparametern

Einarbeitungszeit, Ergonomie, Expertenwissen

+

–/o

Kauf des Programms, Engagement von Experten

Kosten (Anschaffung und Pflege)

+

–

Kauf des Programms, Engagement von Experten

+ gut

o ausreichend

– ungünstig, nicht geeignet

1.11.5 Simulation

-5

567 DVD

Merkmale von Simulationswerkzeugen

Simulationsprogramme unterscheiden sich nicht nur in der Komplexität ihrer verwendeten mathematischen Modelle, sondern auch in der Art, wie beispielsweise die Energiebilanz eines Gebäudes berechnet wird. Man unterscheidet – statische Simulation und – dynamische Simulation. Statische Simulation berechnet beispielsweise den Energiehaushalt oder die mittlere Innenraumtemperatur eines Gebäudes für den Gleichgewichtszustand zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die DIN oder VDI-Richtlinien beinhalten solche Berechnungsvorschriften. Die Folge der statischen Betrachtung ist allerdings, dass Anschlussleistungen für Heizung und Kühlung von Gebäuden in der Regel überdimensioniert und Überhitzungsprobleme im Sommer in der Planungsphase nicht erkannt werden. Statisch rechnende Programme sind aber hervorragend geeignet schnell und preiswert eine überschlägige Aussage beispielsweise zu den jährlichen Energiekosten zu treffen. Zur Erschließung von Betriebskosten-Einsparpotenzialen in der zeitabhängigen Betriebsweise technischer Anlagen sind sie jedoch völlig ungeeignet. Dazu ist eine dynamische Betrachtungsweise unerlässlich. Dynamische Simulation berücksichtigt alle zeitlich veränderlichen, d.h. instationären Vorgänge und Zustände eines Zeitraumes, wie z.B. Aufheiz- und Abkühlphasen, wechselnde Wetterbedingungen, unterschiedliche Nutzungsprofile oder das Betriebsverhalten der Anlagentechnik. Hauptunterscheidungsmerkmale der Programme sind neben der Unterscheidung nach statischer und dynamischer Rechenmethode die Art der Gebäudemodellierung und damit die Anzahl der modellierbaren Zonen. Im einfachsten Fall arbeitet das Programm mit einem Ein-Zonen-Modell, bei dem nur die Gebäudehülle als Wärme übertragende Fläche berücksichtigt und eine mittlere Gebäudetemperatur berechnet wird. Solche Instrumente sind preiswert, schnell zu erfassen und sind für überschlägige Berechnungen wie Wärmebedarfsnachweise vollkommen ausreichend. Programme mit Multi-Zonen-Modellen rechnen nicht nur den Energiefluss durch die Außenhülle, sondern beziehen auch interzonale Energieflüsse, d.h. energetische Kopplung einzelner Räume oder Etagen untereinander in die Berechnung ein. Hochwertige Programme erlauben sogar die Berechnung von Luftströmungen und die Luftqualität in jeder Zone.

-6

Belastbarkeit der Simulationsergebnisse

Der Einsatz von Simulationswerkzeugen ist nur soweit vorteilhaft wie die Berechnungen belastbare, d.h. realitätsnahe Ergebnisse liefern. Die Genauigkeit hängt von einer Vielzahl von Einflüssen ab, dazu zählen u.a. die gewählten Rechenmodelle, der Wetterdatensatz, die Bauteildaten und natürlich die korrekte Bedienung des Programms durch den planenden Ingenieur. Generell ist zu sagen, dass man mit dynamischer Simulation überhaupt erst in die Lage versetzt wird, die Realität auf dem PC abzubilden und verlässliche Prognosen zu treffen. Mit den Rechengängen nach DIN oder VDI ist dies kaum oder nur in sehr beschränktem Umfang möglich. Mit heutigen dynamisch rechnenden Gebäudesimulationsprogrammen ist es möglich zwischen Simulationsergebnissen und gemessener Realität eine Abweichung von weit unter 10% zu erzielen. In Bild 1.11.5-4 ist exemplarisch das Ergebnis einer Validierung, d.h. der Vergleich von Simulationsergebnissen eines Solarkollektor-Modells mit Messwerten des realen Kollektors illustriert. Sowohl für den Solarwärmeertrag eines Jahres als auch für den Temperaturverlauf des Kollektorfluids über einen Tag ist hier die Abweichung kleiner 3%. Zur Validierung werden neben Messdaten auch international anerkannte Testverfahren (z.B. BESTEST) herangezogen. Darin werden die Rechenergebnisse verschiedener Programme relativ zueinander, d.h. ohne Messdaten als Bezugspunkt dargestellt. Integrale Größen wie z.B. Monats- oder Jahresheizenergie werden bei allen Programmen mehr oder minder deckungsgleich berechnet. Hingegen zeigt sich bei der Berechnung von Zuständen wie z.B. die Raumtemperatur oder momentane Heizleistung deutlich die Qualität der verwendeten Rechenmodelle. Je nach Modellierungstiefe und -güte streuen die Ergebnisse von dynamisch rechnenden Simulationsprogrammen untereinander (Bild

DVD 568

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

1.11.5-4). Diese Tatsache ist relevant für Prognosen beispielsweise zur thermischen Behaglichkeit oder zur Kühllast in Räumen.

Bild 1.11.5-2. Beispiel: Validierung eines Solarkollektor-Modells.

-7

Einsatz von Simulation im Planungsablauf

Der Bearbeitungsaufwand ist direkt abhängig von der Wahl der Rechenmethode (statisch, dynamisch) und des Gebäudemodells. Je detaillierter ein Gebäude beschrieben wird (Mehr-Zonen-Modelle) desto größer ist die hierfür einzukalkulierende Bearbeitungszeit. In der Planungspraxis wird man kaum versuchen das gesamte Gebäude mit einer großen Anzahl von Zonen in einem einzigen komplexen Modell abzubilden, da der Eingabeaufwand wirtschaftlich kaum zu vertreten ist und die Rechenzeit exponentiell mit der Anzahl der Zonen ansteigt. Stattdessen empfiehlt es sich das Gebäude in wenige Musterzonen zu zerlegen und für jede Zone ein eigenes Rechenmodell zu erstellen. Dabei müssen die Grundsätze der Modellierung gemäß Abschn. 1.11.5-3 s. S. 564 beachtet werden.

1.11.5 Simulation

569 DVD

Bild 1.11.5-3: Relativer Vergleich von Gebäudesimulationsprogrammen (hier: Temperatur freischwingender Raum unter Einfluss solarer Einstrahlung)

Die generelle Vorgehensweise beim Planen gebäudetechnischer Anlagen unter Einsatz von Simulationswerkzeugen ist in Bild 1.11.5-4 zusammengefasst. Danach gliedert sich der Prozess in 4 Phasen: – Phase 1: Datenerhebung Zunächst werden Baupläne, Daten zu Standardbauteilen, typische oder gemessene Lastprofile und Wetterdatensätze zusammengetragen. Ein gutes Simulationsprogramm verfügt über umfangreiche, per „Mausclick“ abrufbare Datensätze. – Phase 2: Potenzialdiagnose und Lastermittlung Aus den Bauplänen wird ein Rechenmodell des Gebäudes zunächst ohne technische Gebäudeausrüstung, aber mit internen, nutzungsbedingten Lasten erstellt. Per Simulation werden damit die Anschlusswerte und der theoretische Energiebedarf für Kühlung,

DVD 570

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

Heizung und Lüftung ermittelt. Im Falle von Altbauten kann daraus durch Vergleich mit Abrechnungen vergangener Jahre auf das Betriebskosten-Einsparpotenzial geschlossen werden. – Phase 3: Anlagendesign Nach der vorangegangenen Lastbestimmung folgt nun die eigentliche Anlagenplanung. Dazu ergänzt der Ingenieur das Gebäudemodell mit den entsprechenden Modellen von Anlagenkomponenten und der Regelung gemäß seinem favorisierten gebäudetechnischen Konzept. – Phase 4: Optimierung In einem iterativen Prozess werden dann die Einstellparameter der Anlagenkomponenten und der Regelung per Simulation optimiert. Mit den gefundenen Parameterwerten kann später die reale Anlage gezielt eingestellt werden.

Bild 1.11.5-4. Simulationswerkzeug im Planungsprozess.*) *)

Quelle: MeteoViva® GmbH, Aachen

Die Auswertung aller Simulationsergebnisse führt zu einer Bewertung der verschiedenen Baumaßnahmen und ermöglicht es dem Planer ein Optimum zwischen BetriebskostenEinsparung und Kostenaufwand zur Installation und Parametrierung der Anlage zu finden. Immer mehr Beachtung finden Simulationsprogramme bei der Lichtplanung von Gebäuden. Insbesondere im Bereich von Verwaltungs- und Bürogebäuden wird Wert auf eine optimierte Kunst- und Tageslichtplanung gelegt. Mit Hilfe von Simulation wird es möglich, die Lichtverteilung in Räumen zu berechnen, auf die physiologischen Bedürfnisse des Nutzers zu optimieren und den Energiebedarf für künstliche Beleuchtung zu minimieren.

-8

Einsatz von Simulation zur Betriebsoptimierung

Dynamische Simulation ist prädestiniert für die Betriebsoptimierung von technischen Anlagen. Dabei sind zwei Arten zu unterscheiden: – Einmalige Optimierung von fixen Einstellparametern bestehender Anlagen (z.B. die Abstimmung des Massenstroms einer Heizkörperanlage auf die Hydraulik des Rohrnetzes mit dem Ziel der Minimierung der Pumpenantriebsenergie)

1.11.5 Simulation

571 DVD

– Kontinuierliche Optimierung der zeitlich variablen Betriebsweise gebäudetechnischer Anlagen (z.B. tägliche Vorausberechnung der optimalen Betriebsweise einer Fußbodenheizung auf Basis von Wettervorhersagedaten) Die dynamische Betrachtungsweise ist Voraussetzung zur Analyse von dynamischen Vorgängen in bestehenden Gebäuden mit technischer Gebäudeausrüstung. Hier lehrt die Erfahrung, dass die oft nur einmal, nämlich bei Abnahme der Anlage eingestellten Betriebszeiten, Luftmengen und Wassermassenströme nur selten mit dem tatsächlichen Bedarf korrelieren. Die Folge sind Beschwerden der Gebäudenutzer und teils dramatisch hohe Betriebskosten, die jedoch oft nur durch korrekte Justierung der Anlagenparameter mit geringem Aufwand spürbar gesenkt werden können ohne sofort Komponenten austauschen und damit große Investitionen tätigen zu müssen. Bevor mit dynamischer Simulation die Lastschwerpunkte und Optimierungsparameter ermittelt werden können, sind – die Erstellung eines Raumbuchs der installierten Gebäudetechnik hinsichtlich Bauart, Anschlussleistungen, Nenn-Luftvolumen- und Nenn-Massenströmen, – Messungen der Leistungs- und Massenströme, – Ermittlung der tatsächlichen Nutzungszeiten des Gebäudes und – Auslesen der aktuell eingestellten Betriebszeiten und Arbeitspunkte der TGA erforderlich. Liegen diese Informationen vor, so beginnt die Arbeit der Modellierung des realen Systems mit Hilfe eines dynamischen Simulationsprogramms. Im Idealfall finden sich alle realen Komponenten als einzelne Modellbausteine auf dem Bildschirm wieder. In diesem Punkt unterscheiden sich die käuflichen Programme untereinander hinsichtlich der Transparenz und ihres Detaillierungsgrades. In einem ersten Schritt ist ein Referenzmodell zu schaffen, welches den Ist-Zustand des Gebäudes möglichst genau beschreibt. Dazu werden die im Raumbuch erfassten technischen Komponenten in einem mehr oder minder komplexen Rechenmodell auf dem PC abgebildet und die simulierten mit den gemessenen Zuständen synchronisiert. Im nächsten Schritt ist der Ingenieur gefordert die im Simulationsprogramm verstellbaren Parameter der einzelnen Komponenten so zu optimieren, dass Bedarf und Angebot bei minimalen Betriebskosten aufeinander abgestimmt sind. Dazu werden aus dem Referenzmodell eine oder mehrere neue Varianten mit veränderten Modellparametern (z.B. veränderte Betriebszeiten) abgeleitet. Durch Vergleich der neuen Ergebnisse mit denen des Referenzmodells kann die Wirkung der Maßnahme bewertet werden. Diese Optimierung kann mit praktischer Erfahrung manuell oder mit Hilfe mathematischer Optimierungsverfahren maschinell erfolgen. Nach der Philosophie „Erst optimieren, dann investieren“ kann also mit Hilfe dynamischer Simulation das in der vorhandenen Technik oft beträchtliche Optimierungspotenzial erschlossen werden, bevor daran gedacht werden muss in Material zu investieren. Dieser eigentlich naheliegenden Arbeitsweise steht leider heute immer noch die sich am Materialwert orientierende Bezahlung nach HOAI des planenden gebäudetechnischen Ingenieurs kontraproduktiv entgegen.

-9

Wettervorhersage-Steuerung (WVS)

Aktuelle Entwicklungen verfolgen das Ziel den regelungstechnischen Aufwand vor Ort und die Energiekosten dadurch zu minimieren, indem mit Wissen der Störgrößen (Wetter, interne Lasten, Nutzerverhalten) und dem Wissen über das thermodynamische Verhalten des Gebäudes inklusive TGA von vorneherein optimale Steuersignale berechnet werden. D.h. was der Ingenieur in der Planungsphase üblicherweise manuell einmalig per Simulation optimiert, wird später im täglichen Betrieb vollautomatisch kontinuierlich fortgesetzt („Betriebsoptimierung“). Damit ist sichergestellt, dass die gebäudetechnischen Anlagen dauerhaft optimal gefahren werden. Eine solche Wettervorhersage-Steuerung ersetzt die konventionelle Betriebsweise „Wärme auf Vorrat bzw. Bereitschaft“ nach dem Prinzip „Reaktion“ (d.h. Regelung nach momentan gemessenen Zustandswerten) durch eine energieeffiziente, komfortable Betriebsweise „Wärme nach Bedarf“ nach dem Prinzip der „Aktion“ (d.h. aktive Steuerung nach vorausberechneten optimalen Steuerwerten). Dabei kommen Optimierungsverfahren und Simulationsmodelle zum Einsatz, die über eine Schnittstelle zum realen Gebäude sowohl Messdaten der aktuellen Zustände im Gebäude erhalten und verarbeiten als auch optimal berechnete Steuerdaten an die technischen Anlagen des Gebäudes

DVD 572

1. Grundlagen / 1.11 Grundlagen Facility Management

auskoppeln. Die Simulationsmodelle der Wettervorhersage-Steuerung sind identisch mit denen, die der Ingenieur in der Planungsphase in seinem Gebäudesimulationsprogramm verwendet. Optimierungskriterien sind Betriebskostensenkung (Arbeit, Anschlussleistung, Lebensdauer der Technik) und Minimierung der Abweichung der gewünschten Raumzustände von einem Soll-Klima-Profil, das der Nutzer des Gebäudes vorgibt. Mit einem System gemäß Bild 1.11.5-5 wird täglich für die nächsten Tage auf Basis von Wettervorhersagedaten, einem detaillierten Simulationsmodell und vom Nutzer vorgegebenen Randbedingungen eine optimale Steuermatrix vorausberechnet, die dann in die TGA des Gebäudes eingekoppelt wird. Dazu wird in einer Iterationsschleife für jeden Zeitschritt (z.B. 15min) mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens ein Steuersignal ermittelt. Die Iterationsschleife wird abgebrochen, sobald die Abweichung zwischen dem simulierten IST-Zustandswert (z.B. voraussichtliche Raumtemperatur) und dem vom Gebäudenutzer in Form eines Klima-Profils vorgegebenen SOLL-Zustandswert (z.B. gewünschte Raumtemperatur) unter eine vorgegebene Schwelle (z.B. 2/10 Kelvin) sinkt. Diese Iteration wird für jeden Zeitschritt eines in der Zukunft liegenden Zeitintervalls (z.B. die kommenden 2-3 Tage) durchgeführt. Auf diese Weise entsteht mittels einiger tausend Simulationen sowohl eine Zeitreihe optimierter Steuersignale (Vorlauftemperatur, Pumpenbetrieb) als auch eine Zeitreihe optimierter Zustandssignale, also eine Zeitreihe des zu erwartenden Raumzustandes (Raumtemperatur, Luftqualität). Die Wirkung ist ein optimaler thermischer Komfort bei minimalen Energiekosten (Summe aus Arbeits- und Leistungskosten). Ergibt die Vorausberechnung, dass zu bestimmten Zeiten keine Heiz- oder Kühlleistung erforderlich ist, können Hilfsaggregate wie Pumpen oder Ventilatoren nicht nur gedrosselt, sondern ganz ausgeschaltet werden. Eine WVS senkt somit nicht nur die Kosten für thermische Energie, sondern zusätzlich auch die Kosten für elektrische Hilfsenergie.

Bild 1.11.5-5 Betriebsoptimierung mit Wettervorhersage-Steuerung (WVS)

Eine solche kontinuierliche Betriebsoptimierung mittels WVS kann in einem Rechenzentrum für beliebig viele Gebäude mit Bedienung über ein Internetportal oder auch in einem Hutschienen-Rechner im Schaltschrank des jeweiligen Gebäudes mit Bedienung über das Intranet des Gebäudes vollautomatisch betrieben werden. Nicht nur im Betrieb hat eine Wettervorhersage-Steuerung Kostenvorteile, sondern auch in den Investitionskosten: die Anzahl der konventionellen Regler in Schaltschränken kann reduziert werden, da sie durch Simulationsmodelle im Optimierungsprozess ersetzt werden. Eine WVS ist prädestiniert für – alle wetterabhängigen Energieprozesse (Gebäude, Industrie) – Fernwärme- und Fernkältesysteme mit hohen Anschlusskosten (Lastspitzen werden durch vorausschauende Fahrweise gekappt),

1.11.5 Simulation

573 DVD

– Bauteilaktivierung moderner Bürogebäude (Komfortsteigerung durch Kompensation der Trägheit bei Wetterwechseln) – Anlagenbetrieb im Rahmen von Contracting-Verträgen (Begrenzung der freigegebenen Heiz- oder Kühlleistung, damit Reduktion des Nutzereinflusses auf die Energiekosten). Für letztere Anwendung hat die WVS den Vorteil, dass man das Betriebskostenrisiko für den Betreiber deutlich eingrenzt und damit die finanzielle Planungssicherheit erhöht.

-10

Hemmnisse zum Einsatz von Simulationsprogrammen

Für den breiten Einsatz von Simulationsprogrammen zur Gebäudeoptimierung ergeben sich mehrere Hemmnisse: – Kosten: Leistungsfähige Programme sind teuer, da sie von Spezialisten für Spezialisten in kleinen Stückzahlen entwickelt und vertrieben werden. Somit kommen sie oft nur in größeren Planungsbüros oder speziellen Beratungsbüros zum Einsatz. Aufgrund ihrer Komplexität müssen sie intensiv studiert werden, bevor sie durch Experten angewandt werden können. Somit lohnt sich nicht an jedem Objekt der Einsatz einer detaillierten Gebäudeanalyse per Simulation. – Honorarordnung Die Optimierung eines Gebäudes und seiner technischen Ausrüstung mit Hilfe von dynamischer Simulation kann daran scheitern, dass ein Konflikt zwischen den Interessen des Investors bzw. Bauherrn und denen des planenden, gebäudetechnischen Ingenieurs entsteht. Der Investor strebt geringe Investitions- und Betriebskosten an, der planende Ingenieur favorisiert die Installation möglichst aufwändiger Technik, sofern seine Bezahlung sich nach HOAI am Umsatz orientiert. – Akzeptanz des Bauherrn Die Akzeptanz, insbesondere von dynamischen Simulationsprogrammen ist bei Bauherren noch gering. Dies liegt an der für den Laien scheinbaren Zweifelhaftigkeit der Berechnungsergebnisse. Beispielhaft dafür ist die wohl am häufigsten gestellte Frage bei Beratungsgesprächen: „Stimmt das denn auch alles, was da berechnet wird?“. Hier lehrt aber die Praxis, dass die Fehler, die durch Einsatz solcher Programme gemacht werden, wesentlich unbedenklicher sind, als solche, die ohne den Einsatz der Gebäudesimulation entstünden. – Akzeptanz des Architekten Architekten sehen sich oftmals durch Einsatz dynamischer Simulation in ihrer künstlerischen Gestaltungsfreiheit eingeengt, da die Simulation beispielsweise extreme sommerliche Raumtemperaturen für eine aus der Sicht des Architekten ästhetisch gelungenen Glasarchitektur voraussagt. Dass dies nicht der Fall sein muss, zeigen realisierte Objekte, die trotz oder gerade wegen des Einsatzes der Optimierung mittels dynamischer Simulation Ästhetik und Funktionalität miteinander verbinden. Hierzu ist es aber notwendig, die bisherigen Planungsabläufe und die Art der Honorierung der Beteiligten zu ändern. Statt klassisch sequenziell hintereinander zu arbeiten müssen alle an der Planung des Bauobjektes beteiligten Fachdisziplinen, d.h. Architekten, Konzeptberater, Haustechniker und Investoren von Anfang an vernetzt, d.h. parallel und gleichberechtigt in einem Team zusammenarbeiten. – Ergonomie Die Bedienung und der Arbeitskomfort der Simulationsprogramme ist oftmals selbst für den erfahrenen Anwender mit großen Problemen behaftet. Hierzu zählt der hohe Zeitaufwand für die Eingabe der Gebäudedaten, fehlende oder komplizierte Schnittstellen für den Datenaustausch (z.B. zum Einspielen von Messdaten) oder die fehlende Möglichkeit einer auch für den Laien verständlichen Visualisierung der berechneten Ergebnisse. Allerdings hat sich mit der Einführung von Fenster- und Mausorientierten Betriebssystemen diesbezüglich in den vergangenen 10 Jahren eine rasante Entwicklung zu intuitiven und verständlichen Programmoberflächen vollzogen.

DVD 574

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

1.12

Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz1)

1.12.1

Winterlicher Wärmeschutz

-1

Allgemeines

Der winterliche Wärmeschutz hat die Aufgabe – die Wärmeverluste eines Gebäudes in der kalten Jahreszeit und damit dessen Energieverbrauch und die damit verbundenen Schadstoffemissionen möglichst gering zu halten – die Grundlage für behagliche Verhältnisse in Gebäuden zu schaffen – die Baukonstruktion vor Schäden zu bewahren. Die Wärmeverluste setzen sich aus Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten zusammen. Durch die Nutzung von Solarenergie durch bauliche Maßnahmen (passive Solarenergienutzung) können insbesondere die Transmissionswärmeverluste, aber auch Lüftungswärmeverluste gemindert werden. Durch die tages- und jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlungsintensität, der Außenluft- und Innenlufttemperatur stellen sich stets instationäre Temperatur- und Wärmestromverhältnisse in Bauteilen ein, so dass auch die Wärmespeicherfähigkeit der Bauteile zur Wirkung gelangt.

-2

Transmissionswärmeverluste

Die Transmissionswärmeverluste eines ebenen Außenbauteils betragen pro K Temperaturdifferenz HT =

∑i Fi ⋅ Ui ⋅ Ai + ∑j Fj ⋅ Ψj ⋅ lj + ∑k Fk ⋅ χk

mit F – Temperatur-Korrekturfaktor des Bauteils oder der Wärmebrücke Wärmedurchgangskoeffizient des Bauteils U W/(m2K) A m2 Fläche des Bauteils l m Länge der linearen Wärmebrücke ψ W/(mK) längenbezogener Wärmebrückenverlustkoeffizient χ W/K punktförmiger Wärmebrückenverlustkoeffizient Die gem. DIN 4108-62) anzusetzenden Temperatur-Korrekturfaktoren F bzw. Fx sind in Tafel 1.12.1-1 wiedergegeben. Tafel 1.12.1-1 Rechenwerte für Temperatur-Korrekturfaktoren Fa) 1

2

3

Wärmestrom nach außen über

Fx

Temperatur-Korrekturfaktor Fx b)

Außenwand, Fenster, Decke über Außenluft

Fe

1,0

2

Dach (als Systemgrenze)

FD

1,0

3

Dachgeschossdecke (Dachraum nicht ausgebaut)

FD

0,8

1

1) 2)

Erstbearbeitung erfolgte durch Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, München und Stuttgart, für die 70. Auflage, Ergänzungen bis zur 73. Auflage. DIN V 4108-6: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs. Juni 2003.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

575 DVD

Tafel 1.12.1-1 Rechenwerte für Temperatur-Korrekturfaktoren Fa) (Forts.) 1

2

3

Wärmestrom nach außen über

Fx

Temperatur-Korrekturfaktor Fx b)

4

Wände und Decken zu Abseiten (Drempel)

Fu

0,8

5

Wände und Decken zu unbeheizten Räumen

Fu

0,5

6

Wände u. Decken zu niedrig beheizten Räumen c)

Fnb

0,35

Fu Fu Fu

0,8 0,7 0,5

7 8 9

Wände und Fenster zu unbeheiztem Glasvorbau bei einer Verglasung des Glasvorbaus mit: – Einfachverglasung – Zweischeibenverglasung – Wärmeschutzverglasung

1

B’ d) [m] 5 bis 10 Rf bzw. Rwe) ≤1

>1

>10 Rf bzw. Rwe) ≤1

>1

FG = Fbf 0,30 0,45 0,25 0,40 0,20 0,35 FG = Fbw 0,40 0,60 0,40 0,60 0,40 0,60 FG = Fbf 0,45 0,60 0,40 0,50 0,25 0,35

FG = Fbf FG = Fbf

0,3 0,25

0,25 0,20

0,20 0,15

Kellerdecke und Kellerinnenwand: – zum unbeheizten Keller mit Perimeterdämmung – zum unbeheizten Keller ohne Perimeterdämmung

FG

0,55

0,50

0,45

FG

0,70

0,65

0,55

17

Aufgeständerter Fußboden

FG

0,9

18

Bodenplatte von niedrig beheizten Räumen c)

FG

0,20 0,55 0,15 0,50 0,10 0,35

15 16

a)

DIN V 4108-6: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs. Juni 2003. Die Werte (außer Zeile 6 und 12–14) gelten analog auch für Flächen niedrig beheizter Räume. Räume mit Innentemperaturen zwischen 12 °C und 19 °C; B’ = AG / (0,5 P) nach Gleichung (E.3 in DIN V 4108-6); Rf: Wärmedurchlasswiderstand der Bodenplatte (betrifft Zeile 10, 12, 18) bzw. Rw: Wärmedurchlasswiderstand der Kellerwand (betrifft Zeile 11); ggf. flächengewichtete Mittelung von Rf und Rw (betrifft Zeile 10,11); f ) Bei fließendem Grundwasser erhöhen sich die Temperatur-Korrekturfaktoren um 15%; g) Bei einem Wärmedurchlasswiderstand der Randdämmung >2 m2K/W; Bodenplatte ungedämmt, siehe auch Bild 2 und 3 in DIN EN ISO 13370:1998-12. b) c) d) e)

DVD 576

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Der Wärmedurchgangskoeffizient U (bislang k-Wert) errechnet sich aus 1 U = ---------------------------------------d ----j + R se R si + λj

∑j

mit Rsi (m2 K/W) Wärmeübergangswiderstand innen Rse (m2 K/W) Wärmeübergangswiderstand außen d m Dicke der Schicht j λ W/(mK) Wärmeleitfähigkeit der Schicht j Die Wärmeübergangswiderstände werden im Zuge der europäischen Normung mit R bezeichnet und können Tafel 1.12.1-2 entnommen werden. Die Wärmeleitfähigkeit λ von Baustoffen ist primär von deren Rohdichte, aber auch von deren Feuchtegehalt und Temperatur abhängig, wie es in Bild 1.12.1-1 bis Bild 1.12.1-4 gezeigt wird. Berechnungen zum wärmeschutztechnischen Nachweis sind die Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit gem. DIN V 4108-4 zugrundezulegen.1)

Bild 1.12.1-1. Wärmeleitfähigkeit λ lufttrockener Baustoffe (Durchschnittswerte), abhängig von der Rohdichte.

Bild 1.12.1-2. Wärmeleitfähigkeit λ von Faserdämmstoffen in Abhängigkeit von der Rohdichte.

*)

Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

*)

1)

DIN V 4108-4: Wärmeschutz im Hochbau. Wärme- und feuchteschutztechnische Kennwerte. Juli 2004.

Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

577 DVD

Bild 1.12.1-3. Wärmeleitfähigkeit λ von Schaumstoffen in Abhängigkeit von der Materialtemperatur. Schaumglas: ρ = 156 kg/m3; Polystyrol-Hartschaum: ρ = 20 kg/m3.

Bild 1.12.1-4 Wärmeleitfähigkeit λ verschiedener Baustoffe, abhängig vom volumenbezogenen Feuchtegehalt.

*)

*)

Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

Cammerer, J. C.: Tabellarium aller wichtigen Größen für den Wärme- und Kälteschutz. Mannheim 1973.

Tafel 1.12.1-2 Wärmeübergangswiderstände R*) Wärmeübergangswiderstand

2

innen Rsi = 1/hi [m K/W] 2

außen Rse = 1/he [m K/W] *)

Richtung des Wärmestroms aufwärts

horizontal

abwärts

0,10

0,13

0,17

0,04

0,04

0,04

DIN EN ISO 6946: Wärmedurchlasswiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient. Oktober 2003.

Die Definition der Wärmebrückenverlustkoeffizienten Ψ (auch längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient genannt) sowie deren Umrechnung von Innen- auf Außenmaßbezug geht aus Bild 1.12.1-5 hervor. Die dort genannte Gleichung aufgelöst führt zu dem Ergebnis Ψa = Ψo + Ψu – U · s Die detaillierte Bestimmung von HT ist für den in Bild 1.12.1-6 dargestellten Raum mit den Bauteilanschlüssen gem. Bild 1.12.1-7 in Tafel 1.12.1-3 vorgenommen. Ψ- und χWerte siehe 1)2)3), wobei dort für Ψ die Abkürzung WBV und für χ die Abkürzung WBVp Verwendung findet. Ψ-Werte für umfangreiche Parametervariationen aller Musterlösungen gem. Beiblatt 2 zu DIN 41084) siehe 5).

1) 2) 3) 4) 5)

Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. Bauverlag Wiesbaden, 1990, 2. durchgesehene Auflage 1993, 3. durchgesehene Auflage 1996. Hauser, G.: Auskragende Balkonplatten bei wärmeschutztechnischen Sanierungen. Bauphysik 13 (1991), H. 9, S.144–150. Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, 1992. DIN 4108 Beiblatt 2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Wärmebrücken, Planungs- und Ausführungsbeispiele. Januar 2004. Hauser, G.; Stiegel, H. und Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Baunatal. 1. überarbeitete Fassung 2002.

DVD 578

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Aus den temperaturspezifischen Transmissionswärmeverlusten lassen sich, je nach Bilanzierungszeitraum, entweder über Gradtagzahlen die jährlich, oder über die anliegenden Temperaturdifferenzen und Zeiträume monatlich auftretenden Transmissionswärmeverluste bestimmen. ΦTe = (UAW · AAW + Ψi · I) · (θi – θe) Φe = Φi = ΦT1 + ΦL

Bild 1.12.1-5. Definition der Wärmebrückenverlustkoeffizienten ψ.

Bild 1.12.1-6. Gebäudeschnitt mit den in Bild 1.12.1-7 dargestellten Anschlussdetails mit Angabe der Ψ- und χ-Werte (linke Bildhälfte) und der f-Werte (rechte Bildhälfte). Rechengang; s. Tafel 1.12.1-3.*) *)

Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, 1992.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

579 DVD

Tafel 1.12.1-3 Berechnung der spezifischen Transmissionswärmeverluste HT des in Bild 1.12.1-6 dargestellten Raums; Bauteilanschlüsse gemäß Bild 1.12.1-7*) Rechengang Eindimensionelle Betrachtung

W/K

%

∑i ( Ui ⋅ Ai ) 0,30 W/(m2K) · 5,77 m2+2,6 W/(m2K) · 3,28 W/m2

10,26

89,9

1,16

10,2

–0,002

–0,02

11,42

100,0

∑i ( Ψi ⋅ li ) Linienförmige Wärmebrücken

+0,070 W/(mK) · 3,62 m+0,162 W/(mK) · 3,62 m +2 · 0,026 W/(mK) · 2,5 m+0,034 W/(mK) · 2,42 m +0,027 W/(mK) · 2,42 m+2 · 0,016 W/(mK) · 1,355 m

∑i ( xp, i ) Punktförmige Wärmebrücken

+2 · (0,009) W/K+2 · (0,021 W/K +2 · (–0,018) W/K+2 · (–0,013 W/K

Summe *)

Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, 1992.

Tafel 1.12.1-4 Luftwechselzahlen in Abhängigkeit von der Fensterstellung*) Fensterstellung Fenster zu, Türen zu Fenster gekippt, Rolladen zu Fenster gekippt, kein Rolladen Fenster halb offen Fenster ganz offen Fenster und Fenstertüren ganz offen (gegenüberliegend)

–1

Luftwechsel n (h ) 0 bis 0,5 0,3 bis 1,5 0,8 bis 4,0 5 bis 10 9 bis 15 etwa 40

*) Gertis, K. und Hauser, G.: Energieeinsparung durch Stoßlüftung? HLH 30 (1979), H. 3,S.89–93.

DVD 580

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Bild 1.12.1-7. Darstellung der Anschlussdetails, welche dem Gebäudeschnitt in Bild 1.12.1-6 zugrunde liegen. *)

Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, 1992.

-3

Lüftungswärmeverluste

Die spezifischen Lüftungswärmeverluste eines Raumes betragen pro K Temperaturdifferenz · Hv = V · c · ρLuft mit · V (m3/h) Luftvolumenstrom (c · ρ)Luft Wh/(m3K)) volumenbezogene Wärmekapazität der Luft · Statt des Volumenstroms V wird zur Kennzeichnung meist der Luftwechsel n · n = V /V mit V m3 belüftetes Volumen

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

581 DVD

herangezogen. n variiert je nach Nutzerverhalten, meteorologischen und raumklimatischen Randbedingungen und Gebäudedichtheit. Häufig wird der Gesamtluftwechsel in einen –Ventilationsanteil nV und einen –Infiltrationsanteil ni aufgesplittet. Größenordnungen für unterschiedliche Fensterstellungen enthält Tafel 1.12.1-4. Der Luftvolumenstrom über ein Fenster lässt sich für den Fall der einseitigen Lüftung mit 2 · V = 3600 ⋅ 1--- ⋅ A l ⋅ Φ ⋅ C 1 ⋅ u + C 2 ⋅ H ⋅ Δθ + C 3 2

mit Al m2 die lichte Öffnungsfläche des Fensters Φ – das Durchflußverhältnis C1,C2,C3 –, m/(s2K), m2/s2 Koeffizienten u m/S Windgeschwindigkeit H m Höhe der lichten Fensteröffnung Δθ K Temperaturdifferenz innen/außen berechnen.1) Für übliche Dreh-/Kippfenster können als Koeffizienten folgende Werte in Ansatz gebracht werden: C1 = 0,0056; C2 = 0,0037 m/s2K; C3 = 0,012 m2/s2. Das Durchflußverhältnis ist abhängig der Fensteröffnungsweite und nimmt Werte gemäß Tafel 1.12.1-5 an. Tafel 1.12.1-5 Durchflußverhältnisse Φ in Abhängigkeit der Fensteröffnungsweite*) Kippfenster

*)

Drehfenster

Öffnungsweite (cm)

Φ [–]

Öffnungsweite

Φ [–]

2 4 6 8 10 12 14

0,0715 0,0943 0,1204 0,1426 0,1752 0,2036 0,2172

5 cm 10 cm 15 cm 45 ° 90 °

0,1948 0,2890 0,3850 0,8208 1

Maas, A.: Experimentelle Quantifizierung des Luftwechsels bei Fensterlüftung. Dissertation, Universität Gesamthochschule Kassel, 1995.

Ist aus einer Dichtheitsprüfung der n50-Wert bekannt, kann für die Heizperiode ein mittlerer Infiltrations-Luftwechsel aus folgender Gleichung gewonnen werden2) V ⋅ n 50 ⋅ e · V x = ---------------------------------------------------• • 2 f-- ⎛ Vsup – Vex⎞ 1 + ⋅ ---------------------------e ⎝ V ⋅ n 50 ⎠ mit n50 h–1 Luftwechsel bei 50 Pa Druckdifferenz

1) 2)

Maas, A.: Experimentelle Quantifizierung des Luftwechsels bei Fensterlüftung. Dissertation, Universität Gesamthochschule Kassel, 1995. DIN EN 832: Berechnung des Heizenergiebedarfs – Wohngebäude. Juni 2003.

DVD 582

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

e, f – Windschutzkoeffizienten · · V sup, V ex m3/h Zu- und Abluftvolumenstrom Lüftungssystem. Für die Berechnung des Jahres-Heizwärmebedarfs gem. DIN V 4108-61) bzw.2) wird n = 0,7 bzw. bei nachgewiesener Dichtheit mit 0,6 h–1 angesetzt. Die Bestimmung der jährlich bzw. während der Heizzeit auftretenden Lüftungswärmeverluste erfolgt analog zu der Vorgehensweise bei den Transmissionswärmeverlusten.

-4

Passive Solarenergiegewinne

-4.1

Gesamtenergiedurchlassgrad

Infolge der auf Außenbauteile auftreffen Sonneneinstrahlung können die Wärmeverluste vermindert oder Wärmegewinne erzielt werden. Bei Verglasungen wird zur Kennzeichnung üblicherweise der Gesamtenergiedurchlassgrad g3) benutzt, wie er in Bild 1.12.1-8 definiert ist. Die Wärmestromdichte q durch die Verglasung ergibt sich dann zu q = Ug · (θi – θe) – g · I αa + αi g = τ + U · ⎛⎝ ---------------- + α i ⋅ R⎞ ⎠ he

mit g θi, θe I Ug t αa, αi he R

– °C W/m2 W/m2K – – W/(m2K) m2K/W

wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad Lufttemperatur innen und außen Strahlungsintensität Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung Transmissionsgrad Absorptionsgrad der äußeren und inneren Scheibe Wärmeübergangskoeffizient außen Wärmedurchlasswiderstand der Verglasung

Bild 1.12.1-8. Sonneneinstrahlung bei Verglasungen und Definition des Gesamtenergiedurchlassgrades.

Bild 1.12.1-9. Sonneneinstrahlung bei opaken Bauteilen.

Der g-Wert von Zweischeibenklarglas-Isolierverglasungen liegt bei ca. 0,75 und bei Wärmeschutzverglasungen bei ca. 0,6. 1) 2)

3)

DIN V 4108-6: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme-, des Jahresheizenergiebedarfs. Juni 2003. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV) vom 16. November 2001, Bundesgesetzblatt Teil 1, Bonn, 21. November 2001, S. 3085–3102. DIN EN 410: Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen. Dezember 1998.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz

583 DVD

Bei opaken Bauteilen, wie üblichen Außenwänden und Dächern kann nach gleichem Ansatz ein g-Wert definiert werden (vgl. Bild 1.12.1-9). g = U · αs/he mit αs – Absorptionsgrad für Sonneneinstrahlung he W/(m2K) Wärmeübergangskoeffizient außen Die bei opaken gegenüber transparenten Bauteilen wesentlich geringere Nutzungsmöglichkeit von Sonneneinstrahlung wird offenkundig. Die Quantifizierung der passiven Solarenergiegewinne über Fenster und opake Außenbauteile kann alternativ getrennt von den Verlusten, oder bei der Bestimmung der Verluste erfolgen.

-4.2

Getrennte Bilanzierung

Die Wärmeströme Φs, die durch Fenster und opake Außenbauteile in das Gebäude gelangen, werden gem. DIN V 4108-6 bestimmt. Bei opaken Außenbauteilen wird die langwellige Abstrahlung mit berücksichtigt.

∑ Ii ⋅ Fs, i ⋅ FC, i ⋅ FF, i ⋅ gi ⋅ Ai Φ = ∑ A i ⋅ U i ⋅ R e ⋅ ( α s, i ⋅ I i – F f, i ⋅ h r, i ⋅ Δθ er )

transparent: Φs = opak: mit I Fs, Fc FF g A U Re αs Ff hr Δθer

-4.3

s

W/m2 – – – m2 W/(m2K) m2K/W – – W/(m2K) K

Strahlungsintensität Minderungsfaktor infolge Verschattung und Sonnenschutz Minderungsfaktor infolge Rahmenanteil wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad Fläche des Bauteils Wärmedurchgangskoeffizient Wärmeübergangswiderstand außen Absorptionsgrad des opaken Bauteils Formfaktor äußerer Abstrahlungskoeffizient Temperaturdifferenz Außenluft/Himmel

Äquivalente U-Werte

Dabei wird ein U-Wert definiert, der über die Heizperiode gemittelt, zu den gleichen Verlusten wie eine detaillierte Bilanzierung führt1)2). a) Fenster Uw,eq = Uw – g · Sw mit Uw W/(m2K) Wärmedurchgangskoeffizient Fenster (window) g – wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad Sw W/(m2K) Strahlungsgewinnkoeffizient Sw ist primär von der Orientierung, aber auch vom Verhältnis der Wärmegewinne zu den Wärmeverlusten abhängig. Für die meteorologischen Randbedingungen Deutschlands enthält3) eine Approximationsfunktion. Für das Wärmeschutzniveau gem. Wärmeschutzverordnung ’954) gelten folgende Werte 1) 2)

3)

Gertis, K., Hauser, G., Künzel, H., Nikolic, V., Rouvel, L. und Werner, H.: Energetische Beurteilung von Fenstern während der Heizperiode. DAB 12 (1980), H. 2, S.201–202. Hauser, G.: Passive Sonnenenergienutzung durch Fenster, Außenwände und temporäre Wärmeschutzmaßnahmen – Eine einfache Methode zur Quantifizierung durch keq-Werte. HLH 34 (1983), H. 3, S.111–112, H. 4, S.144–153, H. 5, S.200–204, H. 6, S.259–265. Hauser, G.: Näherungsformel zur einfachen Berechnung von Strahlungsgewinnkoeffizienten. Bauphysik 10 (1988), H. 2, S.43–5.

DVD 584

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Nord Sw = 0,95 W/(m2K) Ost/West Sw = 1,65 W/(m2K) Süd Sw = 2,4 W/(m2K) b) Außenwände und Dächer UAW,eq = UAW · SAW mit UAW W/(m2K) Wärmedurchgangskoeffizient Wand SAW – Strahlungsgewinnfaktor Für übliche Wände mit einem Absorptionsgrad von 0,7 sind je nach Orientierung folgende Werte anzusetzen Nord SAW = 0,96 Ost/West SAW = 0,95 Süd SAW = 0,92

-4.4

Systeme zur passiven Solarenergiegewinnung

Ergänzungen oder Kombinationen der beschriebenen Elemente führen zu mannigfaltigen Systemen.1) -4.4.1 Transluzente Wärmedämmung TWD Durch die Verwendung einer außen angeordneten, für Sonneneinstrahlung weitgehend durchlässigen Dämmschicht wird die Stelle, wo die Strahlung in Wärme umgewandelt wird, in den gedämmten Gebäudebereich verlagert und stärker nutzbar. Die Wirkungsweise ist in Bild 1.12.1-10 dargestellt. I q ρ·I αs · I Bild 1.12.1-10. Prinzipskizze der Wirkungsweise einer transluzenten Wärmedämmung.

Die Quantifizierung der Solarenergiegewinne bzw. der Minderung der Transmissionswärmeverluste erfolgt gem. a) DIN V 4108-6

Φs = mit Ue

∑ Ai ⋅ Ui ⋅ ⎛⎝ Fs, i ⋅ FF, i ⋅ αs, i ⋅ gTi, i ⋅ U---------e, i ⋅ Is, i – Re, TWD, i ⋅ FF, i ⋅ hr, i ⋅ Δθer⎞⎠ 1

W/(m2K)

gTi – Re,TWD m2K/W b) Ueq-Methode2) UAW,eq = UAW · STWD

4)

1)

U-Wert aller Schichten außen vor absorbierender Oberfläche wirksamer Gesamtenergiedurchlassgrad TWD Wärmedurchlasswiderstand außen (inkl. TWD)

Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung – WärmeschutzV) vom 16.August 1994, Bundesgesetzblatt Teil 1, Bonn, 24.August 1994, S.2121– 2123. Bansal, N.K.; Hauser, G. und Minke, G.: Passiv Building Design. A Handbook of Natural Climatic Control. Elsevier Science B.V., Amsterdam, London, New York, Tokyo 1994.

1.12.1 Winterlicher Wärmeschutz mit UAW STWD Nord Ost/West Süd

W/(m2K) – STWD = 0,20 STWD = 0,10 STWD = –0,10

585 DVD

Wärmedurchgangskoeffizient Wand inkl. TWD Strahlungsgewinnfaktor1)

-4.4.2 Wintergarten/Verglaste Anbauten Durch die Anordnung eines nicht beheizten verglasten Anbaus an das beheizte Gebäude werden die Wärmeverluste und -gewinne beeinflußt – Die direkt in das beheizte Gebäude gelangende Strahlungsenergie wird geschwächt entsprechend dem Strahlungstransmissionsgrad τe der Wintergartenverglasung und dem Konstruktionsflächenanteil FF. – Im Wintergarten entsteht ein Zwischenklima mit höheren Temperaturen als in der Außenluft (Pufferzoneneffekt), wodurch die Transmissions- und, wenn über dieses System gelüftet wird, auch die Lüftungswärmeverluste sinken. – Die strahlungsenergieaufnehmende Fläche wird vergrößert. Beispielsweise ergibt sich für das in Bild 1.12.1-11 dargestellte Gebäude die Wirkung des Wintergartens aus Bild 1.12.1-12.

Bild 1.12.1-11. Schematische Darstellung des untersuchten Einfamilienhauses mit Vermaßung. In der seitlich und der rückwärtigen (dem Wintergarten abgewandten) Fassade befinden sich Fenster mit einem Fensterflächenanteil, bezogen auf die Hausfassadenfläche ohne Wintergarten, von jeweils 5%.*) *)

2)

1)

Hauser, G.: Bauphysikalische Aspekte bei Wintergärten. Glaswelt 39 (1986), H. 5, S.10–21.

Hauser, G.: Passive Sonnenenergienutzung durch Fenster, Außenwände und temporäre Wärmeschutzmaßnahmen – Eine einfache Methode zur Quantifizierung durch keq-Werte. HLH 34 (1983), H. 3, S.111–112, H. 4, S.144–153, H. 5, S.200–204, H. 6, S.259–265. Hauser, G.: Passive Sonnenenergienutzung durch Fenster, Außenwände und temporäre Wärmeschutzmaßnahmen – Eine einfache Methode zur Quantifizierung durch keq-Werte. HLH 34 (1983), H. 3, S.111–112, H. 4, S.144–153, H. 5, S.200–204, H. 6, S.259–265.

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Hei zw ärme bedar f

DVD 586

Bild 1.12.1-12. Jahresheizwärmebedarf des Einfamilienhauses (schematisch dargestellt in Bild 1.12.1-11) mit und ohne Wintergarten in Abhängigkeit der Gebäudeorientierung. Die Gebäudeorientierung wird durch die Ausrichtung des Wintergartens bzw. des großen Fensters gekennzeichnet.*) *)

Hauser, G.: Bauphysikalische Aspekte bei Wintergärten. Glaswelt 39 (1986), H. 5, S.10–21.

-4.4.3 Temporärer Wärmeschutz Die Wärmeverluste von Fenstern während der strahlungslosen Zeit in der Nacht können durch temporäre Wärmeschutzmaßnahmen abgesenkt werden. Hierzu gehören Klappund Rolläden sowie Vorhänge und Foliensysteme. Die Wirkung einer derartigen Maßnahme kann ebenfalls mit Hilfe des äquivalenten U-Wertes gem. Bild 1.12.1-13 quantifiziert werden. Dabei ist zu beachten, dass durch die Verbesserung des Uw-Wertes die Bedeutung temporärer Wärmeschutzmaßnahmen abnimmt.

Bild 1.12.1-13 „Deckelfaktor“ D, der sich aus Uw,eq = Uw – g · Sw – D · Uw ergibt, in Abhängigkeit von Verhältnis kF+tW/kF und der Raumnutzung (Wärmedurchgangskoeffizient U wurde früher mit k bezeichnet, Index F+tW: Fenster plus temporärer Wärmeschutz). Zugrunde gelegte Daten: siehe *) *)

Hauser, G.: Passive Sonnenenergienutzung durch Fenster, Außenwände und temporäre Wärmeschutzmaßnahmen – Eine einfache Methode zur Quantifizierung durch keq-Werte. HLH 34 (1983), H. 3, S.111–112, H. 4, S.144–153, H. 5, S.200–204, H. 6, S.259– 265.

1.12.2 Sommerlicher Wärmeschutz

-5

587 DVD

Wärmespeicherung

Wegen der auch während der Heizperiode vorhandenen Temperaturschwankungen in Gebäuden wird deren Heizwärmebedarf auch von der Wärmespeicherfähigkeit und der Schichtanordnung der eingesetzten Materialien, d.h. von der thermisch wirksamen Wärmespeicherfähigkeit, beeinflußt. Dabei sind zwei Vorgänge zu beachten:1) Die auf ein Gebäude auftreffende und durch die Fenster in die einzelnen Räume gelangende Sonneneinstrahlung kann im allgemeinen von der Schwerbauart besser ausgenutzt werden als von der Leichtbauart, da bei der Schwerbauart eine Überheizung der Räume entweder überhaupt nicht auftritt oder wesentlich geringer ausfällt. Somit bleiben zusätzliche Energieverluste durch ansteigende Raumlufttemperaturen, die eine Erhöhung der Lüftungs- und Transmissionswärmeverluste zur Folge haben, bei der Schwerbauart kleiner als bei der Leichtbauart. Bezüglich des Heizbetriebes erweist sich jedoch eine trägheitslosere, weniger wärmespeichernde Bauweise als günstiger, weil die Raumlufttemperaturen während jener Zeiten, zu denen die Räume nicht genutzt werden, stärker absinken können, wodurch die Wärmeverluste verringert werden (Nacht-, Wochenendabsenkung). Beim Heizwärmebedarf von Gebäuden liegen somit bezüglich des Einflusses der Bauart zwei einander gegenläufige Phänomene vor. Allgemeingültige Aussagen, welche Bauart bezüglich des Heizwärmebedarfs günstiger ist, sind deshalb nicht möglich, sehr wohl jedoch Tendenzen:2) a) Bei milden, kurzen Heizperioden, die durch relativ hohe Außenlufttemperaturen und damit kleinen Gradtagzahlen sowie durch relativ hohe Sonneneinstrahlungsintensitäten gekennzeichnet sind, ist eine schwere Bauart von Vorteil; bei langen, „grimmigen“ Heizperioden eine leichte. Die meteorologischen Verhältnisse Deutschlands entsprechen etwa einem Übergangsbereich. b) Eine hohe Wärmespeicherfähigkeit weist sich unter den klimatischen Verhältnissen Deutschlands positiv aus, wenn • aus nutzungsbedingten Gründen ein Dauerheizbetrieb nötig ist, • das Heizsystem nur sehr träge reagiert, • schwankende hohe äußere und innere Wärmelasten, wie Sonneneinstrahlung oder interne Wärmequellen vorhanden sind. c) Eine geringe Wärmespeicherfähigkeit ist von Vorteil, wenn • lange Heizunterbrechungen, wie Nacht- oder Wochenendabsenkung möglich sind, • eine seltene Nutzung vorliegt (Gästezimmer, Hobbyraum), • hohe spezifische Wärmeverluste auftreten. Unter den meteorologischen Daten Deutschlands ist bei wohnähnlicher Nutzung der Einfluß der Wärmespeicherfähigkeit von praktisch vernachlässigbarer Bedeutung.3)

1.12.2 -1

Sommerlicher Wärmeschutz Beurteilungsgrößen

Der sommerliche Wärmeschutz hat die Aufgabe, auch unter hochsommerlichen Randbedingungen, möglichst behagliche Raumverhältnisse sicherzustellen. Mit baulichen Mitteln soll sichergestellt werden, dass die Außenlufttemperaturen in ihrem Maximalwert im Gebäudeinneren nicht überschritten werden. Deshalb wird zur Beurteilung des sommerlichen Wärmeverhaltens die sich einstellende Innenlufttemperatur herangezogen. Eine detailliertere Kennzeichnung kann jedoch durch die sogenannte empfundene Temperatur erfolgen, die neben der Lufttemperatur auch die Oberflächentemperatur

1) 2)

3)

Hauser, G.: Vergleich des jährlichen Wärme- und Energieverbrauchs von Einfamilienhäusern in Leicht- und Schwerbauweise. Bundesbaublatt 33 (1984), H. 2, S.120–124. Hauser, G.: Einfluß des Wärmedurchgangskoeffizienten und der Wärmespeicherfähigkeit von Bauteilen auf den Heizenergieverbrauch von Gebäuden. Literaturstudie. Bauphysik 6 (1984), H. 5, S.180–186, H. 6, S.207–213. Hauser, G. und Otto, F.: Einfluß der Wärmespeicherfähigkeit auf Heizwärmebedarf und sommerliches Wärmeverhalten. db 134 (2000), H. 4, S.113–118.

DVD 588

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

berücksichtigt, als integralen Wert. Daneben wird in1) die Übertemperaturgradstundenzahl Gh26 verwendet, 8760 h

Gh26 =

∑

(θempf – 26 °C)pos. · 1 h

i=1

mit θempf °C empfundene Temperatur die nicht nur eine Momentaufnahme an einem besonders warmen bzw. strahlungsreichen Tag wiedergibt, sondern die sich während eines gesamten Jahres einstellenden Verhältnisse beschreibt.

-2

Einflußparameter

Das sommerliche Wärmeverhalten eines Gebäudes wird im wesentlichen geprägt durch – die äußeren Lasten in Form der Fenstergröße, des Gesamtenergiedurchlassgrades der Verglasung, eventuell des Abminderungsfaktors von Sonnenschutzvorrichtungen sowie des Absorptionsgrades der Außenbauteile und gegebenenfalls des Transmissionsgrades von transluzenten Wärmedämmsystemen sowie der Fassadenorientierung – die internen Lasten, konvektiv und radiativ – die Lüftungsmöglichkeiten des Gebäudes, insbesondere zu Zeiten mit tiefen Außenlufttemperaturen, d.h. während der Nacht und in diesem Zusammenhang der Wärmespeicherfähigkeit der Baukonstruktion. Beide Größen sind eng miteinander verknüpft. So wird eine hohe Wärmespeicherfähigkeit der Baukonstruktion insbesondere bei der Möglichkeit einer intensiven Nachtlüftung wirksam. – den baulichen Wärmeschutz. Ein guter baulicher Wärmeschutz mit kleinen Wärmedurchgangskoeffizienten führt bei sinnvollem Nutzerverhalten und üblichen Randbedingungen ebenfalls zu einer Verbesserung der Behaglichkeit im Sommer.2)

-3

Planungsgröße

Neben der für detaillierte Aussagen wohl am aussagefähigsten Größe Gh26, die ausschließlich über dynamische Simulationsberechnungen gewonnen werden kann, bietetsich für überschlägige Beurteilungen der sogenannte Sonneneintragskennwert ( f · gtotal ) an.3)4) Dieser Wert sollte möglichst klein sein. Dabei sind für den Abminderungsfaktor FC, aus dessen Multiplikation mit dem Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung sich der Totalwert ergibt, Werte aus Tafel 1.12.2-2 zu entnehmen. Die Überarbeitung der Norm wird künftig den Höchstwert des Sonneneintragskennwertes wie folgt festlegen Σ j ( A w ,j ⋅ g total ,j ) - ≤ Σ Sx S = -------------------------------------AG

mit Aw gtotal AG Sx

1) 2) 3) 4)

– – – –

Fensterfläche des Raumes Gesamtenergiedurchlassgrad Verglasung inkl. Sonnenschutz (gtotal = g·FC) Nettogrundfläche des Raumes oder Raumbereiches Anteilige Sonneneintragskennwerte gem. Tafel 1.12.2-1

Hauser, G. und Otto, F.: Auswirkungen eines erhöhten Wärmeschutzes auf die Behaglichkeitim Sommer. Bauphysik 19 (1997), H. 6, S.169 -176; 21. Internationaler Velta Kongreß ’99, S.39–53. Hauser, G. und Otto, F.: Auswirkungen eines erhöhten Wärmeschutzes auf die Behaglichkeitim Sommer. Bauphysik 19 (1997), H. 6, S.169 -176; 21. Internationaler Velta Kongreß ’99, S.39–53. Hauser, G. und Gertis, K.: Der sommerliche Wärmeschutz von Gebäuden (Normungsvorschlag). KI 8 (1980), H. 2, S. 71–82. DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Juli 2003.

1.12.2 Sommerlicher Wärmeschutz

589 DVD

Tafel 1.12.2-1 Anteilige Sonneneintragskennwerte zur Bestimmung des zulässigen Höchstwertes des Sonneneintragskennwertes*) 1

2

Zeile

3

4

Gebäudelage bzw. Bauart, Fensterneigung und Orientierung

Anteiliger Sonneneintragskennwert Sx

Klimaregiona):

1 1.1

Gebäude in Klimaregion A

0,04

1.2

Gebäude in Klimaregion B

0,03

1.3

Gebäude in Klimaregion C

0,015

Bauartb)

2 2.1

leichte Bauart: ohne Nachweis von Cwirk/AG

0,06 fgewc)

2.2

mittlere Bauart: 50 Wh/(Km2) ≤ Cwirk/AG ≤130 Wh/(Km2)

0,10 fgewc)

2.3

schwere Bauart: Cwirk/AG ≤130 Wh/(Km2)

0,115 fgewc)

3

Erhöhte

Nachtlüftungd)

mittlererb)

während der zweiten Nachthälfte n ≥1,5 h–1

und leichterb) Bauart

3.1

bei

3.2

bei schwerer Bauartb)

0,02 0,03

4

Sonnenschutzverglasunge) mit g ≤ 0,4

0,03

5

Fensterneigung 0° ≤ Neigung ≤ 60° (gegenüber der Horizontalen)

–0,12 fneigf)

6

Orientierung: Nord-, Nordost- und Nordwestorientierte Fenster soweit die Neigung gegenüber der Horizontalen >60° ist sowie Fenster, die dauernd vom Gebäude selbst verschattet sind

0,10 fnordg)

*) a) b)

c)

d) e) f)

g)

DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Juli 2003. Höchstwerte der monatlichen Außenlufttemperaturen nach Tabelle 6 der DIN 4108-2; Im Zweifelsfall kann nach DIN V 4108-6 die wirksame Wärmespeicherfähigkeit bestimmt werden, um die Bauart einzuordnen; dabei ist folgende Einstufung vorzunehmen: – leichte Bauweise liegt vor, wenn Cwirk/AG 130 Wh/(Km2); fgew = (AW + 0,3 AAW + 0,1 AD) / AG mit fgew gewichtete Außenflächen bezogen auf die Nettogrundfläche; die Gewichtsfaktoren berücksichtigen die Relation zwischen dem sommerlichen Wärmedurchgang üblicher Außenbauteile; AW Fensterfläche (einschließlich Dachfenster) nach 8.4 der DIN 4108-2; AAW Außenwandfläche (Außenmaße); AD wärmeübertragende Dach- oder Deckenfläche nach oben oder unten gegen Außenluft, Erdreich und unbeheizte Dach- und Kellerräume (Außenmaße); AG Nettogrundfläche (lichte Maße) nach 8.4 der DIN 4108-2 Bei Ein- und Zweifamilienhäusern kann in der Regel von einer erhöhten Nachtlüftung ausgegangen werden; Als gleichwertige Maßnahme gilt eine Sonnenschutzvorrichtung, die die diffuse Strahlung permanent reduziert und deren gtotal 60° ist sowie Fensterflächen, die dauernd vom Gebäude selbst verschattet sind; AW,gesamt gesamte Fensterfläche

DVD 590

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Tafel 1.12.2-2 Anhaltswerte für Abminderungsfaktoren Fc von fest installierten Sonnenschutzvorrichtungen*) Sonnenschutzvorrichtunga)

Zeile 1

Ohne Sonnenschutzvorrichtung

2

Innenliegend oder zwischen den Scheibenb)

Fc 1,0

2.1

weiß oder reflektierende Oberfläche mit geringer Transparenz

0,75

2.2

helle Farben oder geringe Transparenzc)

0,80

2.3

dunkle Farben oder höhere Transparenzc)

0,90

3

Außenliegend 3.1

drehbare Lamellen, hinterlüftet

0,25 c)

3.2

Jalousien und Stoffe mit geringer Transparenz , hinterlüftet

3.3

Jalousien allgemein

0,40

3.4

Rollläden, Fensterläden

0,30

3.5

Vordächer, Loggien, freistehende Lamellend)

0,50

d)

0,25

3.6

Markisen , oben und seitlich ventiliert

0,40

3.7

Markisend), allgemein

0,50

*) DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Juli 2003. a) Die Sonnenschutzvorrichtung muss fest installiert sein. Übliche dekorative Vorhänge gelten nicht als Sonnenschutzvorrichtung. b) Für innen und zwischen den Scheiben liegende Sonnenschutzvorrichtungen ist eine genauere Ermittlung zu empfehlen, da sich erheblich günstigere Werte ergeben können. c) Eine Transparenz der Sonnenschutzvorrichtung unter 15% gilt als gering. d) Dabei muss näherungsweise sichergestellt sein, dass keine direkte Besonnung des Fensters erfolgt. Dies ist der Fall, wenn – bei Südorientierung der Abdeckwinkel β ≥ 50° ist; – bei Ost-Westorientierung der Abdeckwinkel β ≥ 85° oder γ ≥ 115° ist. Zu den jeweiligen Orientierungen gehören Winkelbereiche von ± 22,5°. Bei Zwischenorientierungen ist der Abdeckwinkel β ≥ 80° erforderlich. Vertikalschnitt durch Fassade

1.12.3

Horizontalschnitt durch Fassade

Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen

Wasserdampf befindet sich als Bestandteil des Luftgemisches in der Atmosphäre und wird im Inneren von Gebäuden durch die Menschen und Tiere sowie durch Kochen, Waschen, Baden usw. erzeugt. Da die Luft mit sinkender Temperatur weniger Wasserdampf binden kann, erhöht sich ihre relative Feuchte bei Berührung von kälteren Bauteiloberflächen bis hin zu 100%, Tauwasser fällt aus. Da aufgrund des Temperaturgefälles zwischen innen und außen während der kalten Jahreszeit bei Außenbauteilen immer tiefere raumseitige Oberflächentemperaturen als Lufttemperaturen vorliegen, besteht bei diesen Bauteilen die Ge-

1.12.3 Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen

591 DVD

fahr des Tauwasserausfalls, oder, was wesentlich häufiger und schneller eintritt, der Schimmelpilzbildung. Die Temperatur, bei deren Erreichung mit Tauwasserausfall zu rechnen ist, heißt Taupunkttemperatur und ist in Bild 1.12.2-1 in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur und der relativen Luftfeuchte wiedergegeben. Zur Erläuterung des Phänomens dient Bild 1.12.2-2, wo für den Eckbereich eines Außenbauteils die jeweiligen Oberflächentemperaturen in °C und die dazugehörige maximal zulässige Raumluftfeuchte angegeben ist, damit keine Tauwasserbildung entsteht. Dabei ist die Fixierung der Randbedingungen, nämlich der Außen- und Innenlufttemperatur, notwendig. Deshalb ist es praktischer, die raumseitigen Oberflächentemperaturen von Außenbauteilen mit Hilfe eines Temperaturfaktors f 1) (bislang im deutschsprachigen Raum mit λ bezeichnet)2)3)4) zu kennzeichnen.

Bild 1.12.2-1. Taupunkttemperatur in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur und der relativen Luftfeuchte

Bild 1.12.2-2. Eckbereich eines Außenbauteils mit Kennzeichnung der jeweiligen Oberflächentemperaturen in °C und maximal zulässigen Raumluftfeuchten zur Vermeidung von Tauwasserbildung.

1) 2)

3) 4)

DIN EN ISO 10211-1: Wärmebrücken im Hochbau. Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Teil 1: Allgemeine Berechnungsverfahren. November 1995. Hauser, G., Schulze, H. und Wolfseher, U.: Wärmebrücken im Holzbau. Bauphysik 5 (1983), H. 1, S.17–21; H. 2, S.42–51; Bauen mit Holz 86 (1984), H. 2, S.81–92; Schweizerische Schreinerzeitung 98 (1987), H. 39, S.936–946. Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. Bauverlag Wiesbaden, 1990, 2. durchgesehene Auflage 1993, 3. durchgesehene Auflage 1996. Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, 1992.

DVD 592

1. Grundlagen / 1.12 Bauphysikalische Grundlagen zum baulichen Wärmeschutz

Der Temperaturfaktor f ergibt sich aus folgender Definitionsgleichung θ si – θ e f = ----------------θi – θe

mit θsi °C Oberflächentemperatur innen θe °C Lufttemperatur außen θi °C Lufttemperatur innen Eine eventuelle Berechnung der raumseitigen Oberflächentemperatur in °C kann gem. folgender Gleichung erfolgen θsi = f · (θi – θe) + θe Ein f-Wert von 0,7 entspricht somit bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C und einer Außenlufttemperatur von –5 °C einer Oberflächentemperatur von 12,5 °C. Zur Vermeidung von Tauwasserbildung auf raumseitigen Oberflächentemperaturen muss die relative Luftfeuchte im Innern eines Gebäudes folgender Bedingungen genügen 109 ,8 + f ⋅ ( θ i – θ e ) + θ e⎞ 8, 02 ϕ ≤ ⎛⎝ ---------------------------------------------------------⋅ 100% ⎠ 109 ,8 + θ i

mit ϕ

%

relative Feuchte der Raumluft

Da Schimmelpilzbildung bereits vor Tauwasserbildung aufgrund der Porösität der meisten Baustoffe einsetzt – in Wirklichkeit wird es bei diesen Baustoffen praktisch niemals zur reinen Tauwasserbildung kommen, da der Kapillartransport sehr wirksam ist und große Mengen an Wasser abtransportiert werden – muss zur Vermeidung von Schimmelpilzbildung nach heutigem Kenntnisstand1)2)3) folgende Bedingung eingehalten werden 109 ,8 + f ⋅ ( θ Li – θ La ) + θ La⎞ 8, 02 ϕ ≤ 0 ,8 ⋅ ⎛⎝ ------------------------------------------------------------------⋅ 100% ⎠ 109 ,8 + θ Li

Die Temperaturfaktoren f können aus verschiedenen Nachschlagewerken entnommen werden,4)5)6)7) bzw. einem neuen Planungsinstrument, welches die Musterlösungen der DIN 4108 Beiblatt 2 enthält und auch die Temperaturfaktoren beinhaltet sowie die Grenzwerte für Schimmelpilz- und Tauwasserbildung8) ausweist (vgl. Bild 1.12.2-3).

1) 2)

3) 4) 5) 6)

7) 8)

Balázs, K. und Zöld, A.: Monitoring in Wohnungen in Kecskemet von 1987 bis 1989. (Ungarisch). TU und ETI Budapest (1989). Balázs, K. und Zöld, A.: Mindestluftwechsel im praktischen Test. Ermittlung der Bedingungen für die Schimmelpilzbildung in Räumen anhand der Kapillarkondensation. HLH 41 (1990), H. 7, S.620–622. Erhorn, H.: Schimmelpilzanfälligkeiten von Baumaterialien. Fraunhofer-Institut für Bauphysik. Neue Forschungsergebnisse 17 (1990), Mitteilungen 196. Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. Bauverlag Wiesbaden, 1990, 2. durchgesehene Auflage 1993, 3. durchgesehene Auflage 1996. Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, 1992. Hauser, G. und Stiegel, H.: Quantitative Darstellung der Wirkung von Wärmebrücken. IRB-Verlag Bauforschung für die Praxis, Band 31 Niedrigenergiehäuser unter Verwendung des Dämmstoffes Styropor. (1997). Hauser, G., Schulze, H. und Stiegel, H.: Wärmetechnische Optimierung von Anschlussdetails bei Niedrigenergiehäusern und Erarbeitung von Standardlösungen. IRB-Verlag Stuttgart, Dez. 1996. Hauser, G., Stiegel, H. und Haupt,W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Baunatal 1998. 1. überarbeitete Fassung 2002.

1.12.3 Tauwasserbildung auf Innenoberflächen von Außenbauteilen

593 DVD

Bild 1.12.2-3. Beispiel für die Darstellung der Temperaturfaktoren sowie der Grenzwerte für Schimmelpilz- und Tauwasserbildung.*) *)

Hauser, G.; Stiegel, H. und Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Baunatal. 1. überarbeitete Fassung 2002.

2.1.1 Anforderungen an Heizanlagen

2

HEIZUNG

2.1

Allgemeines

2.1.1

Anforderungen an Heizanlagen

595 DVD

Gewöhnlich bezeichnet man als Aufgabe der Heizung, den Aufenthaltsraum des Menschen im Winter zu heizen.1) Genauer gesagt besteht die Aufgabe darin, die Wärmeabgabe des menschlichen Körpers in der kalten Jahreszeit durch Erwärmung der Umgebung derart zu regulieren, dass sich ein Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion und Wärmeabgabe einstellt und der Mensch sich wärmephysiologisch behaglich fühlt. Die Faktoren, die die Behaglichkeit beeinflussen, sind außer der Kleidung und Aktivität insbesondere Lufttemperatur, mittlere Wandtemperatur, Luftfeuchte, Luftbewegung und Luftreinheit. Die Heizung beeinflußt unmittelbar nur zwei dieser fünf Faktoren, nämlich die Lufttemperatur und die mittlere Wandtemperatur (einschließlich der Heizflächen), die man beide unter dem gemeinsamen Begriff der Empfindungstemperatur zusammenfaßt. Die übrigen Faktoren lassen sich nur durch eine Klimaanlage beeinflussen, die man als das vollkommenste technische Mittel zur Erzielung eines behaglichen und gesunden Raumklimas bezeichnen kann. Etwa 40% des Primärenergieverbrauchs der Bundesrepublik wird für Raumheizung aufgewendet, zum Teil mit geringem Wirkungsgrad. Die Einsicht, dass unsere Energiequellen begrenzt sind und der Verbrauch zur Umweltbelastung beiträgt, hat dazu geführt, dass gerade in der Heizungstechnik das Energiesparen große Bedeutung gewonnen hat. Der gegenwärtige Entwicklungsstand der Heizungstechnik ist daher dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Energieverbrauchs zahlreiche, teils langfristige Maßnahmen und Methoden eingeführt wurden, die sich sowohl auf den baulichen wie den technischen Bereich beziehen. Ferner sind wesentliche Fortschritte zur umweltfreundlichen Verbrennung – teils durch Verordnungen forciert – erzielt worden. Die Anforderungen an die Heizung lassen sich wie folgt charakterisieren: 1. Die Empfindungstemperatur in dem beheizten Raum (Mittelwert aus Luft- und mittlerer Wandtemperatur) soll in vertikaler und horizontaler Richtung sowie zeitlich möglichst gleichmäßig sein, etwa 20 °C bis 22 °C. Dabei stellt sich ein dauerndes Gleichgewicht ein zwischen der durch Verbrennung der Nahrung und durch Muskeltätigkeit entstehenden körperlichen Wärme und der Wärmeabgabe an die Umgebung. 2. Die Heizung soll regelbar sein, d.h., die Empfindungstemperatur soll sich entsprechend dem Wunsch des einzelnen in gewissen Grenzen ändern lassen können. Die Regelung soll dabei möglichst trägheitsarm, d.h. schnell erfolgen; insbesondere soll sich der Raum schnell aufheizen lassen. 3. Die Raumluft (innere Umwelt) soll durch die Heizung nicht verschlechtert werden; insbesondere soll keine merkliche Erzeugung von Staub, schädlichen Gasen und Dämpfen möglich sein; auch dürfen keine störenden Geräusche und Zugerscheinungen auftreten. Die Heizkörper sollen leicht zu reinigen sein und architektonisch gefällig sein. 4. Die gleichzeitig mit der Heizung erfolgende Erwärmung der zur Behaglichkeit (Luftqualität) erforderlichen Außenluft (Lüftungswärme) soll zugfrei und ohne störende Luftströmungen bewirkt werden.

1)

Siehe auch Hermann-Rietschel – Archiv zur Geschichte der Heizung- und Klimatechnik Universität Kaiserslautern, Prof. Usemann.

DVD 596

2. Heizung / 2.1 Allgemeines

5. Die Heizung soll kostengünstig in Anschaffung und Betrieb sein. Insbesondere soll sie sparsam und wirtschaftlich betrieben werden können. 6. Die Heizung soll umweltfreundlich sein. Dazu gibt es, teils durch Vorschriften geregelt, feuerungs- und brennstoffseitige Maßnahmen. Auch die Schornsteinausführung gehört hierzu. Eine Heizung, die alle genannten Forderungen in gleicher Weise erfüllt, gibt es natürlich nicht. Alle heutigen Heizungen, angefangen vom uralten Kaminfeuer bis zur modernen Niedertemperaturheizung, haben Vor- und Nachteile. Insgesamt hat die Technik aber einen hohen Stand erreicht. Welche Heizungsart in einem Einzelfall zu wählen ist, hängt von vielen Faktoren ab, die zu berücksichtigen sind, z.B. Gebäudeart, Dauer der Benutzung, Zahl der Personen und ihrer Kleidung, Art der Brennstoffe, Umweltbelastung, Anlage- und Betriebskosten, regionale Vorschriften usw. Im wesentlichen gliedern sich Heizungsanlagen nach Lage der Wärmeerzeuger: Einzel-, zentrale Gebäude- und Fernheizungen; Energieart: Kohle, Gas, Öl, Strom, Umweltenergie (Solar- und Wärmepumpenheizungen); Wärmeträger: Warmwasser, Heißwasser, Dampf und Luft; Art der Wärmeabgabe: Konvektions-, Strahlungs-, Luft- und kombinierte Heizungen.

2.1.2

Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik

Kennfarben und Sinnbilder s. Tafel 2.1.2-1 bis Tafel 2.1.2-4. Weitere Sinnbilder sind in DIN 2481:1979-06 (Sinnbilder in Wärmekraftanlagen), DIN EN 12792:2004-01 (Lüftung von Gebäuden – Symbole, Terminologie und graphische Symbole) enthalten. Bildzeichen und Kennbuchstaben für Messen, Steuern, Regeln (MSR) werden entsprechend der DIN 192271) verwendet. Der Meßort wird durch eine schmale Verbindungslinie mit dem MSR-Stellen-Kreis (s. Bild 2.1.2-1) dargestellt. Mit dem MSR-Stellen-Kreis werden durch Buchstaben die Meßgröße (oder eine andere Eingangsgröße) und ihre Verarbeitung Ziffern, die MSR-Stellen-Nummer angegeben.

PDI 101 Diff.-Druckmessung, örtl. Anzeige FQI 102 Mengenmessung, Anzeige Meßwerte FR 103 Durchflußmessung, Registrierung, Unterwarte Bild 2.1.2-1. Anwendungsbeispiel MSR-Stellen-Plan.

Der Signalflußweg wird durch kurze, schmale, gestrichelte Linien (wenn keine Verwechslung möglich ist auch durch Vollinien) zwischen MSR-Stellen-Kreis und Stellgerät deutlich gemacht. Die Signalflußrichtung kann durch einen Pfeil gekennzeichnet werden. Im MSR-Stellen-Kreis (vorzugsweise 10 mm Durchmesser, bei größerem Platzbedarf zu einem Langrund gestreckt) erfolgt die Charakterisierung des Ausgabe- und Bedienungsortes. Ist dies der Meß- oder Stellort, wird der MSR-Stellen-Kreis nicht die zentrale Warte, wird er durch einen waagerechten Strich halbiert die örtliche Meßtafel (Unterwarte), wird er durch einen Doppelstrich halbiert.

1)

DIN 19227-1:1993-10: Bildzeichen und Kennbuchstaben für Messen, Steuern, Regeln in der Verfahrenstechnik, Zeichen für funktionelle Darstellung.

2.1.2 Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik

597 DVD

Bis zu vier Kennbuchstaben charakterisieren die Meßgröße und deren Verarbeitung. Die Erstbuchstaben geben mit D die Dichte, E elektrische Größen, F den Durchfluß, G den Abstand, H den Handeingriff, K die Zeit, L den Stand, M die Feuchte, P den Druck, Q eine Qualitätsgröße, R Strahlungsgrößen, S Geschwindigkeiten, T Temperaturen, U zusammengesetzte Größen, V Viskosität, W die Massen an. Gegebenenfalls werden mit Ergänzungsbuchstaben als Zeitbuchstaben weiterhin charakterisiert mit D die Differenz, F das Verhältnis, Q die Summe. Die weiteren Folgebuchstaben O für Sichtzeichen, ja/neinAussagen, I für Anzeige, R für Registrierung, C für selbsttätige Steuerung, Regelung, S für Schaltung, nicht fortlaufende Steuerung, Z für Noteingriff, A für Grenzwertmeldung, Alarm kennzeichnen die Verarbeitung der Meßgrößen. Die MSR-Nummern sind frei wählbar.

DVD 598 Tafel 2.1.2-1

2. Heizung / 2.1 Allgemeines Kennfarben für Heizungsrohrleitungen.

2.1.2 Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik Tafel 2.1.2-2

1)

Graphische Symbole für Rohrleitung nach DIN 2429:1988-01

aus DIN 1946-1.

599 DVD

DVD 600 Tafel 2.1.2-3

2. Heizung / 2.1 Allgemeines Sinnbilder der Heiztechnik*)

2.1.2 Kennfarben und Sinnbilder der Heizungs- und Wärmetechnik Tafel 2.1.2-4

Sinnbilder der Heizungstechnik

601 DVD

DVD 602

2.2

2. Heizung / 2.2 Heizungssysteme

Heizungssysteme

Bei den Einzelheizungen befindet sich die Feuerstätte (Wärmeerzeuger) in den zu beheizenden Räumen selbst. Bei den Zentralheizungen ist für sämtliche Räume eines Hauses nur ein Wärmeerzeuger, bestehend aus einem oder mehreren Heizkesseln, vorhanden, während die einzelnen Räume mit Heizflächen der verschiedensten Art ausgestattet sein können. Als Etagenheizung auch pro Wohnung ein Wärmeerzeuger. Die Fernheizung schließlich benutzt für eine mehr oder weniger große Gruppe von Häusern, einen Gebäudeblock oder sogar einen Stadtteil nur eine Heizzentrale. Bei der Heizkraftwirtschaft wird die bei der Stromerzeugung im Abdampf enthaltene Wärme einer Fernheizung zugeführt. Außerdem gibt es noch Sonderbauarten, insbesondere zur Nutzung regenerativer Energien: Heizung mit Wärmepumpen, mit Sonnenenergie und anderen alternativen Energien, Nahwärmekonzepte mit Blockheizkraftwerk und Spitzenlastkessel ggf. solar unterstützt.

2.2.1

Einzelheizungen von Dipl.-Ing.Vera Gräff, Stuttgart

Einzelheizungen, die mit festen Brennstoffen betrieben werden, sind entsprechend der aktuellen europäischen Normung in mehrere Feuerstättengruppen unterteilt: DIN EN 13229: Kamineinsätze1) DIN EN 13240: Raumheizer2) DIN EN 12815: Herde3) DIN EN 14785: Holzpellet-Raumheizer4) (noch nicht im official journal erschienen) DIN EN 15250: Speicherfeuerstätten5) Darin sind Anforderungen, Prüfverfahren und Konformitätsverfahren (CE-Zeichen) auf europäischer Ebene festgelegt. Die dort festgelegten geringen Grenzwerteanforderungen für Wirkungsgrad und Emissionen, werden in Deutschland durch Novellierung der 1. BImSchV (s. Abschn. 1.9.4-2 s. S. 461f) erhöht, indem neue Grenzwerte für CO- und Staub-Emissionen sowie Wirkungsgrad vorgeschrieben werden. Die Höhe der Grenzwerte richtet sich nach Art der Feuerstätte, außerdem werden zwei Stufen festgelegt. Die erste Stufe gilt ab Verordnungsverabschiedung, die zweite Stufe ab dem Jahr 2015. Tafel 2.2.1-1

Auszug aus der 1. BImSchV (Stand: Arbeitsentwurf 2007) Stufe 1

Stufe 2

Technische Regeln

–

–

%

g/m3

g/m3

g/m3

g/m3

Raumheizer mit Flachfeuerung

DIN EN 13240 (Zeitbrand); DIN 18891

73

2,0

0,10

1,25

0,04

1) 2) 3) 4) 5)

Mindestwirkungsgrad

CO*) Staub*) CO*) Staub*)

Feuerstättenart

DIN EN 13229:2005-10: Kamineinsätze einschließlich offene Kamine für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfungen DIN EN 13240:2005-10: Raumheizer für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfungen DIN EN 12815:2005-09: Herde für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfungen DIN EN 14785:2006-09: Raumheizer zur Verfeuerung von Holzpellets – Anforderungen und Prüfverfahren DIN EN 15250:2007-06: Speicherfeuerstätten für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfverfahren

Heizsysteme

Raumklima

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28.08.2008 8:36:13 Uhr

2.2.1 Einzelheizungen Tafel 2.2.1-1

603 DVD

Auszug aus der 1. BImSchV (Stand: Arbeitsentwurf 2007)

Kamineinsatz (geschlossene Betriebsweise)

DIN EN 13229; DIN 18895

75

2,0

0,10

1,25

0,04

Heizungsherd

DIN EN 12815; DIN 18882

75

3,5

0,10

1,50

0,04

Pelletofen ohne Wassertasche

DIN EN 14785 DIN 18894

85

0,40

0,05

0,25

0,03

*)

Die Emissionen beziehen sich auf Normzustand und 13 % O2 im Abgas.

Auf diesem Weg wird dem Bestreben zur Energieeffizienz und zum Umweltschutz (v. a. Feinstaub) Rechnung getragen und vereinzelte kommunale Anforderungen ausgeweitet. Die Technik der Feuerstätten ist vielfach so verbessert worden, dass die Grenzwerte verschiedener Gütezeichen, die noch immer über den Anforderungen der 1. BImSchV liegen, unterschritten werden (z. B. RAL-Umweltzeichen, Regensburger Brennstoffverordnung). Neben allgemeingültigen Prüfgrundlagen1) und Einhaltung normativer Anforderungen ist bei den Einzelheizungen die Frage des Komfortgewinns2) einerseits und andererseits die Steigerung der Wirkungsgrade bei gleichzeitiger Senkung der Emissionen3) wichtig. Weitere Entwicklungen sind veränderte Verbrennungsluftversorgungen, da bei immer dichter ausgeführten Häusern, die notwendige Verbrennungsluft nicht allein über das Wohnraumvolumen bereitgestellt werden kann. Es werden externe Verbrennungsluftanschlüsse entwickelt oder Feuerstätten zusätzlich raumluftunabhängig ausgeführt (keine Wechselwirkung mit der Raumluft). Dadurch wird auch der gleichzeitige Einbau von Feuerstätte und Wohnungslüftung (s. Abschn. 3.6.2-1 s. S. 1687) ermöglicht.4) Nach den herkömmlichen Festbrennstoff-Feuerstätten, die fast ausschließlich mit Kohle betrieben wurden, wird heute überwiegend Holz verbrannt. Dazu sind Veränderungen in der Feuerraumgeometrie notwendig gewesen. Neben Scheitholz werden verstärkt Holzpellets eingesetzt (s. Abschn.1.3.6-4 s. S. 286ff und 2.6.4-4 s. S. 1210). Die nachfolgenden Teilkapitel über Kamine, Kachelöfen und eiserne Öfen stellen eine Übersicht über traditionelle Einzelfeuerstätten dar. Aus den Entwicklungen der Kamine zu Kaminkassetten sind heute die Kamineinsätze hervorgegangen. Kachelöfen, sofern nicht handwerklich errichtet, sondern mit Heizeinsätzen ausgestattet, werden zu den Kamineinsätzen gezählt. Die eisernen Öfen (Zimmeröfen) wurden weiterentwickelt und als Raumheizer zusammengefasst. Diese Kaminöfen und Dauerbrandöfen sind die durch Konstruktion und vorgesehenen Brennstoff unterschiedlich geeignet für Zeitbrand oder Dauerbrand.

-1

Kamine5)

Das offene Kaminfeuer (Bild 2.2.1-1) entstand aus der ältesten Feuerstätte, dem offenen Herdfeuer. Verwendung in Ländern mit mildem Winterklima, z.B. England. Heizwirkung hauptsächlich durch Strahlung. Wirkungsgrad sehr gering, etwa 20 bis 30%. Geringe Anschaffungskosten, jedoch viel Bedienung erforderlich. Verwendung manchmal zu dekorativen Zwecken, ein-, zwei-, drei- oder allseitig offen (Bild 2.2.1-2). In neuerer Zeit werden verstärkt Kamine mit Heizgaszügen hergestellt, deren Wärmeabgabe vorwiegend durch Konvektion erfolgt. Diese Kamine werden mit vorgefertigten Kamineinsätzen errichtet, die den Feuerraum, den Abgassammler, die Heizgaszüge und den Abgasstutzen enthalten. Kamineinsätze können auch mit Verschlüssen wie Glastüren versehen sein,

1) 2) 3) 4) 5)

Sprung, J.: Bauphysik 3/02. S. 145/149. Sprung, J.: König, N.: HLH 11/02. S. 26/34. Zollner, H.: Schornsteinfegerhandwerk 7/05. S. 19/25. Sprung, J.: Bauphysik 6/98. S. 254/256. Astfalk, D.: Schornsteinfegerhandwerk 12/98. S. 25/43 Sprung, J.: Bauphysik 6/04. S. 340/346. Ergänzungen von Dr.-Ing. Dieter Stehmeier, Langenhagen.

DVD 604

2. Heizung / 2.2 Heizungssysteme

mit dem die Öffnung des Kamins während des Betriebes verschlossen und damit der Wirkungsgrad beträchtlich gesteigert werden kann.

Bild 2.2.1-1.

Bild 2.2.1-2. Schemata von Kamineinsätzen nach DIN 18895, Bezeichnung A.*) *) Beuth-Kommentar zu DIN 18895-1 bis 3: 1990-08 bis 1999-01.

Offene Kamine sind entsprechend DIN 188961) zu errichten und zu betreiben. Kamineinsätze und Kaminkassetten sind nach DIN EN 132292) CE-gekennzeichnet. Unterschieden wird zwischen offenen Kaminen – mit Kamineinsätzen, die sowohl offen als auch geschlossen betrieben werden können (bisher nach DIN 18895-13) als Bauart A bezeichnet, s. Bild 2.2.1-1 und Bild 2.2.1-2), – mit Kamineinsätzen mit selbstschließenden Türen (bisher nach DIN 18895-34) als Bauart A1 bezeichnet) und – ohne Kamineinsätze (bisher DIN 18895-1 als Bauart B bezeichnet), die keine Heizgaszüge haben dürfen. Bestehende offene Kamine können mit Kaminkassette (s. Bild 2.2.1-3) nachgerüstet werden, die vergleichbar sind mit Kamineinsätzen. Unterschieden wird zwischen – Kaminkassetten, die sowohl offen als auch geschlossen betrieben werden können (bisher nach DIN 18895-3 als Bauart C bezeichnet) und – Kaminkassetten mit selbstschließenden Türen (bisher nach DIN 18895-3 als Bauart C1 bezeichnet).

1) 2) 3)

DIN 18896:2005-06: Feuerstätten für feste Brennstoffe – Technische Regeln für die Installation, Anforderungen an die Bedienungsanleitung. DIN EN 13229:2005-10: Kamineinsätze einschließlich offene Kamine für feste Brennstoffe. DIN 18895-1:1990-08: Feuerstätten für feste Brennstoffe zum Betrieb mit offenem Feuerraum (offene Kamine); Anforderungen, Aufstellung und Betrieb. DIN 18895-2:1990-08: Feuerstätten für feste Brennstoffe zum Betrieb mit offenem Feuerraum (offene Kamine); Prüfung und Registrierung. DIN 18895-3:1994-09 E: Feuerstätten für feste Brennstoffe zum Betrieb mit offenem Feuerraum (offene Kamine); Kaminkassetten zum Bau von oder zum nachträglichen Einbau in offene Kamine sowie Kamineinsätze und Kaminkassetten mit selbstschließenden Türen; Anforderungen, Prüfung, Kennzeichnung.

2.2.1 Einzelheizungen

605 DVD

Bild 2.2.1-3. Kaminkassette mit Stützmauer im Feuerraum und Hinterfüllung.*) *) Beuth-Kommentar zu DIN 18895-1 bis 3: 1990-08 bis 1999-01.

Während offene Kamine vor Ort errichtet und somit fest eingebaut werden, sind Kaminöfen Fertigprodukte und somit transportabel. Kaminöfen sind nach DIN EN 132401) CE-gekennzeichnet. Unterschieden wird zwischen – Kaminöfen mit selbstschließenden Türen, die nur zur Bedienung geöffnet werden können (bisher nach DIN 188912) als Bauart 1 bezeichnet) und – Kaminöfen, die mit geschlossener oder offener Feuerraumtür betrieben werden können (bisher nach DIN 18891 als Bauart 2 bezeichnet). Daneben gibt es für offene Kamine Rohrsysteme oder Doppelwände zum Anschluss an die hausinterne Warmwasserheizung: Heizkamine. Sobald das Wasser im Kamin eine bestimmte Temperatur erreicht hat, wird die zugehörige Umwälzpumpe ein- und die Heizungspumpe ausgeschaltet. Wärmeausnutzung über Zentralheizung somit auch für andere Räume. Leistung bis 20 kW. Die Nennwärmeleistung von Kamineinsätzen, -kassetten und -öfen mit geschlossener Tür ist in der Betriebsanleitung sowie auf dem Typenschild angegeben. Die Wärmeleistung bei offenem Betrieb beträgt etwa 3500...4500 W je m2 Kaminöffnung. Verfeuerung hauptsächlich von Holz. Nach der 1. BImSchV (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen) dürfen offene Kamine nur gelegentlich und dann nur mit naturbelassenem stückigem Holz betrieben werden (kein Sperrholz, Spanplatte etc.). Dies gilt nicht für Kamineinsätze, -kassetten und -öfen mit selbstschließenden Türen (bisher Bauart 1). Bei offener Betriebsweise sehr viel Verbrennungsluft erforderlich, die jedoch nur zum Teil an der Verbrennung teilnimmt (120...500 m3/h). Luftgeschwindigkeit in Feuerraumöffnung ≈ 0,2 m/s. Manchmal auch direkte Luftzufuhr aus dem Freien in oder vor den Feuerraum. Die DIN 188963) fordert Sicherstellung der Verbrennungsluftzufuhr (je 1 m2 Feuerraumöffnung min. 360 m3/h bei nur einer Feuerstätte im Raum, sonst 540 m3/ h). Dies ist besonders zu beachten bei moderner Bauweise mit dichten Fenstern und Türen. Eventuell Zuluftkanäle hierfür vorsehen. Bei Kamineinsätzen, -kassetten und -öfen mit selbstschließender Tür (bisher Bauart 1) reicht der übliche Verbrennungsluftverbund (4 m3 Rauminhalt je 1 kW Nennwärmeleistung) aus. Siehe Beispiel zu Bild 2.2.1-4. CO2-Gehalt der Abgase 1...2%. Schornsteinquerschnitt ist nach mittl. Abgastemperatur (50...60 °C), wirksamer Schornsteinhöhe und Abgas-Luftmenge zu berechnen. Außer bei Kamineinsätzen, -kassetten und -öfen mit selbstschließenden Türen (bisher Bauart 1) ist eigener Schornstein vorgeschrieben. Beispiel für Schornsteindimensionierung s. Bild 2.2.1-4. Oder Berechnung nach DIN EN 13384.

1) 2) 3)

DIN EN 13240:2005-10: Raumheizer für feste Brennstoffe. DIN 18891:1984-08: Kaminöfen für feste Brennstoffe. DIN 18896:2005-06: Feuerstätten für feste Brennstoffe – Technische Regeln für die Installation, Anforderungen an die Bedienungsanleitung.

DVD 606

2. Heizung / 2.2 Heizungssysteme

Bild 2.2.1-4. Schornsteinquerschnitte, gemauerte oder vergleichbare Schornsteine. Unterdruck im Aufstellraum PB = 4 Pa.

-2

Kachelöfen (Speicheröfen)1)

-2.1

Allgemeines

Kachelöfen (Bild 2.2.1-5) sind dadurch gekennzeichnet, dass im Verbrennungsraum durch Verbrennung der Brennstoffe schnell ein- oder zweimal täglich (in 1/4 bis 1 Stunde) Wärme erzeugt wird, die von den Rauchgasen in der schweren Masse der Öfen gespeichert und langsam im Laufe des Tages an die Umgebung abgegeben wird. Die Kachelöfen sind also Wärmespeicheröfen. Früher in deutschen Wohnungen sehr verbreitet. Sie geben infolge ihrer großen Heizfläche eine milde, angenehme Wärme ab, namentlich in der Nähe des Ofens. Die Regulierfähigkeit ist jedoch schlecht, die Wärmeabgabe ungleichmäßig (Bild 2.2.1-7), Temperaturunterschiede im Raum erheblich. Platzbedarf groß. Nutzungsgrad etwa 65 bis 75%. Manchmal aus architektonischen Gründen bevorzugt, seit der Energieverteuerung manchmal in der Übergangszeit auch aus Ersparnisgründen (Zweitheizung). Durch Einbau hochtemperaturbeständiger elektrischer Heizleitungen im Kachelmantel lässt sich ein bivalenter Heizbetrieb erzielen. Ein elektronischer Temperaturregler, einstellbar bis 80°C, sorgt für konstante Oberflächentemperaturen.

-2.2

Bauarten

Man unterscheidet nach dem Gewicht: Leichte, mittlere und schwere Öfen; nach der Zahl der beheizten Zimmer: Einzimmeröfen (Bild 2.2.1-5) und Mehrzimmeröfen (Bild 2.2.1-6); im letzteren Fall befindet sich der Ofen in einem der beheizten Räume, während die mitzuheizenden Räume durch je einen Warm- und Kaltluftkanal mit der Heizkammer des Ofens in Verbindung stehen.

1)

Schenk, E.: IKZ 17/80. 8 S. u. SBZ 8/81. 7 S. u. IKZ 7/85. S. 58/60. Madaus, Ch.: TAB 8/82. S. 633/4. Richtlinien für den Kachelofenbau. Hrsg. vom ZVHSK 1984. Fachregeln des Ofen- und Luftheizungsbauerhandwerks. Hrsg. vom ZVHSK 11/05, Entwurf. Gütegemeinschaft Kachelofenbau im RAL, 7780 Bühl.

2.2.1 Einzelheizungen

607 DVD

Bild 2.2.1-5. Kachelofen mit Zirkulationsheizröhre.

-2.3

Ausführung

Äußerlich unterscheiden sich neuzeitliche Kachelgrundöfen von den älteren Bauarten dadurch, dass sie allseitig glasierte Heizflächen besitzen, auf Sockeln oder Füßen von mindestens 15 cm Höhe ruhen, niedrig und breit ohne Gesimse gebaut sind. Aufstellung frei vor Innenwänden. Wandabstand 12 bis 15 cm. Beispiel Bild 2.2.1-5. Der Kachelmantel besteht aus Ton- oder Schamottekacheln, Kachelmaße 22 × 22 cm. Nach diesen Maßen wird die Größe des Kachelofens angegeben (z.B. 21/2 · 3 · 5 Kacheln). Die Feuerzüge (Sturzzüge, Steigezüge, Unterzüge, Deckenzüge) werden zwecks besserer Erwärmung des Raumes so geführt, dass der untere Teil des Ofens durch Sturzzüge stärker als der obere erwärmt wird. Mittlere Oberflächentemperaturen der Kacheln s. Bild 2.2.1-7.

Bild 2.2.1-6. Dreizimmerheizung mit Kachelofen.

-2.4

Bild 2.2.1-7. Oberflächentemperaturen eines mittelschweren Kachelofens.

Heizleistung1)

Die Größe der Kachelöfen richtet sich nach dem Wärmebedarf des Raumes und der Heizflächenleistung. Der Wärmebedarf des Raumes ist nach DIN EN 12831 zu ermitteln

1)

Pfestorf, K. H.: SBZ 2/86. S. 87.

DVD 608

2. Heizung / 2.2 Heizungssysteme

oder überschlägig aus Tabellen zu entnehmen. Mittlere Wärmeabgabe je nach Wanddicke bei schwerer Bauart ≈ 0,7 kW/m2 bei mittelschwerer Bauart ≈ 1,0 kW/m2 bei leichter Bauart ≈ 1,2 kW/m2 Wärmeabgabe je etwa zur Hälfte durch Konvektion und Strahlung. Sie ändert sich stündlich je nach der Oberflächentemperatur. Technisch genaue Berechnungen sind nicht üblich, man verwendet Erfahrungswerte. Brennstoffe in der Regel langflammige Brennstoffe wie Braunkohlenbriketts und Holz, bei Steinkohlenfeuerung besondere freistehende Ausbildung des Feuerraumes erforderlich. Normaler Zug 10 Pa. Statt fester Brennstoffe können zur Heizung auch Öl-Einbaubrenner verwendet werden. Brenner sind Verdampfungsbrenner mit oder ohne Ventilator. Ölversorgung durch Tank am Ofen oder von einem Kellertank mit Pumpe. Auch Gaseinbaubrenner werden verwendet. In beiden Fällen sind Heizeinsätze für Öl oder Gas erforderlich. Siehe hierzu Abschn. 2.2.1-5 s. S. 612: Warmluft-Kachelöfen. Gelegentlich werden Wände teilweise gekachelt (Kachel-Heizwand) und dahinter Warmwasserheizrohre verlegt1). Das ergibt Behaglichkeit eines Kachelofens, ohne dass dafür Schornstein und Feuerstelle notwendig werden. Bei WW-Vorlauf 65°C Oberflächentemperatur 45°C mit 230 W/m2 Wärmeabgabe, davon ca. 60% Strahlung.

-2.5

Schornstein2)

Die Aufgabe des Schornsteins besteht in der Zuführung der Verbrennungsluft, der Überwindung der Strömungswiderstände in der Feuerstätte und der Abführung der Verbrennungsgase. Der Zug des Schornsteins ist desto größer, je höher er ist und je wärmer die Abgase sind. Um Abkühlung der Abgase zu vermeiden, Anordnung möglichst an Innenwänden. Herstellung einschalig aus Mauersteinen bzw. Formstücken aus Beton, Edelstahlelementrohren oder dreischalig mit Innenrohr aus Keramik und Dämmstoffschicht. Strömungswiderstände durch möglichst glatte Innenflächen gering halten, aus demselben Grund auch Richtungswechsel (sog. Verziehen des Schornsteins) möglichst vermeiden. Lichte Weite überall beibehalten, Schornstein möglichst über Dachfirst hinausführen. Fugendichtheit wichtig.

Bild 2.2.1-8. Schornsteinquerschnitte bei mehrfacher Belegung.

Anforderungen an Schornsteine sowie Planung und Ausführung sind in DIN V 18160-1: 2006-01 enthalten. Bemessung s. Abschn. 2.3.3 s. S. 894. Empfohlener Mindestquerschnitt bei Mauersteinen 13,5 × 13,5 cm bzw. 13cm ∅, Mindesthöhe möglichst 4 m. An einen gemeinsamen Schornstein sollten nicht mehr als 3 Feuerstätten für feste oder flüssige Brennstoffe angeschlossen werden. Für mehrfach belegte Schornsteine ist in DIN EN 13384-2:2003-12 ein Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Schornsteinquerschnitte in Abhängigkeit von der wirksamen Schornsteinhöhe H und dem Abgasmassenstrom m· angegeben. Bild 2.2.1-8 aus der Vorgängernorm DIN 4705-3. Der Abgasmassenstrom ergibt sich aus der Wärme· leistung Q : ˙ = 1,2Q ˙ in g/s m 1) 2)

Nick, M.: TAB 7/89. S. 549/551. DIN V 18160-1:2006-01, Abgasanlagen.

2.2.1 Einzelheizungen

609 DVD

Beispiel: Für 3 übereinander liegende Feuerstätten von je 5 kW Leistung ist der Massenstrom m· = 1,2 · 15 = 18 g/s. Der Schornstein benötigt bei H = 6m einen Querschnitt von 245cm2.

-2.6

Kleinkachelöfen (Keramische Kleinöfen)

Diese Öfen sind Übergangsformen zwischen den Speicheröfen und den eisernen Dauerbrandöfen. Sie sind meist transportabel und für Dauerbrand eingerichtet. Vielfach Verwendung von Luftmänteln oder Luftschlitzen. Hohe Oberflächentemperaturen.

-3

Eiserne Öfen

-3.1

Allgemeines1)

Eiserne Öfen sind dadurch gekennzeichnet, dass man den Brennstoff im Ofen je nach der verlangten Heizleistung durch Einstellung der Verbrennungsluftmenge mehr oder weniger langsam abbrennen lassen kann. Sie sind daher sowohl für kurzzeitigen Betrieb wie für Dauerbrand geeignet. Im Gegensatz zu den Speicheröfen besitzen sie keine große Speichermasse, sondern verhältnismäßig dünne Wände, sind daher bei gleicher Heizleistung leichter, kleiner und meist transportabel. Ihre Oberflächentemperatur ist dabei jedoch größer, so dass mehr Wärme durch Strahlung abgegeben wird. Nachteilig ist jedoch auch hier die ungleichmäßige Raumerwärmung. Trotz der Konkurrenz von Öl und Gas haben die eisernen Öfen für feste Brennstoffe noch immer einen gewissen Marktanteil. Dies ist neben sonstigen Verbesserungen insbesondere darauf zurückzuführen, dass durch Automatik die Bedienung erleichtert und gleichzeitig Überheizung und Erlöschen des Feuers verhindert wird. Anwendung oft nur aus dekorativen Gründen (Gußeisen) als Zweitheizung.

-3.2

Bauarten

Man unterscheidet Öfen mit oberem Abbrand (irische Öfen, Durchbrandöfen) und mit unterem Abbrand (amerikanische Öfen, Unterbrandöfen) sowie Universal-Dauerbrandöfen. Durchbrandöfen haben einen großen, innen mit etwa 4 cm Schamotte ausgekleideten runden oder rechteckigen Brennstoffraum, der gleichzeitig als Verbrennungsraum dient. Der gesamte gespeicherte Brennstoffvorrat gerät bei Zuführung der Verbrennungsluft von unten in Glut und verbrennt allmählich. Drei Türen: Aschen-, Feuer- und Falltür. Der Rost zum leichten Entaschen als Schüttelrost ausgebildet. Regelung des Abbrandes durch Drosselung der Verbrennungsluftmenge mittels Rosette oder Schieber in Aschtür. Heizgase ziehen bei kleinen Öfen nach oben zum Rauchrohr ab; bei guten Öfen sind zur besseren Ausnutzung der Heizgaswärme Deckenzüge oder Sturz- und Steigzüge angebracht. Zum Anheizen Kurzschließen der Sturzzüge durch Umstellklappe (Anheizklappe). Die Mehrzahl der eisernen Öfen wird als Deckenzugöfen gebaut, da bei Sturzzugöfen der erforderliche größere Schornsteinzug häufig nicht vorhanden ist (Bild 2.2.1-9). In diesen Öfen können fast alle Brennstoffe verbrannt werden, insbesondere Anthrazit, Koks und nichtbackende Steinkohle, daher auch Allesbrenner genannt; Briketts vornehmlich in Sturzzugöfen. Bestwirkungsgrade 75 bis 80%; Nutzwirkungsgrade 65 bis 70%, Abgastemperatur bei Vollast ≈ 250…300°C, Luftzahl ≈ 2,02). Bild 2.2.1-11. Bei den Unterbrandöfen (Bild 2.2.1-10) sind Füllschacht und Verbrennungsraum voneinander getrennt. Es brennt nur der auf dem Rost befindliche untere Teil des Brennstoffs. Der Brennstoff sinkt mit fortschreitendem Abbrand im Füllschacht allmählich zum Rost nach. Im übrigen Bauart wie bei den Öfen mit oberem Abbrand. Regelung des Abbrandes ist wegen der gleichmäßigen Brennraumhöhe besonders feinfühlig möglich. Als Brennstoff ist besonders Anthrazit geeignet. Bestwirkungsgrade 80 bis 85%, Nutzwirkungsgrade 70 bis 75%. Die Öfen sind jedoch wesentlich teurer als die Durchbrandöfen.

1) 2)

Pochcial, J. P.: BWK 12/77. S. 474/8. Schüle, W., u. U. Fauth: HLH 1962. S. 133/146.

DVD 610

2. Heizung / 2.2 Heizungssysteme

Wichtig für störungsfreie Verbrennung ist die richtige Brennstoffsorte. Zu kleine Körnung ergibt Luftmangel, zu große Luftüberschuß und evtl. Erlöschen des Feuers. Zuletzt entwickelt wurde der Universal-Dauerbrandofen, gewissermaßen eine Verbindung zwischen den beiden Bauarten. Verbrennungsluft wird nicht nur von unten, sondern auch von oben und seitlich an die brennende Kohle herangeführt. Damit wird insbesondere die Verbrennung der Schwelgase verbessert.

Bild 2.2.1-9. Eiserner Dauerbrandofen mit Deckenzug, Schüttelrost und Aschekasten.

Bild 2.2.1-10. Eiserner Ofen mit unterem Abbrand (Amerikaner-Ofen).

Bild 2.2.1-11. Wirkungsgrade bei eisernen Dauerbrandöfen sowie Abgastemperaturen und Luftzahlen. a = Deckenzugofen b = Sturzzugofen

-3.3

Ausführung

Maßgebend für die Konstruktion und Ausführung eiserner Dauerbrandöfen ist DIN 18890: 1971-09 u. DIN 18890:1974-12, die Richtlinien über Bau, Anforderungen, Leistung und Prüfung dieser Öfen enthält. Mittlere Oberflächentemperatur 200 bis 250°C, Masse je m2 Heizfläche 40 bis 80 kg, je kW Heizleistung 13 bis 26 kg. Neuere Bauarten verwenden Zirkulationsschlitze (Konvektormantel) um den eigentlichen Ofen. Dadurch Verringerung des Strahlungsanteils der Wärmeabgabe von vorher etwa 50% auf etwa 10%. Weitere Eigenschaften: Entaschung der Roste von außen her, ohne die Ofentür zu öffnen (staubfreie Entaschung in Papiertüte), großer Aschekasten, Leuchtfeuerfenster an der Vorderseite. Leuchtfeuerofen nur für Koks und Magerkohle. Die Hersteller ändern häufig den äußeren Mantel entsprechend dem Publikumsgeschmack, während der „Innenofen“ unverändert bleibt. Zum Wiederanzünden des Brennstoffs gibt es Anzündmittel, die auf der Basis Öl, Holzkohle oder Spiritus hergestellt werden, und Anzündgeräte, so dass ein Ausräumen der Kohle beim Erlöschen des Feuers nicht erforderlich ist.

2.2.1 Einzelheizungen

611 DVD

Die Emissionen von Feststoffen und Gasen sind je nach Bauart, Brennstoff und Betriebsart der Öfen sehr unterschiedlich1). Mittlere Feststoffemission (Ruß, Teer) 0,02…0,2 g kWh, bei rauchreichen Brennstoffen bis 0,7 g/kWh.

-3.4

Regelung2)

Die Öfen sind meist mit automatischer Regelung ausgestattet, dadurch konstante Heizleistung oder Raumtemperatur,sicherer Dauerbrand bei Schwachlast,keine Ofenüberlastung,größere Wirtschaftlichkeit,Abfangen von Zugschwankungen. Bauarten der Regler: Abgastemperaturregler mit Temperaturfühler (Bimetallspirale) in Abgasrohr steuern Lufteintrittsöffnung so, dass Abgastemperatur und damit Heizleistung annähernd konstant bleiben (Leistungsregler). Bei sich änderndem Wärmebedarf neu einstellen, Knopfbedienung. Oberflächentemperaturregler betätigen Frischluftklappe so, dass Oberflächentemperatur und damit Leistung annähernd konstant bleiben (Leistungsregler). Raumtemperaturregler in Form von Bimetallen oder flüssigkeitsgefüllten Federbalgenin der Nähe der unteren Lufteintrittsöffnung steuern die Luftklappe, so dass Raumtemperatur annähernd konstant bleibt. Schema der Wirkungsweise s. Bild 2.2.1-12 und Bild 2.2.1-13.

Bild 2.2.1-12. Automatische Raumtemperaturregelung mit Thermostat in der Raumlufteintrittsöffnung; Max-Min-Leistungsbegrenzung.

-3.5

Bild 2.2.1-13. Gußeiserner Ofen für Kohle, Koks und Briketts mit Leistungsregler (Frank’sche Eisenwerke).

Heizleistung

Die Auswahl eines Ofens richtet sich nach der Heizleistung des Ofens und dem Wärmeverlust des Raumes. Für die spezifische Heizleistung, d.h. die Heizleistung je m2 Heizfläche der Öfen, ist nach DIN 18890:1971-09 ein Wert von 4650 W/m2 zugrunde zu legen. Verschiedene Modelle mit Nennleistungen von 3,7 bis 9,3 kW. Außerdem gelten folgende Bestimmungen: Wirkungsgrad >70% Abgastemperatur 9.

Bild 5.4.1-3. Betriebsverhalten von KaltdampfHubkolbenverdichtern mit Kältemittel R 404A.

Bild 5.4.1-4. Betriebsverhalten von KaltdampfHubkolbenverdichtern mit Kältemittel R 134a.

·

Reale Betriebsdaten von Hubkolbenverdichtern, bezogen auf V h = 1 m3/h, die Liefergrad und alle Wirkungsgrade einschließen, zeigen Bild 5.4.1-3 für Kältemittel R 404 A, Bild 5.4.1-4 für R 134a. Die Werte sind Mittelwerte aus Angaben zahlreicher Hersteller, Streubreite etwa ± 10%, und gelten für halbhermetische Verdichter, P und εK bezogen auf elektrische Leistungsaufnahme. Die hier gekennzeichneten Linien eines Kolbenverdichters verlaufen für alle Verdrängungsverdichter (Schrauben-, Spiral-V.) ähnlich.

5.4.1 Verdrängungsverdichter (-kompressoren)

1991 DVD

Beispiel 1: Bei einer Verdampfungstemperatur von t0 = +4,5 °C und einer Verflüssigungstem3 peratur von · tc = +40 °C beträgt die Kälteleistung je m /h geometrischen Fördervolumens V h bei Kältemittel R 404 A: 0,94 kWh/m3bei Kältemittel R 134a: 0,55 kWh/m3 Für eine Kälteleistung von z.B. 200 kW ist damit eine Verdichter-Baugröße erforderlich von · V h = 200/0,94 = 213 m3/h bei R 404 A · V h = 200/0,55 = 364 m3/h bei R 134a Die Leistungszahl ist 3,7 bzw. 4,1, der Energieverbrauch für 200 kW Kälteleistung beträgt damit · Q 0/εK = 200/3,7 = 54 kW bei R404A, · Q 0/εK = 200/4,1 = 48,8 kW bei R134a, gemessen an den Klemmen des Motorverdichters. Bauarten Offene Verdichter haben ein geschlossenes, unter Kältemitteldruck stehendes Gehäuse; der Antrieb erfolgt außerhalb des Gehäuses an der Welle; Wellenabdichtung mittels Gleitringdichtung erforderlich; Antrieb durch Elektromotor oder andere Kraftmaschinen direkt oder mittels Keilriemen. · Baugröße V h von 5 m3/h für Pkw-Klimatisierung bis zu über 2000 m3/h bei großen, ölfreien Trockenlaufverdichtern.

Bild 5.4.1-5. Motorverdichter (Bitzer). 1 = Druckabsperrventil 2 = Kolben 3 = Kurbelwelle 4 = Ölpumpe 5 = Lager 6 = Ölsaugleitung 7 = Ölfilter

8 = Zylinderkopf 9 = Kurbelgehäuse 10 = Motorgehäuse 11 = Hauptlager 12 = Ansaugfilter 13 = Gasdruckausgleich 14 = Saugabsperrventil

15 = Ölwannen-Abschluss 16 = Öldruckregulierventil 17 = Ölstand 18 = Öldruck-Rückflußventil 19 = Motor-Stator 20 = Motor-Rotor 21 = Kurbelwannen-Ölheizung 22 = Anschlussklemmen

Halbhermetische Verdichter (Motorverdichter). Der Elektromotor ist zusammen mit dem Verdichter in einem gemeinsamen zusammengeschraubten Gehäuse untergebracht (Bild 5.4.1-5). Der Motor ist mit Spezialisolierung für den Betrieb in der Kältemittelatmosphäre versehen und wird meist durch den Kältemittel-Saugdampf gekühlt. Da hierbei mit zunehmender Belastung auch Kühlwirkung besser wird, können Motoren klein dimensioniert werden. Dadurch geringerer Anlaufstrom und höherer cos ϕ als bei Nor· malmotoren für offene Verdichter. Baugrößen V h = 3…500 m3/h, entsprechend im Klimabereich bei R404A oder R407C etwa 3…500 kW Kälteleistung.

DVD 1992

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Hermetische Verdichter. Motor und Verdichter sind in einem verschweißten, dicht geschlossenen Gehäuse untergebracht (Kapselverdichter, Bild 5.4.1-6). Welle meist senkrecht, Motor meistens oben. Kühlung durch Kältemittel, vorwiegend Saugdampf. Bei Defekten keine Reparatur möglich, sondern Austausch.

Bild 5.4.1-6. Kapselverdichter-Schnittbild (DWM-Copeland).

Verwendung hauptsächlich in Raumklimageräten, Klimaschränken, Kühlschränken usw. · Baugröße V h von 0,5…50 m3/h. Arbeitsventile. Früher Gleichstrom-Gasführung mit Saugventil im Kolben, Dampfstrom durch Kolben nach oben. Heute werden die Ventile im Oberteil des Zylinders untergebracht; Saugdampf strömt von oben in den Zylinder und wird nach oben wieder ausgeblasen (Wechselstrom-Gasführung). Die Saug- und Druck-Arbeitsventile arbeiten selbsttätig in der Art wie Rückschlagventile. Mehrzylinderbauart Zylinder werden in V-, W- oder VV-Form angeordnet, dadurch guter Massenausgleich möglich. Leistungsregelung1) von Kolbenverdichtern bedeutet Volumenstromregelung bei unverändertem Druckverhältnis. Auf eine noch ausreichende Gasgeschwindigkeit in der Saugleitung zum Öltransport ist zu achten. Folgende Möglichkeiten haben Bedeutung: 1. Verdichterabschaltung bei Aufteilung der Kälteleistung auf mehrere Verdichter. 2. Änderung der Drehzahl durch Verwendung polumschaltbarer oder regulierbarer Motoren. 3. Beipass-Regelung: Druckdampf strömt zur Saugseite über; nicht wirtschaftlich, aber als einfache Lösung gern angewandt; s. Bild 5.7.1-2. 4. Saugdruckregelung: ein Drosselventil zwischen Verdampfer und Verdichter senkt bei Teillast den Saugdruck und reduziert praktisch leistungsneutral die Kälteleistung, s. Bild 5.4.7-3.1. 5. Abschalten von Zylindern durch Offen- oder Geschlossenhalten der Saugventile mittels Servokölbchen oder Greifern, die mit Öldruck oder Druckdampf als Steuermedium beaufschlagt werden. Magnetventile dienen als Schaltorgane für das Steuermedium, wenn elektrisch oder elektronisch Temperatur geregelt werden soll, z.B. Kaltwasservorlauf. Ein hydraulisches Relais wird zum Schalten verwendet, wenn der Saugdruck geregelt werden soll. Ein bzw. zwei Zylinder bleiben ungeregelt. Übliche Stufeneinteilung: 1)

Hagenlocher, T.: Ki 12/83. S. 469/71.

5.4.1 Verdrängungsverdichter (-kompressoren)

1993 DVD

Zylinderzahl Stufen in % des Fördervolumens 3 100 – 67 – 33 4 und 8 100 – 75 – 50 – 25 5 100 – 80 – 60 – 40 6 100 – 67 – 50 – 33 Die eingebaute Leistungsregelung dient gleichzeitig der Anfahrentlastung bei SternDreieck-Anlauf oder Teilwindungsstart.

-2

Schraubenverdichter1)

Man unterscheidet zwei verschiedene Bauarten: 1. Schraubenverdichter mit 2 Rotoren (Twin-screw) Verdichtung erfolgt durch ineinanderkämmende Walzen, von denen die Antriebsseite schraubenförmig angeordnete Vorsprünge, die andere schraubenförmig angeordnete Nuten hat (Bild 5.4.1-7). Durch unterschiedliche Gangzahl entstehen in axialer Richtung wandernde Verdichtungsräume. Nutenwalze wird durch Antriebswalze mitgedreht. 2. Schraubenverdichter mit einem Rotor (Mono-screw) Angetrieben wird eine mit Nuten versehene Walze. Verdichtung erfolgt durch eine (oder mehrere) in die Nuten eingreifende Zahnscheibe, die entsprechend der axialen Wanderung der Nuten mitrotiert (Bild 5.4.1-8).

Bild 5.4.1-7. Schnittmodell eines modernen Schraubenverdichters (YORK Industriekälte).

1)

Paul, J.: KK 12/81. 5 S. Ki-Forum 6/83. S. 261/7. Stenzel, B.: Ki 10/83. S. 417/21. Mötz, K.: Ki 10/83. S. 409/12. Mosemann, D.: Ki 6/94. S. 283/87.

DVD 1994

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.1-8. Schraubenverdichter mit einem Rotor (Hall). Draufsicht im Teilschnitt

Bei beiden Bauarten ist zur Schmierung, Abdichtung und Kühlung ein großer Öldurchsatz erforderlich; hinter Druckstutzen großer Ölabscheider sowie Ölkühler, der aber auch durch Kältemitteleinspritzung ins Öl eingespart werden kann1). Durch Ölkühlung geringere Erwärmung bei der Verdichtung, niedrige Verdichtungsendtemperatur. Da kein schädlicher Raum, flacherer Verlauf des Liefergrades über Druckverhältnis pc/p0 gegenüber Hubkolbenverdichtern. Vorteile gegenüber Kolbenverdichtern: Nur drehende Bewegung, daher fast stetige Förderung und Laufruhe; keine Ventile; unempfindlich gegen Flüssigkeitsanfall; stufenlose Regelung bis auf ca. 20%. Volumenverhältnis Ansaug zu Ausblas ist durch Schraubengeometrie festgelegt, verschiedene Verhältnisse möglich. Größere Abweichung vom Auslegungsverhältnis verschlechtert Wirkungsgrad. Anhaltswerte für Liefer- und Gütegrad siehe Bild 5.4.1-2a,b. Halbhermetische Bauart verfügbar. Stufenlose Leistungsregelung bis etwa 20% durch Steuerschieber möglich, der die wirksame Rotorlänge verändert. Betätigung des Steuerschiebers über Dreipunktregler mit Zeitglied oder stetigen Regler. Es ist aber der deutlich schlechtere Teillastwirkungsgrad zu beachten; je höher das Druckverhältnis, um so schlechter!

Bild 5.4.1-9. a) Zwischendruckbehälter mit Gasabsaugung: zweistufige Entspannung. b) Nebenstrom unterkühlt den Hauptstrom in einem Wärmeaustauscher. 1)

de Vries, H.: TAB 7/86. S. 483/4.

5.4.1 Verdrängungsverdichter (-kompressoren)

1995 DVD

Fast alle großen zweirotorigen Schraubenverdichter haben außer dem Steuerschieber für die Leistungsregelung einen zweiten Steuerschieber zur Veränderung des Volumenverhältnisses. In Verbindung mit einer Mikroprozessor-gesteuerten Regelung ergibt sich damit eine optimale Anpassung an in weiten Bereichen variierende Betriebszustände und entsprechend niedriger Energieverbrauch1). Größere Schraubenverdichter mit zwei Rotoren haben oft zusätzlichen Saugstutzen in Mitte Verdichtungsvorgang. Dieser erlaubt Absaugung eines Kältemittel-Teilstromes bei Mitteldruck, durch den in einem Wärmeaustauscher – Economizer – eine zusätzliche Unterkühlung · des Kältemittels und damit mehr Kälteleistung gewonnen werden kann. Baugrößen V h = 100…15000 m3/h (80…12000 kW Kälteleistung). Der Kältemittelstrom wird auf Mitteldruck entspannt, der entstehende Dampf am Zwischendruckstutzen abgesaugt, Bild 5.4.1-9a. Alternativ wird nur ein Teilstrom entspannt und unterkühlt den Hauptstrom in einem Wärmeaustauscher, Bild 5.4.1-9b). In beiden Fällen Leistungsgewinn durch Unterkühlung: „Economizer“. Druckverhältnis mind. 4, Leistungsgewinn steigt mit Druckverhältnis (bzw. tiefen Verdampfungstemperaturen). Der Leistungsgewinn verringert sich bei Teillast, Grenze konstruktionsabhängig bei 80…85%.

-3

Rollkolbenverdichter

Verdichtung erfolgt durch an der Innenwand eines Kreiszylinders abrollenden, auf der Welle exzentrisch gelagerten Kolbens. Trennung von Saug- und Druckseite durch einen oder mehrere Schieber im Zylinder· (Bild 5.4.1-10). Anwendung nur in hermetischen (Kapsel-)Verdichtern. Baugrößen V h = 10…40 m3/h.

-4

Drehkolbenverdichter2)

Verdichtung erfolgt durch in einem Kreiszylinder exzentrisch angeordneten rotierenden Kolben, in dem sich mehrere Schieber befinden, die durch Fliehkraft an die Zylinderwand angedrückt werden. Hierdurch werden einzelne Verdichtungszellen gebildet, deshalb auch Bezeichnung Vielzellenverdichter (Bild 5.4.1-11). Gut geeignet für große Fördervolumen bei kleiner Druckdifferenz, deshalb vorwiegend als Niederdruckstufe bei zweistufiger Verdichtung. Kleinere Leistungen auch halb- und vollhermetisch. · Baugrößen V h = 300…6000 m3/h. Bild 5.4.1-10. Funktionsprinzip eines Rollkolbenverdichters mit 2 Trennschiebern.

Bild 5.4.1-11. Funktionsprinzip eines Vielzellenverdichters.

1) 2)

Heyer, I.: Ki 6/88. S. 277–284. Mosemann, D.: Ki 5/93. S. 189/193. Bosée, R.: Ki 11/88. S. 472/477.

DVD 1996

-5

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Spiral-(Scroll)-Verdichter1)

Die Verdichtung erfolgt zwischen zwei Scheiben mit spiralförmig angeordneten Rippen, von denen eine feststeht und die andere kreisförmig exzentrisch oszilliert (Bild 5.4.1-12). · Anwendung in hermetischen Verdichtern (Kapseln), Baugröße V h = 5…20 m3/h, aber 2) auch offene Bauweise, speziell für Fahrzeugkühlung . Die Verdichter haben ein festgelegtes Volumen- und damit auch Druckverhältnis. Weicht beim Betrieb das erforderliche Druckverhältnis davon ab, ergibt sich eine Unter- oder Überkompression mit Auswirkung auf den Gütegrad. Das Gütegradmaximum ist deshalb ausgeprägter als bei Kolbenverdichtern mit Ventilen, Bild 5.4.1-12a und b.

Bild 5.4.1-12. Prinzip des Spiralverdichters (Hitachi). Links: Schnittbild.

Rechts: Arbeitsweise.

a…b…c…d Umlaufsinn.

1 Gasraum 2 Ansaugöffnung 3 Ausschuböffnung

4 oszillierende Spirale 5 feste Spirale 6 Ansaugen

7 Ausschieben 8 Verdichten

5.4.2

Turboverdichter (-kompressoren)3)

Verdichtung erfolgt durch Beschleunigung des Gasstromes im Laufrad und anschließende Umsetzung der kinetischen Strömungsenergie in Druckerhöhung im Diffusor. Für Kältetechnik bisher nur Radialverdichter, Aufbau und Betriebsverhalten vergleichbar mit Kreiselpumpe bzw. Radialventilator. Schnitt durch einstufigen Verdichter mit Getriebe zeigt Bild 5.4.2-1. Grundlagen für Berechnung: u2 a Δhis = Ψ · -------2 · π V = ϕ · --- · da2 · ua 4 π ua = ----- · da · n 60

2 J ⎛ ------- kg⎞ Δhis = isentrope Verdichtungsarbeit in ----- ⎜ = m ⋅ -----⎟ 2 kg ⎝ s kg⎠

·

V

1) 2) 3)

3

m = Kältemittel-Volumenstrom in ------s

Uhle, T., Henchoz, M.: Ki 10/91. S. 417/420. Kaiser, H.: Ki 1/94. S. 24/29. Hess, H.: Ki 2/85. S. 61/4.

5.4.2 Turboverdichter (-kompressoren)

1997 DVD

ua

m = Umfangsgeschwindigkeit bei da in ---s

da

= Laufrad-Außendurchmesser in m

n

1 = Drehzahl in --------min

ψ

= Druckziffer, abhängig von Laufradform

ηpol = polytroper Wirkungsgrad der Energieumwandlung ϕ

= Lieferzahl, Kennzahl für Laufrad-Schluckfähigkeit.

·

Bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit ist V direkt abhängig von Δhis gemäß VollastKennlinie des jeweiligen Verdichters, Beispiel zeigt Bild 5.4.2-2.

Bild 5.4.2-1. Einstufiger offener Turboverdichter mit Getriebe (YORK International).

Bild 5.4.2-2. Prinzipdarstellung der Kennlinien und Pumpgrenzen von Turboverdichtern.

Bei gegebenem Verdampfungsdruck p0 ergibt Δhis über das h, logp-Diagramm des betreffenden Kältemittels (oder über Dampftafeln für den überhitzten Bereich) den erreichbaren Verflüssigungsdruck pc. Die Kälteleistung ergibt sich zu · · Q0 = V · q0vt kW mit q0vt = theoretische volumetrische Kälteleistung. Die Antriebsleistung an der Welle ergibt sich zu Δ h is ⋅ V˙ 1 - · ------ kW P = -----------------η is ⋅ v 0 ″ η m mit ηm = mechanischer Wirkungsgrad einschließlich Getriebe. Maximale Umfangsgeschwindigkeit ua etwa 250 m/s, da sonst Schallgeschwindigkeit am Laufradeintritt überschritten wird. Damit maximal erreichbar Δhis von etwa 35 kJ/kg. Klimabedingungen t0 = 0 °C, tc = 40 °C, können also mit einstufiger Verdichtung erreicht werden.

DVD 1998

Bild 5.4.2-3. Einstufiger R 134a-Turboverdichter mit Einbaumotor (halbhermetische Bauart Carrier).

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

1 = Verdichter 2 = Getriebe 3 = Motor 4 = Laufrad

5 = Leitschaufel(Vordrall) 6 = Diffusor 7 = Druckgas-Sammelkanal

Direktantrieb mit 2poligen Elektromotoren, 3000 UpM, erfordert für nötige Umfangsgeschwindigkeit sehr große Laufraddurchmesser, die wiederum sehr großen Volumenstrom bringen. Deshalb Erhöhung der Drehzahl durch Getriebe, Bild 5.4.2-1, oder durch Frequenzwandler und Mittelfrequenzmotor, bis etwa 15000 UpM möglich. Anderenfalls, mit Direktantrieb 3000 UpM, zweistufige Verdichtung. Beide Bauarten sowohl offen, mit Gleitring-Wellenabdichtung bei der niedrigen Drehzahl, wie auch hermetisch mit Motor (bis zu 3300 Volt) im Kältemittelraum, meistens auch durch Kältemittel gekühlt. Als Kältemittel ausschließlich das chlorfreie R134a. Stetige Leistungsregelung möglich durch 1. Drehzahlregelung (bei Antrieb über Frequenzwandler oder durch Dampfturbine). 2. Vordrallregelung (verstellbare Leitschaufeln vor Laufradeintritt, Bild 5.4.2-1). 3. Diffusorregelung mit verstellbaren Schaufeln im Diffusor, Kurven ähnlich der Vordrallregelung. 4. Heißgas-Bypass-Regelung, Überströmventil zwischen Druck- und Saugseite. Kennlinie der Turboverdichter hat einen· Gipfelpunkt beim maximal erreichbaren Δhis und zugehörigem Grenzvolumenstrom V G. Wird dieser unterschritten, ohne dass sich Δhis ausreichend verringert, erfolgt Rückströmung durch den Verdichter, bis der Druck so weit absinkt, dass der Verdichter wieder fördern kann. Der Verdichter pendelt ständig zwischen Förderung und Rückströmung. Dieser Betriebszustand, „Pumpen“ genannt, muss unbedingt vermieden werden, da er zu Schäden am Verdichter führt. Verlauf der „Pumpgrenze“ bei den verschiedenen Regelungsarten ist in Bild 5.4.2-2 eingetragen. Betriebsverhalten (vgl. Bild 5.4.2-2): Auslegungs-Betriebspunkt A muss genügend weit von Pumpgrenze entfernt sein. Verschmutzung von Verflüssiger und Verdampfer führen zu Erhöhung von Δhis , damit wandert· Betriebspunkt auf Kennlinie in Richtung Pumpgrenze zu kleinerem Volumenstrom V . · Bei Teillastbetrieb unterhalb V G muss die Anlagencharakteristik so sein, dass mit kleiner · werdendem V auch das erforderliche Δhis mindestens so viel geringer wird, dass der Betriebspunkt unterhalb der Pumpgrenze liegt. Übliche Auslegung bei Dralldrossel-Regelung nach ARI-Standard 550: Je 10% Verringerung der Kälteleistung, Absenkung der Kühlwassereintrittstemperatur in den Verflüssiger um 1,4 K (s. Abschn. 5.6.2-3 s. S. 2062).

5.4.3 Verflüssiger (Kondensatoren)

1999 DVD

Bei kritischer oder unsicherer Anlagencharakteristik Pumpgrenze automatisch überwachen und rechtzeitig abschalten oder Bypass-Ventil öffnen. Deshalb Regelung oft Kombination mehrerer möglicher Verfahren.

5.4.3 -1

Verflüssiger (Kondensatoren)1) Grundlagen

Die beim Kälteprozess aufgenommene Wärme wird im Verflüssiger an Kühlmedium abgegeben; Summe· aus Überhitzungs-, Verflüssigungs- und Unterkühlungswärme. · · · Verflüssigerleistung Q c = Q 0 + a · P (vgl. Abschn. 5.2.1-3 s. S. 1958). Verhältnis Q c/Q 0 zeigt Bild 5.4.3-1, abhängig von Leistungszahl εK . Für sauggasgekühlte Motorverdichter εK bezogen auf elektrische Leistungsaufnahme, für offene Verdichter auf Wellenleistung. Temperaturverlauf im Verflüssiger s. Bild 5.4.3-2.

Bild 5.4.3-1. · Verhältnis von Verflüssiger· leistung Q c zu Kälteleistung Q 0.

Bild 5.4.3-2. Temperaturverlauf im Gegenstrom-Verflüssiger.

·

Erforderlicher Volumenstrom V W des Kühlmediums warme Seite (Verflüssiger) ermittelt sich zu Q˙ c · - in m3/h V W = W · ----------------------t WA – t WE tWA = Austrittstemperatur Kühlmedium tWE = Eintrittstemperatur Kühlmedium W = Kenngröße Kühlmedium (bei 30 °C): 3 3600 m ⋅K --------------- (WWasser = 0,865, WLuft = 3090) W = ----------p ⋅ cp kWh Übliche Auslegungsdaten im Sommerextrem: – Wasser aus Rückkühlwerk, Erwärmung von 27 °C auf 33 °C, tc ca. 35 °C, εK ca. 4,0 – Brunnen- oder Oberflächenwasser: tc ca. 37 °C, εK ca. 4,0 – Außenluft, Erwärmung von 32 °C auf 42 °C, tc ca. 50 °C, εK ca. 3,0. Luftkühlung erfordert also für gleiche Spitzenlast-Kälteleistung größere Verdichter und höheren Energieverbrauch der Verdichter. Für Wahl des Kühlmediums Wirtschaftlichkeitsrechnung erforderlich, Ergebnis u.a. abhängig von im Bauwerk installierter Kälteleistung, Anzahl der Kälteanlagen und Lage derselben im Gebäude. Wenn kein Brunnenoder Oberflächenwasser verfügbar, bei wenigen Anlagen kleinerer Leistung meistens Luftkühlung günstiger. Bei größerer Leistung und/oder größerer Zahl von Anlagen 1)

Schnell, H. u. W. D.: TAB 11/86. S. 751/7.

DVD 2000

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

meistens Wasserkühlung mit Rückkühlwerk wirtschaftlicher, da Luftvolumenströme im Bauwerk nicht unterzubringen oder weite Wege, insbesondere Steighöhen, für Kältemittelleitungen problematisch sind. Neben unterschiedlichen Investitionskosten gehen in Wirtschaftlichkeitsberechnung ein: Bei Wasserkühlung Energiekosten für Pumpen und Rückkühlwerke, Wasserverbrauch einschließlich Abschlämmen, gegebenenfalls Wasseraufbereitungskosten, Reinigungskosten. Bei Luftkühlung Energiekosten der Ventilatoren und höherer Energieverbrauch der Verdichter (Jahresmittel, abhängig von Regelung), Reinigungskosten. Im Rahmen von Wärmerückgewinnungsmaßnahmen zunehmend Installation zusätzlicher Verflüssiger, z.B. wassergekühlt für Erwärmung von Brauchwasser und/oder Heizungswasser. Hauptverflüssiger dient dann zur Abführung der nicht mehr nutzbaren Wärme an Luft oder Kühlturmwasser. Für einwandfreie Funktion des Expansionsorgans sowie für sinnvolle Wärmerückgewinnung darf Verflüssigungsdruck einen vorgegebenen Mindestwert nicht unterschreiten, entsprechende Regelung erforderlich. Verflüssiger unterliegen der Druckbehälterverordnung, ein Überschreiten des maximal zulässigen Betriebsüberdruckes muss durch Sicherheitseinrichtungen verhindert werden.

-2

Wassergekühlte Verflüssiger1)

Häufigste Bauart sind Rohrbündel-Verflüssiger (Shell and Tube Type) Bild 5.4.3-3. Sie bestehen aus einem Mantelrohr mit beiderseits angeschweißten Rohrplatten, in die die Innenrohre eingeschweißt oder eingewalzt sind. Wasser fließt in den Rohren, Kältemittel kondensiert im Mantelraum. Wasserumlenkdeckel beiderseits, mit Wasserein- und -austrittsstutzen, sind abnehmbar. Bei dieser Bauart kann dadurch wasserseitig mechanisch – z.B. mit Bürsten – gereinigt werden.

Bild 5.4.3-3. Rohrbündel-Verflüssiger.

Durch Einbauten in Wasserumlenkdeckeln kann Zahl der Wasserwege verändert und damit optimale Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren erreicht werden. Bei FKW-Kältemitteln werden meistens mit Rippen oder spezieller Struktur versehene Kupfer- oder Kupfer-Nickel-Rohre verwendet, weil die Wärmeübergangszahl dieser Kältemittel im Vergleich zu wasserseitigen Werten relativ niedrig ist. Die äußere Fläche dieser Rohre ist etwa 3- bis 5mal größer als die Innenfläche. Dadurch gewinnt die Wassergeschwindigkeit einen größeren Einfluß auf den Wärmedurchgang. Für kleinere Leistungen werden oft Koaxial-Verflüssiger verwendet (Aufbau wie Bild 5.4.4-4). Sie bestehen aus einem oder mehreren wasserführenden Kernrohren, meistens außen berippt, und mit einem darüber geschobenen Mantelrohr gemeinsam schraubenförmig gewickelt. Im Ringraum fließt das Kältemittel.

1)

Paikert, P.: Wärmepumpentechnologie VI 1980. S. 83/53.

5.4.3 Verflüssiger (Kondensatoren)

2001 DVD

Diese Bauart ersetzt zunehmend die Verflüssiger mit eingebauter Rohrschlange (Shell and Coil Type). Beide Bauarten sind preisgünstiger als die Rohrbündel-Verflüssiger, können jedoch nur chemisch gereinigt werden. Kühlwasserregelung bei Frischwasserbetrieb s. Abschn. 5.4.7-4 s. S. 2018, bei Kühlturmbetrieb Abschn. 5.4.8-3 s. S. 2027. Berechnung (s. auch Abschn. 1.3.5 s. S. 214) Der Wärmedurchgangskoeffizient k0 für das saubere Rohr errechnet sich aus A l l l - --------- = ----+ a- ----- in m2K/W, αa Ai αi k0 wobei der Wärmeleitwiderstand der Rohrwände vernachlässigt ist. Der k0-Wert ist auf die Außenfläche Aa der Rohre bezogen. Zur Berücksichtigung der Verschmutzung sind zusätzlich Widerstände Ri auf der Innenseite der Rohre und Ra auf der Außenseite der Rohre zu berücksichtigen. Die Gleichung für den Wärmedurchgang lautet dann l l- + R + A a ⎛ l ⎞ -- = ----a ------ ⎝ ----- + R i⎠ A α α k a

i

i

Der Wärmeübergang auf der Wasserseite (Rohrinnenseite) kann nach den bekannten Gleichungen berechnet werden (s. Abschn. 1.3.5-2 s. S. 225). Der Wärmeübergangskoeffizient auf der Kältemittelseite ist abhängig von Art des Kältemittels, Temperaturdifferenz und Konstruktionsgeometrie, sowie nebst Ra vom Ölgehalt des Kältemittels. Richtwerte für die Wärmedurchgangszahl, abhängig von Wassergeschwindigkeit und Verschmutzungszuschlag, zeigt Bild 5.4.3-4, gültig für Cu- und MS-Hochleistungsrohre (GEWA C) mit spezieller Oberflächenstruktur innen und außen, im Bild 5.4.3-4 für Kältemittel R134a. Die Bezugsfläche wird mit dem Hüllendurchmesser gebildet. Der Wärmeübergangskoeffizient der Kondensation wird mit abnehmender Wärmestromdichte höher. Bei Teillast rückt die Verflüssigungstemperatur dadurch näher an die Kühlwasseraustrittstemperatur. Der so erreichte niedrigere Verflüssigungsdruck verringert den Leistungsbedarf des Verdichters. Für dieses Rohr gilt für den Wärmeübergangskoeffizienten der Kondensation αa αa = 98200 · q–0,1408 (W/m2K mit Wärmestromdichte q in W/m2, Dimension des Zahlenbeiwertes W1,1408/(m2,2816 K). Für andere H-FKW-Kältemittel ist der Exponent gleich, lediglich der Zahlenfaktor muss heißen (R404A: 88380, R507: 10800, R410A: 92300). Der Berechnung der Kältemittelverflüssigung liegt die Nusselt’sche Filmtheorie zugrunde, wonach der Dampf in den wachsenden, laminaren Flüssigkeitsfilm kondensiert. Mit mehreren Rohrreihen übereinander wird also der Film dicker, dieser behindert den Wärmeübergang an den unteren Rohren. Hochleistungsrohre haben eine bessere Drainagewirkung als normale Rippenrohre, der Flüssigkeitsfilm wirkt sich dadurch weniger stark auf den Wärmeübergang aus. Bei Glattrohren gilt nach VDI-Wärmeatlas (s. Abschn. 6.5.1-3 s. S. 2157) für den Einfluß der Zahl der Rohrreihen nR auf einen mittleren Wärmeübergang der Kondensation:

αa,mittel = (nR–1/6) αa, bei den Hochleistungsrohren ist der Exponent von nR etwa um den Faktor 2 kleiner.

DVD 2002

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Empfohlene Werte für Ri bei Cu- und Messingrohren: 2

m K R i in -----------W Seewasser Brackwasser Flußwasser Stadt- und Brunnenwasser Kühlturmwasser unaufbereitet Kühlturmwasser; Zusatzwasser behandelt

1 · 10-4 3 · 10-4 3 · 10-4 1 · 10-4 4 · 10-4 2 · 10-4

Bei Stahlrohren etwa die doppelten Werte

Ungewohnt ist das Rechenverfahren zur Bestimmung des Wärmeübergangs der Kondensation, muss doch zur Ermittlung des Wärmeübergangkoeffizienten αa die Wärmestromdichte q eingesetzt werden, also das Ergebnis vorweggenommen werden. Nach wenigen Iterationsschritten wird eine ausreichende Genauigkeit erreicht. Die Wassergeschwindigkeit in den Rohren sollte 1 m/s nicht unterschreiten, um die Verschmutzung und Korrosion in Grenzen zu halten. Die maximalen Geschwindigkeiten im Rohr sind von der Wasserqualität und dem Rohrwerkstoff abhängig: Rohrwerkstoff mittel max. Al 1,5 m/s Cu 1–2,2 m/s 2,5 m/s CuNi10Fe 1–3 m/s 3 m/s CuNi30Fe 1–3 m/s 4 m/s Edelstahl 1–3,5 m/s 4 m/s

Bild 5.4.3-4. Wärmedurchgangskoeffizienten eines Rohrbündel-Verflüssigers mit Hochleistungsrohren (Hüllfläche als Bezugsfläche).

Bild 5.4.3-5. Wärmedurchgangskoeffizient k0 und Druckabfall Δp eines Rippenrohrsystems für luftgekühlte Verflüssiger.

Bild 5.4.3-4 zeigt, wie stark die Wärmedurchgangszahl bei zunehmender Verschmutzung zurückgeht. Mit kleiner werdendem k-Wert steigt bei gleicher zu übertragender Leistung die erforderliche Temperaturdifferenz und damit die Verflüssigungstemperatur. Folge: kleinere Kälteleistung, höherer Energieverbrauch und bei hohen Kühlwassertemperaturen im Sommerextrem Abschaltung durch Druckbegrenzer. Überwachung des Kühlwassers, Behandlung des Zusatzfrischwassers, hinreichende Abschlämmung (s. Abschn. 5.4.8-3 s. S. 2027) sowie auch regelmäßige Reinigung des Ver-

5.4.3 Verflüssiger (Kondensatoren)

2003 DVD

flüssigers, gegebenenfalls durch automatische Rohrreinigungsanlagen, ist also wichtig. Verschmutzung der Verflüssiger ist die häufigste Störquelle bei Kälteanlagen. Wegen der stets anzunehmenden Verschmutzung bei offenem Wasserkreis sollten auch Hochleistungsrohre mit weniger anfälliger Innenstruktur (Innenfläche glatt oder leichte Wellung) gewählt werden, um die Reinigung zu erleichtern. Bei geschlossenen Kreisläufen dagegen leisten innenberippte Rohre hervorragende Dienste; insbesondere wenn dem Wasser Gefrierschutzmittel (Glykole oder ähnliches) zugesetzt sind. Der Wärmeübergang kann dann trotz der erhöhten Viskosität auf hohem Niveau gehalten werden. Auch die Einhaltung des der Berechnung zugrundegelegten Wassermassenstromes ist wichtig. Zu niedrige Werte ergeben Verringerung der Wärmedurchgangszahl, Überschreitung der zulässigen Grenzen führt zu Erosions- und/oder Kavitationsschäden. Bei der Inbetriebnahme, nach Reparaturen und nach längerem Stillstand ist mit Luft im System zu rechnen. Diese sammelt sich während des Betriebes im Verflüssiger. Sorgfältige und eventuell mehrmals wiederholte Entlüftung verbessert den Wärmeübergang. Anlagen mit R11 oder R123 arbeiten im Unterdruck und werden deshalb mit eigener Entlüftungseinrichtung ausgestattet.

-3

Luftgekühlte Verflüssiger1)

Ausführung grundsätzlich als Rippenrohrsystem, vorwiegend mit Cu-Rohren in Paket aus durchgehenden Aluminium-Lamellen. Wegen niedriger Wärmeübergangszahl Luft an Rippen, Flächenverhältnis Aa/Ai = 10…30. Abhängigkeit der Wärmedurchgangszahl k0 und des luftseitigen Druckabfalles von der Luftgeschwindigkeit im Anströmquerschnitt und der Anzahl der luftseitig hintereinandergeschalteten Rohrwände zeigt Bild 5.4.3-5 am Beispiel eines sauberen Verflüssigers mit Cu-Rohr 13 mm Ø, Rohrteilung 32 × 27 mm versetzt, Lamellenabstand 2,1 mm. Hoher Druckabfall verursacht höheren Energieverbrauch und größere Lautstärke der Ventilatoren, deshalb Anströmungsgeschwindigkeit 2…4 m/s üblich. 3 m Luftdurchsatz 290…600 ------- /kW h Anordnung der Rohrwände meist horizontal (Bild 5.4.3-6). Mit Axialventilatoren vorwiegend für Aufstellung im Freien (Bild 5.4.3-7). Mit Radialventilatoren auch zusätzlicher Förderdruck für Anschluss von Luftkanälen bei Aufstellung im Gebäude.

Bild 5.4.3-6. Luftgekühlter Verflüssiger mit Verflüssigungs-Druckregler KD.

Bild 5.4.3-7. Luftgekühlter stehender Verflüssiger mit 4 Axialventilatoren.

Verflüssigerdruckregelung durch Zu- und Abschaltung einzelner Ventilatoren, durch Drehzahlregelung über polumschaltbare Motoren oder stufenlos durch Phasenanschnittsteuerung, durch luftseitige Drosselklappen (vorwiegend bei Radialventilatoren). Ergänzend zu luftseitiger Regelung, bei kleineren Leistungen auch anstatt, Regelung

1)

Löffler, R.: Ki 2/74. S. 51/4. Pöschl, J.: Ki 9/83. S. 363/8.

DVD 2004

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

durch Anstauen von Kältemittel im Verflüssiger (Verringerung der Wärmeaustauschfläche) über spezielle Verflüssigungsdruckregler (Bild 5.4.3-6). · Die Kälteleistung des Verdichters Q 0 fällt mit steigender Kondensationstemperatur im Verflüssiger, also mit steigender Außenlufttemperatur. Dem kann man durch Vorkühlung der Luft z.B. durch einen Düsen- oder Rieselbefeuchter entgegenwirken1). Höhere Investitionskosten, Verwendung deshalb selten.

-4

Verdunstungsverflüssiger2)

Wird das Rohrsystem eines luftgekühlten Verflüssigers zusätzlich mit Wasser besprüht, so erhöht sich die Kühlleistung durch die Verdunstung des Wassers erheblich. Dieses Verfahren wird manchmal benutzt, um die Leistung luftgekühlter Verflüssiger an den wenigen sehr warmen Tagen kurzfristig zu vergrößern. Wasserqualität beachten! Der eigentliche Verdunstungsverflüssiger arbeitet mit Wasserumwälzung und ausreichendem Wasserüberschuß. Der konstruktive Aufbau entspricht dem von Rückkühlwerken mit geschlossenem Wasserkreislauf, nur mit dem Unterschied, dass in den Rohren direkt das Kältemittel verflüssigt wird (Bild 5.4.3-8). 3 m Bezogen auf 1 kW Verflüssigerleistung ist üblich ein Luftdurchsatz von etwa 100 ----------- , hkW 3 m eine Wasserumwälzung von etwa 1 ----------- . hkW Mit dieser Auslegung wird bei einer Außenluft-Feuchttemperatur von 21 °C eine Verkg flüssigungstemperatur von etwa 35 °C erreicht. Wasserverbrauch etwa 5 ----------- . hkW Entscheidender Nachteil sind die Korrosions- und Verschmutzungsprobleme infolge der Wasserversprühung im offenen Luftstrom. Kleinste Korrosionsundichtigkeiten, die bei Rückkühlung von Wasser noch ungefährlich sind, führen zu Kältemittelverlusten und damit zu Störungen. Verwendung deshalb relativ selten.

Bild 5.4.3-8. Verdunstungsverflüssiger. Ventilator drückend.

5.4.4 -1

Verdampfer (Kühler) Grundlagen3)

Im Verdampfer wird dem zu kühlenden Medium Wärme entzogen; die dadurch bewirkte Abkühlung ist der Zweck der ganzen kältetechnischen Anlage. Die verschiedenen Verdampferbauarten werden unterteilt nach dem Medium: Verdampfer zur Kühlung von Wasser, von Luft, von Produkten aller Art, 1) 2) 3)

N. N.: Temperaturtechnik 5/86. S. 14/5. DKV-Arbeitsblatt 3-02. Slipcevic, B.: TAB 7/87. S. 567/571.

5.4.4 Verdampfer (Kühler)

2005 DVD

nach dem Kühlverfahren: Durchflußkühlung, Behälter-(Raum-)Kühlung, Eiserzeugung etc., nach der Bauart: Rippenrohr, Rohrbündel, Platten, Steilrohr, Koaxialrohre etc., nach der Art der Verdampfung: trocken oder überflutet. a) Trockene Verdampfung Die Verdampfung erfolgt im Zwangsdurchlauf durch einen oder mehrere Rohrstränge. Es wird nur so viel flüssiges Kältemittel zugeführt, wie im Durchlauf verdampfen kann. Überhitzung des austretenden Dampfes ist die Regelgröße, die der Fühler des thermostatischen Expansionsventiles mißt und in Stellbewegungen umsetzt, Bild 5.4.4-1. Bei richtiger Bauweise, Bemessung und Regelung ist Überhitzung genügend groß, um den Verdichter vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen. Das Öl wird bei richtiger Leitungsführung und ausreichenden Geschwindigkeiten automatisch zum Verdichter zurückgeführt. b) Überflutete Verdampfung Bei überfluteter Verdampfung ist so viel Kältemittel im Verdampfer, dass die kältemittelseitigen Austauschflächen stets mit flüssigem Kältemittel beaufschlagt sind. Der Verdichter muss vor Flüssigkeitsschlägen durch mitgerissene Tropfen geschützt werden. Bei HFKW-Kältemitteln wird über dem Rohrbündel im Mantelraum genügend Abscheideraum und zusätzlich Abscheideelemente (Geflechte, Leitbleche) vorgesehen, bei Ammoniak ein separater, auf den Rohrbündelapparat aufgesetzter Abscheider. Sollen mehrere Kühlstellen mit Kältemittel versorgt werden, wird aus einem zentralen Sammler/Abscheider flüssiges Niederdruck-Kältemittel zu den einzelnen Verdampfern gepumpt und von dort das Gemisch aus Dampf und unverdampfter Flüssigkeit zum Abscheider zurückgefördert. Obwohl damit ein sehr guter Wärmeübergang und energetisch günstige Verhältnisse erreicht werden, sind diese Pumpenanlagen wegen der großen Füllmenge (teures Kältemittel) und wegen des Risikos der Kältemittelverluste bei Leckagen eher in Kühlanlagen zu finden, wo die Temperaturdifferenz zwischen verdampfendem Kältemittel und zu kühlendem Medium gering zu halten ist, z.B. bei tiefen Temperaturen.

Bild 5.4.4-1. Schema eines trockenen Verdampfers mit thermostatischem Einspritzventil.

Bild 5.4.4-2. Schema einer Pumpen-Kälteanlage mit individuell geregelten, zwangsweise durchströmten Verdampfern.

Bild 5.4.4-2 zeigt die Schaltung einer derartigen Pumpenanlage. Im Bild ist ein Luftkühler als Wärmelast eingezeichnet. Der Sammler muss groß genug sein, um die Füllmenge aller Kühlstellen aufzunehmen und dabei immer noch ausreichend Abscheidewirkung aufzuweisen. Sehr sorgfältig ist die Pumpe auszuwählen und vor allem ist auf genügend Zulaufhöhe (siedende Flüssigkeit) mit wenig Druckverlust in der Zulaufleitung zu achten.

DVD 2006

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

c) Berechnung Der übliche Rechengang mit der Wärmedurchgangszahl k ist hier nicht mehr möglich, da die Wärmeübergangszahlen auf der Innen- und Außenseite verschiedenen Gesetzmäßigkeiten unterliegen. Der Wärmeübergang auf der Luft- oder Wasserseite ist nach den bekannten Gleichungen, vgl. Abschn. 1.3.5-2 s. S. 225, im wesentlichen abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit. Der Wärmeübergang bei Verdampfung auf der · Kältemittelseite hingegen ist im wesentlichen abhängig von der Flächenbelastung Q 0/A. Bei Verdampfung im Rohr ist meist auf den Strömungsquerschnitt bezogene Massenstromdichte bestimmend. Außerdem bewirkt der Druckabfall des strömenden Kältemittels im Rohr eine Absenkung der Verdampfungstemperatur. Die Berechnung erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird in üblicher Weise über Wärmeübergangszahl, Flächenverhältnis und gegebenenfalls Rippenwirkungsgrad die Rohroberflächentemperatur auf der Kältemittelseite errechnet. Aus dieser ergibt sich dann über Flächenbelastung und Druckabfall die Differenz ΔtR (Kältemittelseite) zwischen Rohroberflächentemperatur und Verdampfungstemperatur am Verdampferaustritt. Diese wird zusätzlich beeinflußt durch die erforderliche Überhitzung des Kältemittels, die mit der sehr schlechten Wärmeübergangszahl des dampfförmigen Kältemittels erreicht werden muss. Kennzeichnende Größe für die Qualität eines Verdampfers ist damit nicht mehr der Wertk · A, sondern die erreichbare Austrittsdifferenz ΔtAK, also die Differenz zwischen Austrittstemperatur des Mediums auf der kalten Seite und der manometrischen Verdampfungstemperatur am Austritt des Verdampfers. Verdampfer unterliegen der Druckbehälterverordnung, ein Überschreiten des maximal zulässigen Betriebsüberdruckes muss durch Sicherheitseinrichtungen verhindert werden.

-2

Verdampfer zur Kühlung von Wasser1)

Vorwiegend Durchflußkühlung in Rohrbündelverdampfern, meistens als Bestandteil von Kaltwassersätzen.

-2.1

Rohrbündelverdampfer mit trockener Verdampfung

Kältemittel verdampft in den Rohren. Diese sind meistens als Glattrohre kleinen Durchmessers aus Kupfer, Messing oder Stahl ausgeführt und in beiderseitige Rohrböden eingewalzt oder eingeschweißt (Bild 5.4.4-3). Um kompakte Bauweise zu erzielen, werden auch innen berippte Rohre (Längsdrallrippen) verwendet.

Bild 5.4.4-3. Rohrbündelverdampfer für trockene Verdampfung. A und B = Kältemittelanschlüsse, C und D = Kaltwasseranschlüsse

Das im Expansionsventil entspannte Kältemittel wird dem vorderen Umlenkdeckel meistens unten zugeführt und durchströmt die Rohre als Dampf-Flüssigkeits-Gemisch in mehreren Wegen und in jeweils steigender Rohrzahl. Im letzten Weg Verdampfung der letzten Flüssigkeit und Überhitzung des Dampfes. Zahl der pro Weg parallelgeschalteten Rohre wird so gewählt, dass Druckverlust gering bleibt. Das Kaltwasser wird im Mantelraum durch Leitbleche so geführt, dass eine günstige Strömungsgeschwindigkeit erzielt wird. Vorteile dieser Bauart: 1. Das im Kreislauf mitgeführte Öl wird bei richtiger Ausführung zwangsläufig in die Saugleitung und damit zum Verdichter zurückgefördert. 2. Kleine Kältemittelfüllung.

1)

Paikert, P.: Wärmepumpentechnologie VI. 1980. S. 38/53. Hage, M.: Ki 2/88. S. 71/75.

5.4.4 Verdampfer (Kühler)

2007 DVD

3. Kältemittelseitig sind mehrere unabhängige Kältekreise einzurichten. Nachteile: Eine wasserseitige Reinigung ist nur auf chemischem Wege möglich. Verwendung deshalb nur in geschlossenen Wasserkreisläufen. Unter Einbeziehung des dafür üblichen Verschmutzungswiderstandes von Ra = 1 · 10–4 (m2K/W) liegen die üblichen Austrittstemperaturdifferenzen zwischen 5 und 8 K. Für kleinere Leistungen werden auch Koaxialverdampfer verwendet, die aus einem oder mehreren Innenrohren und einem Mantelrohr bestehen, meistens gemeinsam spiralförmig gewickelt (Bild 5.4.4-4). In den berippten Innenrohren verdampft das Kältemittel, während das Wasser im Gegenstrom durch das Mantelrohr fließt. Die Leistungen der Verdampfer sind den Tafeln oder Diagrammen der Hersteller zu entnehmen. Dabei beachten, ob ausreichende Überhitzung eingeschlossen oder zusätzlich zu berücksichtigen ist.

Bild 5.4.4-4. Koaxialverdampfer oder -verflüssiger (Wieland).

-2.2

Rohrbündelverdampfer für überfluteten Betrieb

Kältemittel verdampft im Mantelraum, Wasser fließt in den Rohren. Bild 5.4.4-5 zeigt die in der industriellen Kältetechnik übliche Bauart. Da die Wärmeübergangswerte verdampfender FKW-Kältemittel relativ niedrig sind, werden – wie im Verflüssiger – Kupferrohre mit speziell strukturierter Oberfläche verwendet. Sie ermöglichen das Blasensieden bei geringer Temperaturdifferenz, 1 bis 3 K beim Kaltwasseraustritt. Sie sind ebenfalls beiderseits in Rohrböden eingewalzt oder eingeschweißt. Wassergeschwindigkeit 1…3m/s. Durch Einbauten in den Wasserdeckeln kann Zahl der Wasserwege verändert und damit geeignete Geschwindigkeit erreicht werden.

Bild 5.4.4-5. Überfluteter Rohrbündel-Verdampfer.

Vorteile dieser Bauart: Hohe Wärmedurchgangswerte, da kältemittelseitig guter Wärmeübergang bei geringem Druckabfall. Kaltwasserseite kann nach Abnehmen der Wasserumlenkdeckel mechanisch gereinigt werden. Nachteile: Über dem Rohrbündel muss ein relativ großer Raum frei bleiben zur Abscheidung der Flüssigkeitstropfen (oder separater Abscheider), dadurch teuer. Ebenfalls nachteilig, dass Ölrückführung nicht zwangsläufig, sondern nur durch besondere Maßnahmen. Im geschlossenen sauberen Kaltwasserkreis ist mit einem Verschmutzungswiderstand von Ri = 0,5…1 · 10–4 m2K/W zu rechnen.

DVD 2008

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Die heute üblichen Verdampferrohre haben spezielle Oberflächenstrukturen auf der Innen-(Wasser) und Außen(Kältemittel)seite. Die Innenseite wird gewellt oder mit Rippen großer Ganghöhe gestaltet. Die Verbesserung des Wärmeüberganges gelingt nur so lange, als die Verschmutzung gering bleibt, also bei sauberem Kreislauf. Oberflächenwasser z.B. für Wärmepumpen erfordert entsprechend angepasste Rohre und Reinigungsverfahren. Die Auslegung erfolgt mit dem vereinfachten Ansatz Nu = CWasserRe0,8Pr0,33(η/ ηW)0,14, die Struktur der Innenseite wird durch den Beiwert CWasser erfaßt und experimentell bestimmt. Auf der Kältemittelseite wird versucht, das günstige Blasensieden bereits bei sehr geringer Temperaturdifferenz von der Rohrwand zum Kältemittel zu verwirklichen. Die thermische Auslegung erfolgt mit einer Beziehung α = K qn. Der Wärmeübergangskoeffizient steigt mit der Wärmestromdichte. K ist ein dimensionsbehafteter Zahlenwert. K und n werden aus Versuchen ermittelt, sie gelten nur für das untersuchte Kältemittel innerhalb eines Bereiches der Wärmestromdichte q und des Systemdruckes. Für GEWA-B-Rohre werden folgende Werte angegeben R134a K = 165 n = 0,487 R404A K = 134 n = 0,461 R410A K = 1084 n = 0,317 R507 K = 186 n = 0,449 Die Berechnung eines Wärmeübertrager beginnt auch hier mit der Annahme einer plausiblen Wassergeschwindigkeit (ergibt Strömungsquerschnitt und damit Rohrzahl des Durchgangs), einer Verdampfungstemperatur (ergibt mittlere Temperaturdifferenz) und einer Wärmestromdichte. Damit kann der Wärmeübergangskoeffizient, der Wärmedurchgangskoeffizient und schließlich die Wärmestromdichte berechnet und mit dem zu Beginn angenommenen Wert verglichen werden. Mit Anpassungen der Rohrlänge und Rohrzahl wird die Berechnung so lange wiederholt, bis alle Vorgaben erfüllt und eine geeignete Konstruktion festgelegt ist. Auch der Druckverlust der Wasserseite ist zu berechnen und mit der Vorgabe abzugleichen. Bei Teillast sinkt die Wärmestromdichte und mit ihr der kältemittelseitige Wärmeübergangskoeffizient, insgesamt verbessert sich die vorhandene Flächennutzung, die Verdampfertemperatur steigt. Gleichzeitig sinkt auch die Verflüssigungstemperatur, so dass aus beiden Effekten die Kälteleistungzahl überproportional steigt. Kältemaschinenöl, das aus dem Verdichter in den Kreislauf gelangt, sammelt sich schließlich im Verdampfer. Zunehmender Ölgehalt behindert die Blasenbildung und führt zu niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten. Bei 3% Öl im Kältemittel ist bei bestimmten Versuchsbedingungen ein Minderungsfaktor 0,66 gefunden worden. Der Ölgehalt muss also durch Ölrückführung begrenzt werden, bei Turbo-Kältesätzen mit sehr geringem Ölwurf beschränkt man sich auf ein Abdestillieren des Kältemittels nach etwa 1 Jahr Laufzeit.

-3

Luftkühler für direkte Verdampfung1)

Diese Verdampfer ähneln in ihrem Aufbau den mit Kaltwasser betriebenen Luftkühlern. Sie bestehen meistens aus einem Rippenrohrsystem von Kupferrohren, 10…18 mm Ø, und Aluminiumrippen oder -lamellen mit einem Rippenabstand von 2…7 mm (Bild 5.4.4-6). Das Kältemittel verdampft in den Rohren, während die zu kühlende Luft das Rippenrohrsystem quer durchströmt. Bei kleineren Leistungen auch preisgünstige Ganzaluminium-Ausführung (Probleme beim Anschluss der Cu-Kältemittelleitungen). In korrosiver Atmosphäre auch Rohre und Rippen aus Kupfer, mit Lack beschichtet, oder auch Edelstahl; letztere seltener, wegen schlechter Wärmeleitung des Edelstahls. Auslegung in seltenen Fällen für überflutete Verdampfung mit Kältemittel-Pumpenbetrieb, überwiegend jedoch für trockene Verdampfung. Kältemittelseitig müssen jeweils so viele Kühlrohre parallel geschaltet werden, dass der Kältemitteldampf eine Geschwindigkeit von etwa 8…12 m/s im Austritt nicht überschreitet. Die gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die Kühlrohre übernimmt ein Kältemittelverteiler, der dem in der Regel verwendeten thermostatischen Expansionsventil nachgeschaltet wird (Mehrfacheinspritzung). Er verteilt das aus diesem Drosselorgan aus1)

DIN 8955:1976-04: Ventilator-Luftkühler.

5.4.4 Verdampfer (Kühler)

2009 DVD

tretende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch mittels Kupferrohren kleineren Durchmessers gleichmäßig auf die Kühlrohre. Diese Rohre müssen wegen eines einheitlichen Strömungswiderstandes exakt gleichen Durchmesser und gleiche Länge haben. Die Kühlrohre müssen so hintereinander geschaltet werden, dass das Kältemittel im Gegenstrom oder auch Gleichstrom zur Luft strömt. Kreuzstrom ist zu vermeiden, da die Rohre dadurch ungleichmäßig belastet werden und die Kälteleistung des Verdampfers verringert wird. Die Berechnung der Kühlleistung bzw. der erforderlichen Kühlfläche ist bei den Direktverdampfern ähnlich derjenigen von wasserdurchflossenen Kühlern mit Wasserausscheidung, s. Abschn. 3.3.2-3 s. S. 1306. Der Luftzustand ändert sich bei der Darstellung im h,x-Diagramm von 1 (Eintritt) auf 4 (Austritt) in Richtung auf die mittlere Oberflächentemperatur 5 des Verdampfers (Bild 5.4.4-7), wobei Wasser auskondensiert. Wasserabscheider vorsehen. Bleibt die Oberflächentemperatur bei oder über der Taupunkttemperatur 3, so kühlt sich die Luft auf Zustand 2 ohne Wasserausscheidung.

Bild 5.4.4-6. Ansicht eines DirektLuftkühlers mit Einspritzventil und Verteilerrohren.

Bild 5.4.4-7. Ermittlung des LuftaustrittsZustandpunktes im h,x-Diagramm.

Die Temperaturdifferenz zwischen Oberflächentemperatur und manometrischer Verdampfungstemperatur am Verdampferaustritt ist bei den üblichen FlächenverhältnissenAa/Ai ≈ 20 etwa so groß wie die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zwischen Lufteintritt, Luftaustritt und Oberflächentemperatur. Die Übertragungsleistung eines Luftkühlers nimmt mit fallender Verdampfungstemperatur zu. Umgekehrt fällt dabei die Leistung der Kältemaschine. Für einen bestimmten Verdichter und einen Luftkühler gegebener Fläche kann man ein Diagramm ähnlich Bild 5.4.4-8 entwickeln und den Betriebspunkt als Schnittpunkt zweier Kurven finden. Bei der Dimensionierung gilt auch hier: Reichliche Austauschfläche sichert hohe Verdampfungstemperatur t0, damit größere Leistungszahl εK, kleinen Energiebedarf und geringeres erforderliches Fördervolumen des Verdichters. Sinkt die Oberflächentemperatur des Luftkühlers unter ± 0 °C, so ist anstelle von Wasserabscheidung mit Reifbildung zu rechnen. Reif verengt den freien Querschnitt, bewirkt dadurch höheren Luftwiderstand und verschlechtert die Wärmeübertragung durch seinen hohen Wärmeleitwiderstand. Regelmäßiges Abtauen erforderlich; z.B. mittels Kältemittel-Heißgas, wobei Dampf in den Rohren kondensiert z.B. mittels Kreislaufumkehr oder Heißgas-Bypass1). Abtauung auch mittels Elektro-Heizstäben, die in die Lamellen eingeschoben sind.

1)

Reichelt, J.: Ki 2/87. S. 72/5.

DVD 2010

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.4-8. Verdichter-Kühler-Diagramm.

-4

Plattenwärmeaustauscher1)

Neuerdings werden auch Plattenwärmeaustauscher, s. Bild 2.3.1-89, in Kältemittelkreisläufen eingesetzt, und zwar als wassergekühlte Verflüssiger oder als Verdampfer zur Kühlung von Flüssigkeiten, sowohl für trockene als auch für überflutete Verdampfung. Bild 5.4.4-9 zeigt einen Plattenapparat als Umlaufverdampfer. Der beim Sieden entstehende Dampf treibt Flüssigkeit in die Steigleitung, nach der Trennung Dampf/Flüssigkeit im Abscheider fließt das flüssige Kältemittel wieder zum Verdampfereingang. Der so erzeugte Umlauf erhöht den Wärmeübergang. Die das Kältemittel einschließenden jeweils zwei Platten sind hierbei häufig miteinander verlötet oder verschweißt, wogegen die Wasserseite meistens mit den üblichen Dichtungen zur leichten Demontage versehen ist. Achtung: Vor Öffnen der Wasserseite muss das Kältemittel abgesaugt werden, da sich die Sammelrohre der Kältemittelseite mit öffnen! Vorteilhaft ist die gegenüber anderen Bauarten geringere erforderliche Kältemittel-Füllmenge. Schwachpunkte sind allenfalls Dichtungen und auch Schweißnähte der Kältemittelseite.

Bild 5.4.4-9. Plattenapparat als Umlaufverdampfer (Thermosyphon-Verdampfer).

1)

Schenker, F.: Ki 3/95. S. 120/22. Loft, M.: Ki 5/95. S. 230.

5.4.5 Sonstige Bauteile im Kältemittelkreislauf

5.4.5 -1

2011 DVD

Sonstige Bauteile im Kältemittelkreislauf Kältemitteltrockner

Wasser im Kältekreislauf kann große Schäden verursachen, insbesondere Korrosion und eventuell Verstopfungen durch Eisbildung in Regelorganen, falls die Verdampfungstemperatur unter ± 0 °C fällt. Obgleich die Kältemittel von den Herstellern mit nur 0,003…0,005% Wassergehalt geliefert werden und die Anlagen vor der Füllung gründlich getrocknet werden (Warmluft, Stickstoff, Evakuieren im Wechsel), ist der Einbau eines Kältemitteltrockners in die Flüssigkeitsleitung bei FKW-Kältemitteln erforderlich. Die Trockenmittel, die in beiderseits mit Sieben versehenen Zylindern enthalten sind, binden das Wasser adsorptiv durch physikalische Kräfte. Verwendung finden besonders Kieselgele (Silicagel) und sog. Molekularsiebe (synthetisches Aluminium-SiliciumOxyd). Das neue Kältemittel R 134a benötigt ein besonders feinporiges Molekularsieb1).

-2

Kältemittelschaugläser

Einbau vor dem Expansionsventil zur Betriebskontrolle. Blasen im Schauglas zeigen Kältemittelmangel beim herrschenden Betriebszustand. Blasen beim Nenn-Betriebszustand bedeuten Kältemittelverlust (Undichtigkeit suchen, beseitigen, nachfüllen), Drosselstelle in Flüssigkeitsleitung (z.B. Trockner verstopft, auswechseln), oder unzureichende Unterkühlung (bei langen Leitungen). Moderne Schaugläser enthalten Farb-Indikator, ob Kältemittel trocken oder Wasser im Kreislauf.

-3

Kältemittelsammler

Druckbehälter, vorwiegend auf der Hochdruckseite, zur Aufnahme der Kältemittelfüllung. Bei größeren luftgekühlten Verflüssigern fast immer, bei wassergekühlten Verflüssigern nur dann, wenn Füllmenge Rohre im Verflüssiger überfluten und damit Austauschfläche unter Auslegungswert verringern würde. Sammler auch überdimensioniert, damit im Reparaturfall gesamte Füllung in Sammler gedrückt werden kann. Achtung: Sammler im Hauptstrom „vernichten“ Unterkühlung! Kältemittelsammler unterliegen der Druckbehälterverordnung und müssen (s. Abschn. 5.4.7-5.1 s. S. 2019) mit einer Füllstandsanzeige ausgestattet sein. Außerdem müssen sie, wenn sie beidseitig absperrbar sind, ein abblasendes Sicherheitsventil erhalten.

-4

Ölabscheider

Ölabscheider scheiden das in die Druckleitung mitgerissene Öl zu einem hohen Prozentsatz ab. Meistens als Zentrifugalabscheider ausgeführt und mit automatischer Ölrückführung in das Kurbelgehäuse durch ein Ventil mit Schwimmersteuerung. Bei trockener Verdampfung praktisch nur bei Schraubenverdichtern, bei überfluteter Verdampfung und Verdrängungsverdichtern fast stets erforderlich. Ölabscheider unterliegen der Druckbehälterverordnung.

-5

Überhitzer (Wärmeaustauscher)

Im Überhitzer erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen der warmen Flüssigkeitsleitung (vom Verflüssiger zum Expansionsventil) und der kalten Saugleitung. Das Sauggas wird dadurch überhitzt (erforderlich, wenn Überhitzung im Verdampfer nicht ausreichend) und die Flüssigkeit unterkühlt. Größere Unterkühlung ist notwendig bei langen, insbesondere steigenden Flüssigkeitsleitungen, damit nach Druckabfall immer noch unterkühltes Kältemittel am Expansionsventil ankommt. Außerdem steigert größere Unterkühlung die Kälteleistung mehr oder weniger, je nach Kältemittel. Überhitzung

1)

Oral, B.: Ki 9/93. S. 353/55. Blom, A.: Ki 10/95. S. 468/71.

DVD 2012

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

begrenzen wegen hoher Druckgastemperatur. Überhitzung reduziert Dichte des Kältemitteldampfes und damit Saugleistung des Verdichters. Kompensation durch Unterkühlung nicht immer gegeben!

-6

Kompensatoren

Um die Übertragung von Schwingungen zu vermeiden, werden die Verdichter oft über elastische Kompensatoren an das Rohrleitungssystem angeschlossen. Hierfür kommen vorwiegend metallische Wellrohre zum Einsatz, da fast alle Elastomere nicht beständig oder nicht ausreichend dicht sind für die verwendeten Kältemittel. Das Rohrleitungssystem muss an der Verbindungsstelle zum Kompensator einen echten Festpunkt haben, sonst werden die Schwingungen nicht gedämpft, sondern eher verstärkt.

-7

Ölheizung

Da sich die meisten Kältemittel in den Ölen lösen, erfolgt bei Stillstand des Verdichters in den Ölvorräten im Kurbelgehäuse und ggfs. im Ölabscheider eine Sättigung des Öls mit Kältemittel. Beim Start des Verdichters würde dieses Kältemittel infolge der Druckabsenkung schlagartig verdampfen, das Öl schäumt dadurch auf, verliert seine Schmierfähigkeit, und die Ölpumpe könnte keinen Druck aufbauen. Um dies zu vermeiden, wird das Öl bei Stillstand des Verdichters durch eine Kurbelwannenheizung bzw. Ölvorratsheizung so weit erwärmt, dass die Kältemittelanreicherung etwa nur den Wert erreicht, der dem normalen Betriebszustand entspricht. Achtung: Die Kurbelwannenheizung muss deshalb bei Abschaltung der Anlage in Betrieb bleiben bzw. muss bei längeren Abschaltperioden einige Stunden vor Inbetriebnahme des Verdichters eingeschaltet werden! Herstellerangaben beachten!

5.4.6

Verdichterantriebsmotoren

Der Antrieb erfolgt überwiegend durch Elektromotoren aus dem üblichen Netz (220/380 V, 50 Hz), aber auch mit höheren Spannungen (andere Antriebe s. Abschn. 5.5.4 s. S. 2050). Bei der Auslegung und für die Netzbelastung beim Anlaufen ist zu beachten, dass die Verdichter üblicherweise gegen den vorhandenen Gegendruck im Kältekreislauf anfahren müssen, es handelt sich also um „Schwerstanlauf“ mit entsprechend hohen Anlaufströmen. Einphasen-Wechselstrommotoren kommen praktisch nur in vollhermetischen Kapselverdichtern vor. Da eine Kommutierung im Kältemitteldampf nicht möglich ist, kommen ausschließlich Kondensatormotoren zum Einsatz. Diese benötigen wegen des Schweranlaufs einen zusätzlichen Anlaufkondensator, der nach Anlaufende durch ein Anlaufrelais abgeschaltet wird. Einphasenmotoren sind nur bis 1,4 kW Nennaufnahme ohne Sondergenehmigung des zuständigen EVU zugelassen. Drehstrommotoren für offene Verdichter können beliebig ausgewählt werden. Bei vollund halbhermetischen Verdichtern kommen als Einbaumotoren nur Kurzschlussläuferin Frage, da neben der Kommutierung auch Schleifringübertragung in der Kältemittelatmosphäre nicht möglich ist. Wiedereinschaltsperre beachten! Der Direktanlauf von Kurzschlussläufermotoren wird von den EVU je nach Netzverhältnissen nur bis zu einer oft recht niedrigen Leistungsgrenze zugelassen, darüber muss der Anlaufstromstoß begrenzt werden. Die hierfür übliche Stern-Dreieck-Schaltung ist für Kälteverdichter schlecht geeignet, da der Gegendruck schon bei der kurzen Spannungsunterbrechung im Umschaltvorgang zu einem starken Abfall der Drehzahl führt. Hierdurch wird die Umschalt-Stromspitze fast so hoch wie die bei Direkteinschaltung. Größere (halb)hermetische Verdichter werden deshalb für Teilwindungsstart ausgelegt, die gesamte Motorwicklung wird in zwei Teile, meistens etwa 40% und 60%, aufgeteilt.1) Einschaltung der größeren Teilwicklung bewirkt das Hochlaufen des Motors, Stromstoß bei Zuschaltung der 2. Teilwicklung ist vernachlässigbar. Jede Methode der Anlaufstromreduzierung setzt voraus, dass der Verdichter entlastet anläuft. Hierfür müssen bei 1)

Schael, W.: Ki 9/94. S. 429/431.

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

2013 DVD

Hubkolbenverdichtern alle regelbaren Zylinder abgeschaltet sein, bei Schraubenverdichtern muss der Leistungsregelschieber, bei Turboverdichtern die Dralldrosselregelung auf Kleinstlast stehen. Für nicht leistungsregelbare Verdichter muss ein Heißgasbeipass eingebaut und für den Anlaufvorgang geöffnet werden. Eine Lastzuschaltung darf erst erfolgen, wenn der Anlaufvorgang des Motors völlig beendet ist. Sauggasgekühlte Einbaumotoren sind durch die gute Kühlung, die mit steigender Leistungsaufnahme deutlich zunimmt, höher belastbar als normale luftgekühlte Motoren und haben dadurch, bei gleicher Wellenleistung, wesentlich geringere Anlaufströme. Mit fortschreitender Entwicklung der Leistungselektronik kommen Sanftanlaufsteuerungen auf den Markt, die z.B. die Spannung für den Anlauf auf ca. 20% heruntersetzen und dann langsam hochfahren.1) Statische Frequenzwandler ermöglichen neben einer Drehzahlregelung auch einen sanften Anlauf durch entsprechend verringerte Frequenz.

5.4.7 -1

Mess-, Steuer- und Regelgeräte Kältemittelmengenregelung

Die dem Verdampfer zuzuführende Menge flüssigen Kältemittels muss entsprechend der jeweiligen Kälteleistung unter gleichzeitiger Entspannung geregelt werden.

-1.1

Kapillarrohre

Es ist das einfachste Drossel- und Regelorgan. Meistens als Kupferrohr ausgeführt, Innendurchmesser 0,4 bis 2 mm, Länge bis zu 2 m und mehr. Rohrlänge muss in jedem einzelnen Fall experimentell festgelegt werden. Sie bestimmt den maximalen Kältemittelstrom. Nur verwendbar bei Geräten kleinerer Leistung, deren Kältemittelfüllung exakt abgestimmt werden muss; so z.B. in Kühlschränken, Truhen, Klimageräten bis etwa 10 kW Antriebsleistung. Kein Kältemittelsammler auf der Hochdruckseite.

-1.2

Thermostatisches Expansionsventil2)

Es ist das inbesondere in Kältesätzen mit Verdrängungsverdichtern am häufigsten verwendete Regelorgan (Bild 5.4.7-1). Es besteht aus einem thermisch gesteuerten und einem druckgesteuerten Teil. Wirkungsweise (s. Bild 5.4.7-2 und Bild 5.4.7-3 sowie auch Bild 5.4.7-4): Der Fühler, mit einer geeigneten Gas- oder Flüssigkeitsfüllung, ist an der Saugleitung hinter dem Verdampfer in 5-Uhr-Stellung befestigt. Ein Kapillarrohr überträgt Temperaturänderungen auf ein Membransystem, das als Antrieb des Ventilkegels dient. Auf die Unterseite der Membran wirkt der Druck am Anfang des Verdampfers (Innerer Druckausgleich). Steigende Überhitzung in der Saugleitung erhöht den Temperaturfühlerdruck auf die Membran und öffnet das Ventil: Regelgröße ist also die Überhitzungstemperatur. Bei sinkender Kühlerleistung würde am kältemittelseitigen Austritt noch unverdampftes Kältemittel vorhanden sein, infolgedessen keine Überhitzung, wenn das Thermoventil nicht sofort die Kältemittelzufuhr verringern würde. Normaleinstellung: 5…7 K Überhitzung. Bei größerem Druckverlust im Verdampfer verwendet man Ventile mit äußerem Druckausgleich, weil sonst die Überhitzung zu hoch würde (Bild 5.4.7-3). Dabei wird der Raum unter der Membran durch die Ausgleichleitung mit dem Verdampferende verbunden, so dass einwandfreie Zuordnung von t0 und t0h, also gleichbleibende Überhitzung und damit trockenes Ansaugen des Verdichters gesichert sind, auch wenn der Verdampfer einen Druckabfall erzeugt.

1) 2)

Haber, K.: Ki 1–2/93. S. 27/29. Lettner, J., u. R. Siegismund: Ki 2/77. S. 53/60.

DVD 2014

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.7-1. Thermostatisches Expansionsventil. Links: Schema. Rechts: Typ TE5 (Danfoss). 1 = Thermoelement 2 = Membran 3 = Kapillarrohr 4 = Fühler mit Doppelkontakt 5 = Feder

6 = Druckstift 7 = Stopfbuchse 8 = Ventilkegel 9 = Einstellspindel 10 = Äußerer Druckausgleich

Bild 5.4.7-2. Schema eines thermostatischen Expansionsventils mit innerem Druckausgleich.

Bild 5.4.7-4. Wirkungsweise des thermostatischen Expansionsventils.

Bild 5.4.7-5. Verteiler für flüssiges Kältemittel (Danfoss).

11 = Eintritt 12 = Austritt 13 = Thermooberteil 14 = Düseneinsatz 15 = Gehäuse

Bild 5.4.7-3. Thermostatisches Expansionsventil mit äußerer Ausgleichsleitung.

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

2015 DVD

Verdampfer und Expansionsventil bilden einen Regelkreis, dessen stabiles Verhalten bei jedem Betriebszustand gewährleistet sein muss. Bei Stillstand des Verdichters ist ein sogenanntes „Nachspritzen“ nicht ausgeschlossen, sobald sich der Druck ausgeglichen hat. Daher ist es üblich, in der Flüssigkeitsleitung vor dem Thermoventil ein Magnetventil anzuordnen.

-1.3

Elektronisches Expansionsventil1)

Neue Entwicklungen gehen dahin, das thermostatische Expansionsventil durch ein elektronisch angesteuertes Expansionsventil zu ersetzen1) (Bild 5.4.7-6). Die Überhitzungstemperatur wird durch einen Temperatursensor gemessen, die Sättigungstemperatur durch einen Drucksensor mit programmierter Umrechnung auf die Sättigungstemperatur. Die Differenz beider Temperaturen, die Überhitzung, ist die Regelgröße. Erreicht wird durch diese Regelung ein besseres Regelverhalten im Teillastbetrieb und bei niedrigen Verflüssigungstemperaturen, was zu einer Verringerung der Jahresbetriebskosten der Kälteanlage führen kann. Außerdem kann das Magnetventil in der Kältemittel-Flüssigkeitsleitung eingespart werden. In derzeit verfügbaren Regelungen beinhalten Funktionen von adaptiver Überhitzungsregelung bis hin zur kompletten Kühlstellenregelung. Bild 5.4.7-6. Elektronisches Expansionsventil, Schnittbild (Danfoss). 1 = Eingang 2 = Ausgang 3 = Düse 4 = Filter 5 = Ventilsitz 6 = Anker 7 = Spule

Bild 5.4.7-7. Mehrfacheinspritzung bei einem Luftkühler.

-1.4

Mehrfacheinspritzung

Wie unter 5.4.4-3 ausgeführt, müssen parallelgeschaltete Rohre beispielsweise in Luftkühlern mit gleichen Kältemittelmengen beaufschlagt werden. Diese Aufgabe wird durch einen Kältemittelverteiler, Bild 5.4.7-5, gelöst (s. auch Bild 5.4.7-7). Je nach Zahl der parallelgeschalteten Kältemittelwege sind Kupferrohre di = 3…10 mm mit gleicher Länge eingelötet. Wichtig ist, dass die einzelnen Kältemittelwege gleichmäßig belastet sind. Luftströmung daher in Bild 5.4.7-7 durch die sichtbare Stirnfläche, nicht aber etwa von oben oder von unten, weil die dargestellten fünf parallelen Kältemittelwege dann jeweils von Luft unterschiedlicher Temperatur angeströmt und mit unterschiedlichem Δt betrieben würden: der letzte kälteste Weg würde infolge kleinster Übertragungsleistung noch unverdampftes Kältemittel in die Saugleitung leiten und das Thermoventil zum Schließen bringen. Verteiler vertikal anordnen.

1)

Lenz, H.: Ki 10/85. S. 411/4. Klein, A.: Ki 1/87. S. 25/30. Forum: Ki 11/91. S. 477/482. Gollnow, K.: Ki 6/93. S. 244/47.

DVD 2016

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Das Expansionsventil muss unbedingt mit äußerem Druckausgleich versehen werden, weil ein Teil des Druckgefälles in den Verteilrohren abgebaut wird.

-1.5

Schwimmerregelung

Darunter werden Mengenregelungen verstanden, bei denen ein Kältemittel-Flüssigkeitsstand die Regelgröße bildet. Hochdruckschwimmer ist hinter dem Verflüssiger angeordnet und wirkt wie ein Kondenstopf: Flüssigkeit geht hindurch, Dampf nicht. Der Verdampfer muss die gesamte Kältemittelfüllung der Anlage aufnehmen. Dieses Prinzip ist nur dann verwendbar, wenn nur ein überflutet betriebener Verdampfer zu versorgen ist, z.B. bei Turbo-Kaltwassersätzen. Sind mehrere überflutet betriebene Verdampfer mit flüssigem Kältemittel zu versorgen, so wird die Niederdruck-Schwimmerregelung verwendet (Bild 5.4.4-2). Damit wird der Stand entspannten, flüssigen Kältemittels im Verdampfer, Abscheider und dergleichen auf der Verdampfer-, also auf der Niederdruckseite geregelt.

-1.6

Expansionsturbine

Die Entspannung des Kältemittels in einer Turbine unter Abgabe von Nutzleistung entspricht – im Gegensatz zu allen vorgenannten Drosseleinrichtungen – dem angestrebten Carnotschen Idealprozess, ist jedoch sehr aufwendig. Die Expansionsturbine ist thermodynamisch „richtig“, leider zu teuer. In Deutschland nur einmal realisiert worden.1)

-2

Schaltende Regler

Schaltende Regler dienen zur Ein- und Aus-Schaltung des Verdichters, auch mehrerer Verdichter oder Leistungsregelstufen in Folgeschaltung (vgl. Abschn. 3.3.7 s. S. 1439). Ebenso zur Zu- und Abschaltung von Verdampfern oder Verdampfer-Teilflächen über Magnetventile sowie für andere Schaltaufgaben. Bei Schaltung von Verdichtern beachten, dass Laufzeit wenigstens so lang sein muss, bis das beim Anlauf ausgeworfene Öl zum Verdichter zurückgelangt ist, vgl. Tafel 5.7.1-1. Zu beachten max. zulässige Schalthäufigkeit, meist 5–6 1/h wegen Wicklungstemperatur, Motorleistung über 300 kW 2–31/h, über 400 kW 2 Starts/h.

-2.1

Temperaturschalter (Thermostate)

Messgröße ist die Temperatur, vorwiegend von Luft oder Wasser. Schaltvorgang direkt durch Temperaturausdehnung des Fühlers, zunehmend auch indirekt mit temperaturempfindlichem Halbleiter (Thermistor) und elektronischem Verstärker/Schalter. Mehrstufige Temperaturregelung für Folgeschaltung mehrerer Verdichter oder mehrerer Leistungsregelstufen eines Verdichters vorwiegend elektronisch und quasi-proportional.

-2.2

Druckschalter (Pressostate)

Messgröße ist der Druck des Kältemittels, der direkt über einen Wellrohr-Federbalg den Schalter betätigt. Anwendung außer für Sicherheitsgeräte zur Schaltung der Ventilatoren von luftgekühlten Verflüssigern, hierfür auch zwangsweise Folgeschaltung über Stufenschaltwerke.

-2.3

Verbundsteuerung

Sie dienen dazu, mehrere Verdichter oder Verflüssigungslüfter druck- oder temperaturgefühlt nach dem Neutral-Zonenprinzip zu schalten und damit die zur Verfügung gestellte Leistung an die tatsächlich (momentan) benötigte Leistung anzupassen.

-3

Regler im Kältemittelkreislauf

Hierunter versteht man stetig arbeitende Regelventile im Kältemittelkreislauf. Bei kleineren Leistungen vorwiegend unmittelbare Regler (vgl. Abschn. 3.3.7 s. S. 1439). Bei größeren Leistungen steuern diese als Pilotventil ein Hauptventil (Bild 5.4.7-8). Als Servokraft zur Betätigung des Steuerkolbens im Hauptventil dient der Druckabfall des 1)

Hartmann, K.: Ki 9/94. S. 421/424

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

2017 DVD

Kältemittels beim Durchgang durch den Ventilsitz. Seltener Ventile mit elektrischer oder pneumatischer Hilfsenergie und entsprechenden Reglern.

Bild 5.4.7-8. Wirkungsweise eines pilotgesteuerten Druckreglers.

-3.1

Verdampfungsdruckregler

Einbau in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter. Regelgröße ist der Kältemittel-Überdruck am Austritt des Verdampfers. Unterschreitet dieser den eingestellten Wert, so wird der Durchtrittsquerschnitt stetig gedrosselt. Dadurch sinkt der Saugdruck am Verdichter so weit, bis Verdichterleistung und Verdampferleistung wieder im Gleichgewicht sind. Anwendung vorwiegend zur Vermeidung von Eisbildung in Luft- und Wasserkühlern.

Bild 5.4.7-9. Verdampfungsdruckregler für Kälteanlagen Links: Schema; rechts: Anordnung

-3.2

Temperaturregler

Einbau in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter. Regelgröße ist die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Mediums (Luft, Wasser, Sole), die über einen Temperatursensor erfasst wird. Durch stetige Drosselung bei Unterschreiten der eingestellten Temperatur steigt die Verdampfungstemperatur im Verdampfer und sinkt der Saugdruck am Verdichter. Anwendung bei kleineren Leistungen (bei größeren Leistungen Einsatz leistungsgeregelter Verdichter wirtschaftlicher).

Bild 5.4.7-10. Temperaturregler für Kälteanlagen. Links: Schema; rechts: Regler EKC 361 (Danfoss).

DVD 2018

-3.3

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Startregler

Einbau in der Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter. Regelgröße ist der Kältemittel-Überdruck am Eintritt in den Verdichter. Überschreitet dieser den eingestellten Wert, so wird der Durchtrittsquerschnitt stetig gedrosselt. Hierdurch wird eine mögliche Überlastung des Verdichter-Antriebsmotors vermieden, die beim Herunterkühlen eines warmen Mediums nach längerer Stillstandszeit auftreten kann.

-3.4

Leistungsregler (Heißgasbeipassregler)

Einbau in einer Überströmleitung zwischen Druck- und Saugleitung des Verdichters. Regelgröße ist der Kältemittel-Überdruck am Eintritt in den Verdichter. Unterschreitet dieser den eingestellten Wert, so wird die Überströmleitung stetig geöffnet. Es fließt ein Teil des vom Verdichter geförderten Kältemittels direkt zum Verdichter zurück, ohne am Kälteprozess teilzunehmen. Die Verdampferleistung geht entsprechend zurück (vgl. Bild 5.7.1-2). Die Zufuhr heißen Druckgases in die Saugleitung lässt die Verdichtungstemperatur rasch ansteigen, deshalb Kühlung durch Einspritzen flüssigen Kältemittels in die Saugleitung über eigenes thermostatisches Expansionsventil erforderlich.

-3.5

Magnetventile

Magnetventile sind Absperrventile, die über elektrische Magnetspulen betätigt werden durch entsprechende elektrische Befehle. Nur bei sehr kleinen Nennweiten direkte Betätigung, üblicherweise Servosteuerung wie in Bild 5.4.7-8 schematisch gezeigt, mit einem kleinen Magnetventil als Pilotventil, häufig in gemeinsamem Gehäuse. Verwendung vorwiegend in Kältemittel-Flüssigkeitsleitungen, zur Kreislaufumkehr bei Wärmepumpen, aber auch z.B. als Heißgas-Beipass zur Anlaufentlastung. Achtung: Alle Magnetventile öffnen sich, wenn der Druck auf der Austrittsseite höher wird als der auf der Eintrittsseite! Wenn hierbei Dichtheit verlangt wird, müssen Motorventile eingesetzt werden.

-4

Kühlwasserregelung

Die Kühlung des Verflüssigers mit Wasser aus einem Stadt- oder Werkswassernetz ist bei hohen Wasserpreisen kostspielig. Daher ist eine möglichst große Wassererwärmung anzustreben, z.B. von tWE = 15 °C auf tWA = 30 °C. Um diesen Wert auch bei Teillast einzuhalten, ist ein Kühlwasser-Regelventil erforderlich (Bild 5.4.7-11 und Bild 5.4.7-12). Es wird vom Kältemittel-Verflüssigungsdruck verstellt: Öffnend bei steigendem Druck – schließend bei fallendem Druck. Bei Stillstand sperrt es die Wasserzufuhr. Bei Rückkühlung des Kühlwassers im Kreislauf werden Kühlwasserregler meist nicht verwendet. 1 = Handrad 2 = Oberteil 3 = Spindelführung 4 = Federführung 5 = O-Ring 6 = Führungsbuchse 7 = Membrane 8 = Ventilteller 9 = Druckschuh 10 = Wellrohrelement

Bild 5.4.7-11. Kühlwasserregler – Schnittbild.

Bild 5.4.7-12. Kühlwasserregler WVFM, WVFX und WVS (Danfoss).

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

-5

Sicherheitseinrichtungen

-5.1

Sicherheit gegen Überdruck

2019 DVD

Die mit der Druckgeräterichtlinie harmonisierte Norm DIN EN 378-2:2000 definiert Sicherheitseinrichtungen und deren Einsatz in Kälteanlagen und Wärmepumpen. Die Norm ist in Überarbeitung, Änderungen zu diesem Kapitel sind zu erwarten (2008 oder später). Schutzziel sind Personen, Sachen und Umwelt. Um die Umwelt so wenig als möglich zu belasten, ist eine Hierarchie des Druckabbaus einzuhalten: 1. Abschalten des Druckerzeugers durch eine Sicherheitsschalteinrichtung 2. Abbau des überhöhten Drucks durch ein Druckentlastungsventil zur Niederdruckseite 3. Abbau des überhöhten Drucks durch ein Sicherheitsventil durch Abblasen in die Atmosphäre 4. Sicherheitsventile sind Berstscheiben oder Schmelzpfropfen vorzuziehen, um totalen Verlust der Kältemittelfüllung zu vermeiden. -5.1.1 Sicherheitsschalteinrichtungen Sicherheitsschalteinrichtungen schalten den Druckerzeuger ab, um das Überschreiten einer Druckgrenze zu verhindern, sie sind baumustergeprüft und unterscheiden sich in 1. Druckwächter, sie öffnen den Stromkreis und schalten selbsttätig wieder ein, wenn der Druck um die eingestellte Druckdifferenz gesunken ist. 2. Druckbegrenzer, sie öffnen den Stromkreis und können nur von Hand zurückgestellt werden, damit soll eine Prüfung der Ursache erreicht werden. 3. Sicherheitsdruckbegrenzer, sie öffnen den Stromkreis und können nur von Hand mit einem Werkzeug zurückgestellt werden. Bläst eine Druckentlastungseinrichtung ab, darf an keinem Bauteil der maximal zulässige Druck um mehr als 10% überschritten werden. Kälteanlagen müssen durch mindestens eine Druckentlastungseinrichtung geschützt werden. Ausnahme: Kältesätze mit weniger als 1 kg Kältemittel der Gruppe L3 dürfen keine Druckentlastungseinrichtungen erhalten. (Kältemittelgruppen L1, L2, L3 siehe Abschn. 5.4.1 s. S. 1988). An Stelle der Druckentlastungseinrichtung können baumustergeprüfte Sicherheitsschalteinrichtungen verwendet werden, wenn 1. an keinem Bauteil der maximal zulässige Druck um mehr als 10% überschritten wird 2. flüssiges Kältemittel nicht abgesperrt werden kann und 3. Kältemittel der Gruppe L1 mit weniger als 100 kg enthalten sind und der Verdichter weniger als 90 m3/h fördert oder 4. ein baumustergeprüfter Druckbegrenzer und parallel ein elektrisch in Reihe geschalteter baumustergeprüfter Sicherheitsdruckbegrenzer zusammen mit der Druckentlastungseinrichtung des Verdichters eingesetzt wird Kann der Druckerzeuger mehr als den maximal zulässigen Druck erzeugen, ist zur Druckbegrenzung mindestens eine Sicherheitsschalteinrichtung vorzusehen. Ausnahmen gelten bei folgenden Voraussetzungen: Füllmengen der Kältemittelgruppe L1 weniger als 2,5 kg, der Gruppe L2 weniger als 1,5 kg (und der Gruppe L3 weniger als 1 kg) und 1. die Anlage eigensicher ist oder 2. der vom Verdichter erzeugte Druck weniger als 1/3 des Berstdruckes der Anlage erreicht 3. der Verdichter durch eine baumustergeprüfte Überlast-Einrichtung abgeschaltet wird, bevor der Druck 1/3 des Berstdruckes der Anlage erreicht 4. ein Teil der Anlage den Druck mit dem geringst möglichen Risiko entlastet Verdrängerverdichter (z.B. Kolben-, Schrauben-, Spiralverdichter) mit mehr als 90 m3/h Fördervolumen sind auf der Druckseite mit einer Druckentlastungseinrichtung nach prEN 12693:1996 zu schützen. Verdrängerpumpen müssen auf der Druckseite mit einer zur Niederdruckseite abblasenden Druckentlastungseinrichtung geschützt werden. Strö-

DVD 2020

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

mungsverdichter erfordern keine Druckentlastungseinrichtung, wenn der maximal zulässige Druck nicht überschritten werden kann. Verdichter mit einem Fördervolumen über 90 m3/h sind mit einer baumustergeprüften Sicherheitsschalteinrichtung zur Druckbegrenzung zu schützen. Für den Austreiber einer Absorptionsanlage ohne Druckentlastungseinrichtung sind vorzusehen – bei einer Heizleistung bis 5 kW eine baumustergeprüfte Temperaturbegrenzungseinrichtung oder ein baumustergeprüfter Druckwächter – bei einer Heizleistung über 5 kW ein baumustergeprüfter Sicherheitsdruckbegrenzer und ein parallel, in Reihe geschalteter baumustergeprüfter Druckwächter oder eine Temperaturbegrenzungseinrichtung der maximal zulässige Druck darf in keinem Bauteil überschritten werden. Anlagenteile, insbesondere Druckbehälter, die flüssiges Kältemittel enthalten und von den übrigen Teilen der Kälteanlage abgesperrt werden können, müssen gegen Bersten geschützt werden – Druckbehälter unter 0,1 m3 Bruttoinhalt mit mindestens einer Entlastungseinrichtung, die zur Niederdruckseite, in einen separaten Behälter oder in die Atmosphäre abbläst – Druckbehälter ab 0,1 m3 mit zwei an ein Wechselventil angeschlossenen Druckentlastungseinrichtungen, es kann auch eine einzige zur Niederdruckseite abblasende Druckentlastungseinrichtung verwendet werden, wenn das Ventil vom Gegendruck praktisch unabhängig ist, die Niederdruckseite mit einer Druckentlastungseinrichtung ausgerüstet ist und diese alle angeschlossenen Bauteile, die gleichzeitig dem erhöhten Druck ausgesetzt sind, schützen kann. – Anlagenteile, die vollständig mit Flüssigkeit gefüllt und von der übrigen Anlage abgesperrt werden können, sind gegen Bersten zu sichern. -5.1.2 Druckentlastungseinrichtungen Druckentlastungseinrichtungen bauen einen überhöhten Druck selbsttätig ab: 1. Sicherheitsventile sind Druckentlastungsventile, die so ausgelegt sind, dass ein überhöhter Druck selbsttätig abgebaut wird und die sich wieder schließen, wenn der Druck unter den zulässigen Druck gesunken ist. Das Ansprechen muss nachprüfbar sein, z.B. durch eine Ölvorlage mit Schauglas. Bei der Druckprüfung der Kälteanlage ist das Ventil zu entfernen. Die Ventile sind baumustergeprüft, die Einstellung ist durch Plombe gesichert, auf dem Ventilkörper oder der Plombe muss der Einstelldruck und die Nennabblaseleistung ablesbar sein. 2. Berstscheiben müssen auf der Hochdruckseite mit einem Druckentlastungsventil in Reihe geschaltet werden, um nicht direkt in die Atmosphäre abzublasen. Die Scheiben sind mit Nennberstdruck und Name des Herstellers zu kennzeichnen. Ein Druckmesswertgeber muss das Ansprechen der Berstscheibe überwachen. 3. Schmelzpfropfen enthalten ein Material, das bei einer festgelegten Temperatur schmilzt und zum Druckabbau öffnet. Soll damit ein Behälter geschützt werden, so muss er dem dreifachen Sättigungsdruck des Kältemittels bei der angegebenen Schmelztemperatur standhalten. Als einzige, zur Atmosphäre abblasende Druckentlastungseinrichtung dürfen Schmelzpfropfen nur in Anlagen mit weniger als 2,5 kg der Kältemittelgruppe L1 oder 1,5 kg der Gruppe L2 oder 1 kg der Gruppe L3 verwendet werden. Weitere Details s. DIN EN 378-1 und -2.

-5.2

Unterdruckschalter

Bauart wie Überdruckschalter, schaltet ab bei Unterschreiten des eingestellten Druckes. Der Unterdruckschalter schützt vor zu tiefem Absinken der Verdampfungstemperatur, z. B. infolge Kältemittelverlust oder versperrter Leitungen, und damit vor zu hoher Verdichtungsendtemperatur. Bei Motorverdichtern auch zum Schutz vor unzureichender Motorkühlung. Die Kombination von Unterdruckschalter und bauteilgeprüftem Druckwächter oder Druckbegrenzer in einem Gerät vereinfacht die Installation.

5.4.7 Mess-, Steuer- und Regelgeräte

-5.3

2021 DVD

Öldifferenzdruckschalter

Damit sind Verdichter ausgerüstet, deren Ölkreislauf nicht durch einfache Schleuderschmierung, sondern durch Ölpumpe aufrecht gehalten wird. Das eingebaute Balgsystem ist einerseits mit dem Verdichtergehäuse, andererseits mit der Druckseite der Ölpumpe verbunden. Bei Unterschreitung einer eingestellten Druckdifferenz schaltet dieses Gerät den Verdichter ab. Während des Anlaufvorganges wird es elektrisch für 15 bis 120 s überbrückt. Übermäßiges Lagerspiel, Pumpenschäden oder starker Kältemittelgehalt des Öls können die Ursache für Ausbleiben eines ausreichenden Öldifferenzdrucks sein.

-5.4

Überstromauslöser

Die Verdichterantriebsmotoren sind gegen Kurzschluss und Überstrom zu schützen, entweder durch kombinierte Motorschutzschalter oder durch thermische Überstromrelais und vorgeschaltete Sicherungen entsprechender Stärke. Das thermische Überstromrelais muss – besonders bei Motorverdichtern – so gebaut sein, dass es bei Ausfall einer Phase des Drehstromnetzes umgehend abschaltet.

-5.5

Wicklungsthermostate

Die Antriebsmotoren, besonders bei Motorverdichtern, werden häufig mit BimetallThermostaten in den Wicklungen ausgerüstet, die bei unzulässiger Erwärmung abschalten. Derartige Wicklungsthermostate sind meistens für normale Netzspannung (230 V) ausgelegt. Sie schützen wegen der Trägheit im Ansprechen nicht bei Ausfall einer Drehstromphase, so dass zusätzlich ein thermisches Überstromrelais verwendet werden muss.

-5.6

Motorvollschutz

Bei dieser modernsten Motorschutzart werden Temperaturfühler auf Halbleiterbasis – Thermistoren – in den Motorwicklungen angeordnet. Die Spannungen und Ströme im Messkreis dieser Thermistoren sind sehr klein und erfordern den Einsatz eines Verstärkerrelais. Achtung: Anlegen von Netzspannung an den Messkreis zerstört die Thermistoren und verursacht kostspielige Reparatur! Die meisten Thermistor-Motorvollschutzeinrichtungen reagieren so schnell, dass sie auch bei Ausfall einer Drehstromphase früh genug abschalten. Wenn vom Hersteller des Motors oder des Motorverdichters zugelassen, kann also auf ein thermisches Überstromrelais verzichtet werden.

-5.7

Druckrohrthermostat

Die Temperatur am Druckrohr oder am Zylinderkopf ist ein Maß für die Verdichtungsendtemperatur, die bei ölgeschmierten Verdichtern 115…150°C nicht überschreiten darf(s. Abschn. 5.4.3 s. S. 1999). Bei Anlagen, die betriebsmäßig bereits hohe Verdichtungsendtemperaturen erreichen, empfiehlt sich deshalb die Überwachung und Abschaltung durch einen Thermostaten am Druckrohr, nahe am Verdichter, oder am Zylinderkopf, um Schäden durch Zersetzung des Öls zu vermeiden.

-5.8

Frostschutzthermostat

Viele Verdampfer zur Kaltwasserkühlung sind mit einem Thermostaten ausgerüstet, der auf einen Wert von etwa +1 °C eingestellt und mittels Tauchrohr so eingebaut ist, dass er bei einer Eisbildung rechtzeitig auslöst. Allerdings sichert er meist nicht gegen Ausbleiben des Kaltwasserstroms. Ein Strömungswächter ist zusätzlich vorzusehen.

-5.9

Strömungswächter

Ein Strömungswächter schaltet ab, wenn die Durchflußgeschwindigkeit in der Rohrleitung einen eingestellten Wert unterschreitet. Häufigste Ausführung mit einem in die Strömung hineinragenden Paddel, das direkt einen Schalter betätigt. Strömungswächter reagieren auf Luftblasen im Flüssigkeitsstrom mit Flatterschaltungen, die zu Schäden an Motor, Verdichter und Schaltgeräten führen können. Sie sollten deshalb stets mit einem Zeitrelais gekoppelt werden, so dass Abschaltung erst erfolgt nach einer Strömungsunterbrechung von einigen Sekunden Dauer.

DVD 2022

-6

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Kondensat-Abführung

Das in Klimageräten, Luftentfeuchtern usw. anfallende Kondensat oder Abtauwasserwird meist über Rohrleitungen mit natürlichem Gefälle abgeführt. Wo dies nicht möglich ist, können automatisch zuschaltende Pumpen eingesetzt werden, die selbstansaugend sind und bei verstopftem Abflußrohr Alarm geben. Förderhöhe bis 9 m. Hersteller: EDC1).

5.4.8 -1

Wasserrückkühlung Allgemeines

Kühlwasser zur Wärmeabfuhr aus Verflüssigern ist bei großen Kälteanlagen und bei Absorptionskälteanlagen unerlässlich. Bei kleineren Anlagen (unter 4 bis 600 kW) ist Kühlung mit Wasser energetisch zwar vorteilhaft, zunehmend wird die Direktkühlung mit Luft vorgezogen. Kühlung mit Leitungs(Trink-)wasser ist wegen der hohen Wasserkosten und der in der Regel entgegenstehenden wasserrechtlichen Vorschriften auszuschließen. Nach dem Prinzip der Verdunstungskühlung kann Wasser bis nahe zur Kühlgrenztemperatur der Umgebungsluft abgekühlt werden. Das aus dem Verflüssiger kommende warme Wasser wird im Rückkühler über Füllkörper verteilt. Ein geringer Teil des Wassers verdunstet in die vorbeistreichende Umgebungsluft und entzieht dem Wasserstrom Wärme, Bild 5.4.8-1.

Bild 5.4.8-1. Schema eines Wasserrückkühlers in Kälteanlagen.

Bild 5.4.8-2. Luftzustandsänderung im Wasserrückkühler, dargestellt im h,x-Diagramm.

Die Partialdruckdifferenz zwischen dem warmen Wasser und dem Wasserdampf der Luft ist die treibende Kraft des Prozesses. Die theoretisch erreichbare Temperatur des Wassers ist die Kühlgrenztemperatur tf der Luft. Die Trockentemperatur der Luft kann höher oder tiefer als das abzukühlende Wasser sein, sie nähert sich der Wassertemperatur und erreicht theoretisch mit dem Wasser die Kühlgrenztemperatur. Die Temperaturspreizung tW1–tW2 des Wassers wird als Kühlzonenbreite (im allgemeinen 5 bis 7 K, bei

1)

CCI 2/89. S. 28.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2023 DVD

Naturzugkühltürmen bis 15 K), die Temperaturdifferenz Kaltwasser tW2 zu Kühlgrenztemperatur tf als Kühlgrenzabstand (3 bis 5 K) bezeichnet. Das Wasser wird über Füllkörper versprüht und fließt als dünner Film nach unten, die Luft im Gegen- oder Querstrom nimmt das verdunstete Wasser auf. Die Abkühlung geschieht in einem gekoppelten Wärme- und Stoffaustausch. An jedem Punkt des Luftstromes kann die Partialdruckdifferenz zur jeweiligen Wasserfläche gezeichnet werden. Im h,x-Diagramm, Bild 5.4.8-2, werden die zugehörigen Temperaturen dargestellt. Der Zustand des Wassers auf der Sättigungslinie verläuft von tW1 nach tW2, dies entspricht einer gerade gesättigten Luft an der Phasengrenze des Wassers. Der Zustand der Luft, beginnend beim Umgebungszustand tL1 mit tf, verläuft in Schritten nach tL2. Der Zustand tL2 der Luft kann auf der Sättigungslinie liegen, entscheidend ist ein weiter bestehendes Partialdruckgefälle von der Wasseroberfläche zur Luft. Die Wasserabkühlung entspricht der Enthalpiezunahme der Luft von h1 nach h2: · · W c (tW1 – tW2) = L · (h2 – h1) · W = Wassermenge kg/s · L = Luftmenge kg/s tW1, tW2 = Wasserein- und Austrittstemperatur °C h1, h2 = Wärmeinhalt der eintretenden Luft kJ/kg tr. Luft Die Berechnung der erforderlichen Kontaktfläche erfolgt nach der Merkel’schen Hauptgleichung der Kühlturmtechnik, hergeleitet aus Wärme- und Stoffbilanzen, mit vereinfachenden Annahmen gilt für den Gegenstrom1)2):

A

∫ 0

βdA ----------- = w

ϑ W2

∫

ϑ W1

c W dt W ---------------h L″ – h L

Das rechte Integral definiert den Schwierigkeitsgrad, Wasser bei den gegebenen Umgebungsbedingungen auf die gewünschte Temperatur abzukühlen, ausgedrückt als Zahl der Übertragungseinheiten, bei Kühltürmen Merkel-Zahl Me genannt. Sie hängt vom Zustand der Umgebungsluft, der Luft- und Wassermenge, der geforderten Kühlzonenbreite und dem Kühlgrenzabstand ab. Bei unendlich großer Luftmenge strebt das Integral einem endlichen Grenzwert zu, während es bei einer minimalen Luftmenge gegen unendlich tendiert, hier wäre die austretende Luft mit dem eintretenden Wasser im Gleichgewicht. In Bild 5.4.8-3 sind für die Kühlgrenztemperatur 21 °C, einer Kühlzonenbreite 6 K und einigen Wasseraustrittstemperaturen tW2 die erforderlichen MerkelZahlen dargestellt. Die gestrichelt Linie gilt für eine Kühlgrenztemperatur 18 °C und Wasseraustrittstemperatur 26 °C. Das System reagiert sehr empfindlich auf veränderte Bedingungen.

1) 2)

F. Bosnjakovic, Technische Thermodynamik II. Teil. VDI Wärmeatlas, Kapitel Mi: Berechnung von Rückkühlwerken

DVD 2024

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.8-3. Erforderliche Übertragungseinheiten Me als Funktion der Luftzahl λ.

Thermodynamisch ist das Integral nicht korrekt, weil als treibende Kraft eine Enthalpiedifferenz verwendet wird: hL" ist die Enthalpie der gesättigten Luft unmittelbar über der lokalen Wasseroberfläche, hL die Enthalpie der vorbeiströmenden Luft. Enthalpie ist eine zusammengesetzte Größe und keine Potentialgröße und deshalb keine treibende Kraft. Dennoch ist eine wichtige Erkenntnis aus dieser Enthalpiedifferenz abzuleiten: durch rezirkulierte feuchte Luft wird hL größer und damit die Größe des Integrals. Als Folge ist entweder die Austauschfläche zu vergrößern oder die Wasserabkühlung wird geringer. Das linke Integral der Gleichung stellt die in einem bestimmten Kühlturm erreichbare Zahl der Übertragungseinheiten dar. Sie wird Kühlturmcharakteristik KV genannt. Mit dem Stoffübergangskoeffizienten β geht die Reynolds-Zahl Re der Luftströmung und die Schmidt-Zahl Sc (Sc = v/D, D = Diffusionskoeffizient) ein. β ~ ReaScb Für den Hersteller eines Füllkörpers ist es einfacher, das gesamte Integral als abhängige Variable zu betrachten. Es gilt A

βdA

- =K ∫ ---------w 0

0

L˙-⎞ ⎛ ---" = K0λ" ⎝ W˙ ⎠

Das Verhältnis der trockenen Luft zur Wassermenge ist als die Luftzahl λ definiert L˙ λ = ----W˙ Der Stoffübergang steigt mit der Strömungsgeschwindigkeit der Luft, üblich sind 2,0 bis 3,5 m/s. Die Grenzgeschwindigkeit ist beim Rückstau des Wassers erreicht (3,8...5 m/s). Praktische Werte der Wassermenge, bezogen auf den freien Querschnitt, sind zwischen 4und 25 m3/m2h, meist 10...20 m3/m2h. K0 ist abhängig von der Höhe H der eingebauten Füllkörper, von der Luft- und Wassermenge mit unterschiedlichen Exponenten. Der Exponent der Luftzahl λ ist für diagonal gewellte Füllkörper n ≈ 0,67. Am Schnittpunkt der Me- und KV-Kurven ist der aktuelle Betriebspunkt eines Füllkörpers. Die Angaben der Füllkörperhersteller beziehen sich auf ideale Betriebsbedingungen mit gleichmäßiger Berieselung, gleichmäßiger Luftverteilung und vollständiger Benetzung der Flächen. Im ausgeführten Kühlturm mindern zahlreiche Einflussgrößen die Gesamtleistung (Ungleichverteilung von Luft und Wasser, schlechte Benetzung neuer Kunststoffeinbauten, Randgängigkeit, erhöhter Druckverlust der Luftströmung, Rückströmung der Abluft). In Bild 5.4.8-4 ist für einen Kühlgrenzabstand von 5 K der Verlauf der Merkel-Zahl gezeichnet, ebenso die Charakteristik eines Füllkörpers. Am Schnittpunkt ergibt sich die erforderliche Luftzahl des unter idealen Bedingungen arbeitenden Füllkörpers. Die Leistungsangaben von Kühlturmherstellern beziehen sich auf diese Schnittpunkte.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2025 DVD

Bild 5.4.8-4. Erforderliche Luftzahl λ aus Zahl der erforderlichen Übertragungseinheiten Me und Kühlturmcharakteristik Kv.

Die Abnahmemessung einer Kühlturmanlage muss häufig bei Umgebungsbedingungen erfolgen, welche von den ursprünglich definierten Werten abweichen. Die Abnahmekann nach der Norm DIN EN 13741:2003 erfolgen. Der Hersteller muss dazu die Kaltwassertemperatur in einem Kennfeld von Variablen angeben: tW2 = f(tF, tW1-tW2, W, PVentilatormotor). tW1, tW2 = Warmwasserein- und austrittstemperatur tF = Kühlgrenztemperatur der Umgebungsluft PVentilatormotor = Ventilatorantriebsleistungen. Bei allen Abnahmen wird die sehr schwierige Messung der Luftmenge vermieden. Leider fehlt damit die maßgebende Größe zur Bestimmung der Merkel-Zahl, der Füllkörperund der Kühlturmcharakteristik. Nachträgliche Änderungen der Ausstattung eines Kühlturms kann die Luftmenge und andere Parameter verändern und die Leistung erheblich beeinflussen. Wird beispielsweise die Füllkörperpackung erhöht, um eine niedrigere Wasseraustrittstemperatur zu erreichen, nimmt die Luftmenge durch den zusätzlichen Druckverlust ab. Dadurch vergrößert sich die erforderliche Merkel-Zahl und verkleinert sich die erreichbare Kühlturmcharakteristik, die Leistung geht zurück. Ähnlich wirkt sich der Einbau von Schalldämpfkulissen aus, der zusätzliche Druckabfall verändert die Betriebsbedingungen, der Ventilator ist dann den neuen Gegebenheiten anzupassen. Der Betrieb eines Rückkühlwerkes erfordert Aufstellung im Freien (Kaltwasserkreislauf im Winter sichern!) oder bei Aufstellung im Gebäude große Luftkanäle, Rezirkulation der feuchten Abluft zur Zuluft des Rückkühlwerkes unbedingt verhindern!

-2

Ausführung offener Rückkühlwerke1)

Zwangsbelüftete Kühltürme, besser Rückkühlwerk genannt, werden nach der Art der Luftführung unterschieden: Gegenstrom-, Querstrom- und Quer-Gegenstrom-Luftführung, jeweils mit saugend oder drückend angeordneten Ventilatoren. Die notwendige, möglichst große Austauschfläche wird durch Einbauten erzielt, über die das Wasser in dünnem Film rieselt und tropft. Diese werden vorwiegend aus Kunststoff hergestellt. Rinnen, Düsen oder gelochte Schalen verteilen das abzukühlende Wasser über die Einbauten. Häufig sind Tropfenabscheider eingebaut, um die Spritzverluste klein zu halten. Bei großen Leistungen werden meist Axialventilatoren verwendet, bei kleinen Leistungen Radialventilatoren, namentlich bei Aufstellung innerhalb von Gebäuden.

1)

Berliner, P.: Kälte- u. Klimatechn. 5/77. 7 S. Dirkse, R. J. A.: Kälte- u. Klimatechn. 8/79. 4 S.

DVD 2026

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Bild 5.4.8-5. Rechteckiger Kühlturm mit Axialventilator (Axima Refrigeration).

Für Kühltürme nach Bild 5.4.8-5 – Gegenstromluftführung mit saugendem Axialventilator – gelten etwa folgende Werte: – Luftgeschwindigkeit, bezogen auf den freien Querschnitt: 2…3,4 m/s – Regendichte, Wasserdurchsatz pro m2 beregnete Grundfläche: 4…25 t/m2h – Luftvolumenstrom ca. 130…170 m3/h je 1 kW Verflüssigerleistung. – Elektrische Antriebsenergie bei Axialventilatoren: 6…10 W je kW Verflüssigerleistung, – bei Radialventilatoren: 10…20 W je kW Verflüssigerleistung. Da die höchste Feuchtkugeltemperatur von 18…21 °C nur an wenigen Tagen im Jahr auftritt, ist es zur Energieersparnis zweckmäßig, die Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit von der Feuchtkugeltemperatur oder der Wasseraustrittstemperatur zu regeln (stufenlos oder polumschaltbar). Dabei erheblich geringerer Energieverbrauch. Besonders niedrige Bauhöhen, aus architektonischen Gründen oft bevorzugt, ergeben sich bei Querstrombelüftung. Für den Einbau in Gebäude eignen sich besonders die Kühlwerke in Stahlkonstruktion mit Flanschen für Kanalanschluss gemäß dem Bild 5.4.8-6.

Bild 5.4.8-6. Kühlturm mit Schalldämpfern (GOHL).

Bild 5.4.8-7. Schema einer Installation mit Ejektor-Kühlturm und Bypass-Regelventil.

Eine Sonderbauart ohne Ventilator ist der Ejektor-Kühlturm, bei dem die Luft infolge der Induktionswirkung der Sprühdüsen durch das Gehäuse gefördert wird1). Wegen der intensiven Mischung von Luft und Wasser sind auch keine Füllkörper erforderlich, jedoch höherer Düsenvordruck (1…4 bar). Je höher der Druck, desto größer Luftdurchsatz und Kühlleistung (Bild 5.4.8-7). Aufstellung nur im Freien möglich. 1)

Träger, W.: Ki 5/77. S. 187/90.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2027 DVD

Schaltungsbeispiele von Kühltürmen zeigen die Bild 5.4.8-8 und Bild 5.4.8-9.

Bild 5.4.8-8. Empfehlenswerte Kühlturmaufstellung bei Winterbetrieb – Sammelbecken läuft beim Abschalten leer (Gohl).

Bild 5.4.8-9. Temperaturregelung des Kühlwassers mit Einschaltung eines Zwischenbehälters. KW RV ZW WW ÜV

-3

= Kaltwasserbecken = Regulierventil = Zusatzwasser = Warmwasserbecken = Überströmventil

Betrieb offener Rückkühlwerke

Die Größe eines Rückkühlwerkes wird wesentlich durch den Abkühlungsgrad, insbesondere die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasseraustritts- und Feuchtkugeltemperatur bestimmt; je kleiner diese, desto größer der Kühlturm. Übliche Auslegungswerte für die Wasserrückkühlung in Kälteanlagen sind: Abkühlung von tW1 auf tW2 um ca. 5 K, in Kraftwerken bis über 12 K (Kühlzonenbreite ΔtW = 5 K) und Kühlgrenzabstand (tW – tf) = 5…6 K; so z.B. bei Komfortklimaanlagen Kühlung des Wassers von 32 auf 27 °C bei tf = 21 °C, entsprechend 32 °C, 40%2 rel. Feuchte. Diese Temperatur wird an wenigen Tagen – und dort nur für Stunden – erreicht und überschritten (s. hierzu Abschn. 1.1.3 s. S. 80). Für

DVD 2028

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen müssen statistische Mittelwerte1) herangezogen werden. · Stündlicher maximaler Frischwasserzusatz W F pro kW Kälteleistung · zur Ergänzung des verdunsteten Wassers: W· o etwa 2 kg/h zur Ergänzung der Spritzverluste: W· S etwa 1 kg/h zur Verhinderung von Salzanreicherung: W A etwa 3 kg/h · zusammen: W F etwa 6 kg/h Der letzte Betrag berücksichtigt den Salzanreicherungseffekt, der auftritt, wenn normales, salzhaltiges Wasser ständig eingespeist wird, um das verdunstende reine Wasser zu ersetzen2). Bei Salzanreicherung und Verdickung des Wassers entstehen Ablagerungen (Kesselstein) in Rohren und Wärmeaustauschern, die die Leistung beeinträchtigen, so dass von Zeit zu Zeit eine Absalzung erfolgen muss. Außerdem müssen zur Verhinderung von Korrosionsschäden durch das sauerstoffreiche Umlaufwasser geeignete Maßnahmen ergriffen werden, wie korrosionsfeste Werkstoffe, Zusatz von Inhibitoren u.a. · Genauere Errechnung der notwendigen Frischwasser-Zusatzmenge W F: · W o ergibt sich aus der Darstellung der Luftzustandsänderung im h, x-Diagramm zu · · W = L · (x2 – x1) in kg/s. · o W S ist konstruktionsbedingt und vom Hersteller anzugeben, ggfs. abhängig von Windrichtung und Windgeschwindigkeit. · · W A ist abhängig von W o und dem Eindickverhältnis E = dz/d: ˙ Wo · - in kg/s, wobei W A = ----------E–1 dz: die zulässige Härte des Umlaufwassers in °dH d: die Härte des Frischwassers (1° d = 0,18 mol/m3) Die Frischwassermenge ist also abhängig · von der Wasserhärte und der jahreszeitlich sehr veränderlichen Verdunstungsmenge W o. Beispiel: Kälteanlage mit einer Leistung von 175 kW bei Nenntemperaturen gibt im Verflüssi· ger Q = 1,26 · 175 = 220 kW an das Kühlwasser ab (s. Abschn. 5.4.3-1 s. S. 1999). Mit durchlaufendem Frischwasser von tWE = 15° und tWA = 30° ist der Wasserverbrauch · 220 W = ------------------ = 3,49 kg/s = 12570 kg/h, jedoch bei Kühlturmbetrieb nur noch 4 ,2 ⋅ 15 · W F = 175 · 6 = 1050 kg/h, also nur noch ca. 8,5%. Üblich ist bei den Rückkühlwerken von Klimaanlagen die Behandlung des Zusatzwassers in automatischen Einrichtungen (s. Bild 5.4.8-10). Durch Zusatz von Chemikalien (Polyphosphate, Chromate, Biocide u.a.) wird die Lösungsfähigkeit des Wassers für Salze erhöht, die Korrosion, Algen- und Bakterienbildung verringert und gleichzeitig der pHWert reguliert. Die Absalzmenge kann proportional zu dem durch Wasserzähler gemessenen Zusatzwasser mittels Magnetventil abgelassen werden. Besser ist jedoch eine Absalzungsautomatik mit Leitfähigkeitsmesser und Absalzventil nach Bild 5.4.8-10 rechts. Eindickung des Umlaufwassers auf 20…25°dH (3,4…4,3 mol/m3). Empfohlene Grenzwerte für die Beschaffenheit des Umlaufwassers in VDI 3803:1986-11.

1) 2)

z.B. DIN 4710. Scharmann, R.: HR 7/75 u. 8/75. 4 S. Kruse, C.-L., u. D. Kuron: Ki 4/79. S. 181/6. Eurich, G.: TAB 12/79. S. 1009/13. Nowack, J.-F.: TAB 1/82. S. 29/31.

5.4.8 Wasserrückkühlung

2029 DVD

Bild 5.4.8-10. Kühlwasseraufbereitung durch Dosiergeräte.

Bei Freiluftaufstellung von Rückkühlwerken in Wohngegenden muss Geräuschbildung der Ventilatoren beachtet werden. Geräuschpegel L in 1 m Abstand – je nach Antriebsleistung P (kW) – etwa bei Radialventilatoren L = 73 +10 lgP in dB(A) bei Axialventilatoren L = 80 +10 lgP in dB(A) Durch Vor- und Nachschalten von Schalldämpfern, Bild 5.4.8-6, kann die Geräuschbelästigung der Umgebung verringert werden. Zulässige Werte s. Abschn. 3.3.6-3 s. S. 1404. Besonders zu beachten ist die Einfriergefahr des im Freien stehenden Rückkühlwerkes im Winter. Die elektrische Beheizung des Wassersammelbeckens und der Wasserleitungen ist nur in Ausnahmefällen zweckmäßig. Am sichersten ist die selbständige Entleerung des Rückkühlwerkes im Stillstand in einen Zwischenbehälter hinein, der gemäß Bild 5.4.8-8 in einem frostsicheren Raum aufgestellt ist. Allerdings geht dabei eventuell ein größerer Anteil an geodätischer Zulaufhöhe verloren, so dass die Kühlwasserumwälzpumpe für eine vergleichsweise größere Förderhöhe ausgewählt werden muss. Zur Vermeidung zu geringer Wassertemperatur Regelung durch Bypassventil in Abhängigkeit von der Wassertemperatur. Besondere Beachtung ist auch der Vermeidung von Rezirkulationen zu schenken, d.h. der Wiederansaugung erwärmter, feuchter Abluft, da hierdurch die verlangte Kaltwassertemperatur eventuell nicht erreicht wird. In dieser Hinsicht ist Ausblas nach oben am günstigsten, eventuell mit zusätzlicher Ablufthaube. Ferner ist dafür zu sorgen, dass die Abluft nicht von Lüftungsanlagen angesaugt wird, da Infektionsgefahr durch Legionellen bestehen kann (s. Abschn. 1.1.1-2.3 s. S. 68)1).

-4

Geschlossene Rückkühlwerke2)

An die Stelle der Füllkörpereinbauten bei den offenen Rückkühlwerken Bild 5.4.8-11a), treten hier Wärmeaustauschersysteme aus berippten oder unberippten, korrosionsgeschützten Rohren. Das rückzukühlende Wasser fließt in den Rohren, das über das Rohrsystem rieselnde Sprühwasser zirkuliert in einem eigenen Kreislauf. Verschiedene Anordnung der Ventilatoren wie bei offener Bauart, Bild 5.4.8-11b). Vorteil ist, dass das Kühlwasser im geschlossenen Kreislauf zirkuliert und nicht mit der Kühlluft in Berührung kommt. Es wird also nicht verschmutzt und wird nicht durch Luftsauerstoff- und Salzanreicherung aggressiv. Nachteil sind die bei gleichem Kühlgrenzabstand wesentlich höheren Investitionskosten gegenüber einem offenen Rückkühlwerk. Diese sind nicht nur bedingt durch den größe1) 2)

Ki-Forum 1/89. S. 33ff. Klenke, W.: KK 10/70. S. 322/30.

DVD 2030

5. Kältetechnik / 5.4 Bauelemente für Kälteanlagen

ren technischen Aufwand, sondern auch durch die in jeder Hinsicht größere Dimensionierung, da ein Teil der verfügbaren Temperaturdifferenz für den Wärmedurchgang am Wärmeaustauscher benötigt wird. Ein betriebstechnischer Vorteil ist, dass bei Teillast und niedrigerer Außenlufttemperatur der Sprühwasserkreislauf stillgelegt werden kann, wenn die trockene Kühlung allein ausreichend ist1). Als Mittellösung kann zwischen offenen Kühlturmkreislauf und geschlossenen Verflüssigerkreislauf ein (Platten-)Wärmeaustauscher gesetzt werden, Bild 5.4.8-11c). Vorteil ist geschlossener Kreislauf am Verflüssiger, billiger als geschlossener Verdunstungskühlturm. Nachteil ist ein zweiter Pumpenkreislauf und Temperaturdifferenz im Wärmetauscher (2…4 K). Der Verflüssiger kann als besprühtes Rohrbündel in den Kühlturm eingebaut werden. Große Kältemittelfüllmenge, teure Rohrleitungen, Bild 5.4.8-11d).

Bild 5.4.8-11. a) Verflüssiger mit offenem Kühlwasserkreislauf, b) mit geschlossenem Kühlwasserkreislauf, c) ein Plattenwärmeübertrager trennt die Wasserkreisläufe, d) das Verflüssigerrohr im Kühlturm integriert.

1)

NN.: Chemie-Technik 1/89. S. 47/49.

5.5.1 Allgemeines

2031 DVD

5.5

Ausführung von Kälteanlagen

5.5.1

Allgemeines

Nach der Art des Wärmeentzuges unterscheidet man zwischen zwei Verfahren: Direkte Kühlung – Der Kältemittelverdampfer liegt direkt im abzukühlenden Stoffstrom, in der Klimatechnik also im Luftstrom. Die Kälteanlage ist eine Luftkühlanlage. Indirekte Kühlung – Im Kältemittelverdampfer wird eine als Kälteträger geeignete Flüssigkeit, Wasser oder Sole (vgl. Abschn. 5.3.4 s. S. 1985) abgekühlt. Der zirkulierende Kälteträger dient über weitere Wärmeaustauscher zur Abkühlung der eigentlich abzukühlenden Stoffströme. Die Kälteanlage ist eine Wasser- (oder Sole-)Kühlanlage. Für eine funktionsfähige Kälteanlage müssen alle erforderlichen Bauelemente durch Rohrleitungen miteinander verbunden werden, in denen das Kältemittel zirkulieren kann (Bild 5.5.1-1). Die richtige Auslegung der Bauelemente für eine gestellte Aufgabe, die Planung und die Erstellung einer Kälteanlage erfordern kältetechnische Spezialkenntnisse, sind also stets Aufgabe eines Unternehmens der Kältetechnik. Um den Aufwand zu verringern, wurde seitens der Kältetechnik schon weitgehend standardisiert und auch die Erstellung des Kältekreislaufes weitgehend in das Herstellerwerk übernommen.

Bild 5.5.1-1. Kompressionskälteanlage mit Verdampfer zur direkten Luftkühlung.

Je nach Grad der Vorfertigung unterscheidet man Kältesätze: In Standard-Baugrößen im Herstellerwerk vollständig zusammengebaute Kältesysteme, betriebsfertig mit Kältemittel gefüllt. Auswahl durch Klimatechniker nach Leistungs-Diagrammen oder -Tabellen des Herstellers. Installation erfordert keine kältetechnischen Kenntnisse. Lediglich zur ersten Inbetriebnahme ist Hinzuziehung eines Kältetechnikers der Lieferfirma zu empfehlen. Kälteanlagen: Planung nach gestellter Aufgabe. Montage der einzeln angelieferten Bauteile und des Rohrleitungssystems auf der Baustelle. Ausführung nur durch Spezialfirmen der Kältetechnik. Zwischen diesen beiden Extremen liegen Ausführungen mit nur teilweiser Vorfertigung. So werden z.B. Hubkolbenverdichter für den Kälteanlagenbau überwiegend mit dem Verflüssiger nebst Trockner, gegebenenfalls Sammler, sowie meistens mit Sicherheitsund Schaltgeräten zusammengebaut. Diese vorgefertigte Einheit wird als Verflüssigungssatz bezeichnet. Ebenso werden Verdampfer und Verdichter als vorgefertigter Verdampfer-Verdichter-Satz geliefert. Bei Systemen mit nur teilweiser Vorfertigung ist zu unterscheiden zwischen Standardisierten Systemen, bei denen vom Hersteller für bestimmte Kombinationen Leistungsdaten angegeben werden. Diese Teile können ohne kältetechnische Leistungsberechnung installiert werden. Lediglich die Kältemittel-Rohrleitungen müssen nach Angabe des Lieferers und Stand der Technik von einem Kältemonteur verlegt werden. Es

DVD 2032

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

handelt sich hier praktisch um Kältesätze, die in zwei Teilen angeliefert werden, wofür die amerikanische Bezeichnung Split-System auch bei uns benutzt wird. Nicht standardisierte Systeme: Hierbei ist z.B. für einen oder mehrere Verdampfer ein passender Verflüssigungssatz, oder für einen Verdichter-Verdampfer-Satz ein passender Verflüssiger zu wählen. Dies ist wieder eine speziell kältetechnische Aufgabe, es handelt sich hier praktisch um eine Kälteanlage, bei der die Vorteile vorgefertigter Einheiten genutzt werden. Alle Bauelemente eines Kältekreislaufes sind auf das jeweils eingesetzte Kältemittel abgestimmt. Dies betrifft nicht nur die betriebsbedingt auftretenden Drücke, sondern auch das chemische Verhalten. Insbesondere Dichtungsmaterialien (Elastomere) und das Schmieröl können sich bei Umstellung auf ein anderes Kältemittel als völlig ungeeignet erweisen. Bei Verwendung von Ammoniak als Kältemittel müssen alle mit Ammoniak in Berührung kommenden Teile frei sein von Kupfer, Zink und allen daraus bestehenden Legierungen wie Messing, Bronze etc.1)

5.5.2 -1

Direkte Kühlung – Luftkühlanlagen Allgemeines

Die direkte Kühlung, bei der die Luft direkt im Verdampfer gekühlt wird, ist grundsätzlich wirtschaftlicher als die indirekte Kühlung, da bei indirekter Kühlung zusätzlich Energie benötigt wird für die Zirkulationspumpe des Kälteträgers, und da außerdem infolge der zusätzlich erforderlichen Temperaturdifferenz (Kältemittel an Kälteträger und Kälteträger an Luft) die Verdampfungstemperatur niedriger liegen muss, mit entsprechend geringerer Leistungszahl. Die Kühlflächentemperatur zur Entfeuchtung kann niedriger sein als es mit Kaltwasser-Zwischenkreislauf möglich ist. Dass trotzdem in großer Zahl Anlagen mit indirekter Kühlung erstellt werden, liegt an folgenden Problemen der Luftkühlanlagen mit direkter Verdampfung: 1. Die klimatechnische Regelung muss direkt in den Kältekreislauf eingreifen. Zur einwandfreien Koordinierung muss also entweder der Klimatechniker ausreichende kältetechnische Kenntnisse haben, oder der Kältetechniker muss die Regelungstechnik der Klimaanlage beherrschen. Da die wirtschaftlichen Regelungsmöglichkeiten der Kältemaschinen begrenzt sind, ist sorgfältige Planung und Koordinierung erforderlich (vgl. Abschn. 5.7.1 s. S. 2085), insbesondere, wenn für Entfeuchtungsaufgaben eine bestimmte Kühlflächentemperatur erforderlich ist. 2. Weitverzweigte Kälteleitungssysteme und/oder große Leitungslängen, insbesondere bei größeren Niveauunterschieden, können zu betriebstechnischen Schwierigkeiten führen. Derartige Anlagen sind deshalb nur üblich in Produktionsbetrieben, die über entsprechendes Fachpersonal verfügen. 3. Undichtigkeiten an Kältemittelleitungen sind sehr viel schwerer zu finden und zu beseitigen als an Wasser- oder Soleleitungen. Kältemittelverluste sind sehr viel teurer als Verluste an Wasser oder Sole, und führen außerdem sehr rasch zu Störungen an der Kälteanlage. 4. Das zulässige Füllgewicht der Kälteanlage ist bei direkter Kühlung nach DIN EN 378-1 begrenzt durch die Größe der gekühlten Räume und dem von der Art des Kältemittels abhängigen Praktischen Grenzwert PL (vgl. Abschn. 5.8.3 s. S. 2096). Kältemittel der Gruppe L2 (z.B. Ammoniak) und L3 dürfen nicht verwendet werden. Die direkte Kühlung wird deshalb vorwiegend für kleinere Leistungen und/oder bei nur einer (oder wenigen) Kühlstellen eingesetzt. Zur Verwendung kommen Verdrängungsverdichter, das Prinzip der trockenen Verdampfung und die Kältemittel R 134a und R 407.

1)

Blumhardt, R.: Ki 7–8/90. S. 306–308.

5.5.2 Direkte Kühlung – Luftkühlanlagen

-2

2033 DVD

Kältesätze für Luftkühlung

Werksseitig mit allem erforderlichen Zubehör betriebsfertig montierte Kältesysteme finden sich in den Fenster-, Raum- und Schrank-Klimageräten (eingehäusige Geräte) mit eingebautem Verdichter (Kompressor), Verflüssiger (Kondensator) und Verdampfer, vgl. Abschn. 3.4.2-2 s. S. 1591 und 3.4.2-1 s. S. 1587. Bei eingebautem luftgekühlten Verflüssiger sind Verbindungen ins Freie (Mauerdurchbrüche) für Luft-Ein- und -Austritt erforderlich. Beim Split-System (mehrgehäusige Geräte) besteht die werksseitige Lieferung aus zwei Teilen, entweder Klimateil und luftgekühlter Verflüssigungssatz für Aufstellung im Freien oder Klimateil mit Verdichter und davon getrenntem luftgekühlten Verflüssiger zur Aufstellung im Freien (Bild 5.5.2-1 und Bild 5.5.2-2).

Bild 5.5.2-1. Kühlung von Räumen nach dem Splitsystem.

Aufstellung und Leitungsverlegung nach Vorschriften des Herstellers, häufig werden Kältemittelleitungen mitgeliefert, teilweise schon mit Kältemittel gefüllt und mit Schnellkupplungen an beiden Enden für problemlose Installation durch Nicht-Kältetechniker. Kältemittelentspannung häufig durch Kapillare, bei größeren Leistungen thermostatische Expansionsventile. Leistungsangaben für ein- und mehrgehäusige Geräte sind bezogen auf Bedingungen des klimatisierten Raumes und Außenluft- bzw. Kühlwassertemperatur. Prüfbedingungen DIN 8957-1 bis DIN 8957-4. Zugehörige Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen werden meistens nicht angegeben. Damit ist eine kältetechnische Nachrechnung nicht möglich, bei diesen Geräten aber auch nicht erforderlich (Herstellerverantwortung).

Bild 5.5.2-2. Verflüssigungssatz mit luftgekühltem Verflüssiger. Verdichter, Expansionseinheit sowie Schaltbox sind kompakt vom luftdurchfluteten Verflüssigerpaket getrennt.

Verwendete Verdichter fast ausschließlich hermetische Bauart (Kapselverdichter), Hubkolben, Rollkolben und neuerdings Scroll-Verdichter. Einphasiger (Wechselstrom-)Betrieb nur bis 1,4 kW Motor-Nennaufnahme zulässig, darüber Drehstrom (3phasig) erforderlich gemäß Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Energieversorgungsunternehmen (EVU).

DVD 2034

-3

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Kälteanlagen für Luftkühlung

Für Kühlung (Klimatisierung) einzelner Räume können eine oder mehrere Klimatruhen (Ventilatorkonvektoren) mit eingebautem Luftkühlverdampfer an einen Verflüssigungssatz angeschlossen werden (Bild 5.5.2-3). Im einfachsten Falle (gewerblicher Produktionsbereich) auch Verwendung einfacher Kühlraumverdampfer (Bild 5.5.2-4).

Bild 5.5.2-3. Kompressionskälteanlage mit luftgekühltem Verflüssiger und Verdampfer für direkte Luftkühlung.

Bild 5.5.2-4. Beidseitig ausblasender Deckenluftkühler (Kühlraumverdampfer) für Aufhängung an der Decke des Raumes (Walter Roller).

Verflüssigungssätze luft- oder wassergekühlt aus dem normalen Programm der Kältetechnik, vorwiegend halbhermetische Hubkolbenverdichter, Bild 5.5.1-1. Leistungsangaben über Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur, wie in der Kältetechnik üblich. Berechnung der Verdampfer und Auswahl des Verflüssigungssatzes zur Erfüllung der klimatechnischen Forderungen durch Kältetechniker. Bei größeren Klimaanlagen wird Verdampfer für direkte Luftkühlung im Klimazentralgerät anstelle des kaltwasserbeaufschlagten Luftkühlers eingebaut. Berechnung von Verdampfer, thermostatischem Expansionsventil und passendem Verflüssigungssatz gemäß klimatechnischen Forderungen durch Kältetechniker. Für bessere Regelbarkeit häufig Aufteilung auf mehrere getrennte Kältekreisläufe mit je einem Verdichter, Verflüssiger, Expansionsventil und Verdampferteil. Verdampferberechnung hierbei recht umfangreich. Bei größeren Leistungen werden wassergekühlte Verflüssiger mit Rückkühlwerk oder zentrale luftgekühlte Verflüssiger verwendet, unterteilt in getrennte Kältekreise je Verdichter, und einzeln aufgestellte Verdichter. Aufteilung auf mehrere getrennte Kältekreisläufe erhöht auch zulässige Gesamt-Kältemittelfüllung, da Sicherheitsbeschränkung nur auf Teilkreislauf mit größter Füllmenge bezogen ist.

-4

Luftkühlung mit Absorptionsmaschinen

Schrank-Klimageräte mit betriebsfertig eingebauter Absorptions-Kältemaschine zur direkten Luftkühlung sind in den USA schon seit Jahrzehnten üblich, Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid. Der Austreiber wird direkt mit Gas beheizt, und meistens ist im gleichen Gerät auch noch ein gasbeheizter Lufterhitzer für den Winterbetrieb eingebaut. Für die in den USA bei Einfamilienhäusern üblichen Luftheizsysteme ermöglicht dieses Gerät den ganzjährigen Kühl- und Heizbetrieb. Mit dem Ausbau des Erdgasnetzes werden derartige Geräte auch bei uns angeboten. Die Geräte bieten in wärmeren Gegenden auch die Möglichkeit

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2035 DVD

der Kühlung durch unmittelbare Ausnutzung der Sonnenenergie über Solarkollektoren, das erwärmte Wasser beheizt den Austreiber der Absorptionsmaschine. (Siehe Abschn. 2.2.2-5.3.4 s. S. 719.)

5.5.3 -1

Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen Allgemeines

Die folgenden Ausführungen gelten in gleicher Weise für Wasser und für Sole als Kälteträger. Vorteile der indirekten Kühlung: 1. Regelkreise von Klimaanlage und Kälteanlage weitgehend getrennt. Klimaregelung verändert Kaltwasserdurchsatz durch Luftkühler. Kälteanlagenregelung hält Kaltwassertemperatur etwa konstant. 2. Kaltwasserverteilsystem praktisch gleich dem Warmwasserverteilsystem und damit dem Klimatechniker vertraut. 3. Eindeutige Abgrenzung der Leistungsgarantien zwischen Klimatechnik und Kältetechnik. Von Nachteil ist der höhere Energieaufwand infolge der geringeren Leistungszahl und infolge des Energieverbrauches der Kaltwasser-(Sole-)Zirkulationspumpen. Die meisten Wasserkühlanlagen werden heute als betriebsfertige Wasserkühlsätze1) geliefert, mit Hubkolben-, Spiral-, Schrauben- und Turboverdichtern, sowie nach dem Absorptions- und Dampfstrahl-Prinzip. Grundsätzliche Schaltung bei indirekter Kühlung zeigt Bild 5.5.3-1.

Bild 5.5.3-1. Kaltwasser- und Kühlwasserkreislauf einer Kälteanlage für indirekte Kühlung.

Wasserkühlsätze einer Baureihe werden nach Kälteleistung abgestuft: häufig werden dabei die Normzahlen oder eine andere logarithmische Stufung verwendet. Die Kälteleistung wird meistens für eine Kühlung des Kaltwassers auf +6 bis +8 °C bei einer Kühlwasser-Austrittstemperatur von +30 bis 35 °C angegeben. Im Kaltwasserkreislauf beträgt die Spreizung 4 bis 6K, kühlwasserseitig bei Rückkühlwerk-Betrieb ebenfalls 4 bis 6K; bei durchlaufendem Frischwasser (Brunnen- oder Stadtwasser) beträgt die Wassererwärmung im Verflüssiger mindestens 15K. Ein Vergleich von Wasserkühlsätzen untereinander ist nur bei denselben Wasserein- und -austrittstemperaturen möglich. Übliche Auslegungstemperaturen sind bei Rückkühlwerk-Betrieb (Bild 5.5.3-1): (ARI-Standards 12,4 °C) Kaltwassereintritt tKE = 12 °C Kaltwasseraustritt tKA = 6 °C (ARI-Standards 6,7 °C) Kühlwassereintritt tWE = 27 °C (ARI-Standards 29,4 °C) Kühlwasseraustritt tWA = 32 °C (ARI-Standards 35,0 °C) 1)

Ersetzt nach Richtlinie CECOMAF 71-11 den bisherigen Begriff Kaltwassersatz.

DVD 2036

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

(Da teilweise auch in Deutschland nach den US-amerikanischen ARI-Standards angeboten wird, sind die entsprechenden Werte zusätzlich angegeben.) Dabei wird das Rückkühlwerk so ausgelegt, dass die Rückkühlung von 32 °C auf 27 °C bei einer Feuchtkugeltemperatur von 21 bis 22 °C erzielt werden kann. Viele Hersteller beziehen die Nennleistungen ihrer Wasserkühlsätze auf diese Temperaturen. Es ist daher zweckmäßig, sie als Nenntemperaturen zu bezeichnen. · Die umlaufende Kaltwassermenge V K ergibt sich – spezifische Wärmekapazität ca. 4,2kJ/ kgK und Dichte ca. 1000 kg/m3 – bei diesen Nenntemperaturen zu Q˙ 0 m 3 Q˙ 0 Q˙ 0 · ------V K = ----------------------------------- = ------------------------------ = -------------21000 s c ⋅ q ( t KE – t KA ) 4 ,2 ⋅ 1000 ⋅ 5

·

Q 0 in kW.

Die erforderliche Antriebsleistung des Verdichters oder der Verdichter kann aus der Leistungszahl εK ermittelt werden (s. Bild 5.4.1-3 und Bild 5.4.1-4). Bei üblicher Auslegung von Verdampfer und Verflüssiger ist die Verdampfungstemperatur t0 etwa 5 K unter der Kaltwasser-Austrittstemperatur tKA und die Verflüssigungstemperatur etwa 3 bis 5 K über der Kühlwasser-Austrittstemperatur tWA, bei Nenntemperaturen also ca. Verdampfungstemperatur t0 = +1 °C und Verflüssigungstemperatur tc = 35 bis 37 °C. Bild 5.5.3-2 zeigt Werte für die Leistungszahl εK von Wasserkühlsätzen bei Nenntemperaturen. Die eingezeichneten Kurven liefern Mittelwerte für Überschlagsrechnungen, sie gelten für Nennlast. Die Volllast-Leistungszahl εK ist bei Luftkühlung wegen des höheren Verflüssigungsdrucks geringer als bei Wasserkühlung. Im Mittel rechnet man mit folgenden Zahlen: Wasserkühlsatz mit Kühlturm: εK ≈ 4,0 Wasserkühlsatz mit luftgekühltem Verflüssiger: εK ≈ 3,5 Übliche Auslegungstemperaturen sind hier: Kaltwassereintritt 12 °C (ARI-Standards 12,4 °C) Kaltwasseraustritt 6 °C (ARI-Standards 6,7 °C) Kühllufteintritt 32 °C (ARI-Standards 35 °C) Dabei beachten: DIN EN 12900 (Nennbedingungen, Toleranzen und Darstellung von Leistungsdaten der Hersteller) lässt bei Kälteleistung eine Minderung um 5 bis 7,5%, bei Leistungsaufnahme Erhöhung um 5 bis 7,5% zu! Kälteleistungszahl bis –10%. Bei geringen Forderungen (Kaltwasservorlauf 10…15 °C) kann der Kühlturm die Kühlleistung wesentlich billiger bereitstellen.1)

Bild 5.5.3-2. Richtwerte für Leistungszahl εK von Hubkolben- und Turboverdichter-Wasserkühlsätzen und Wärmeverhältnis ζK von Absorptions-Wasserkühlsätzen bei Nenntemperaturen. Abweichungen je nach Hersteller von +10% bis –20% möglich.

1)

Niessen, R.: 6. KDMA-Kühlturmtagung, 2003, S. 7/21.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

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2037 DVD

Wasserkühlung mit Hubkolbenverdichtern

Kälteleistung 10 bis 80 kW, meistens mit einem oder mehreren hermetischen (Kapsel-) Verdichtern. Kälteleistung 30 bis 650 kW, meistens mit einem oder mehreren halbhermetischen Verdichtern. Kältemittel vorwiegend R407C und R134a. Bedingt durch die FCKW-Problematik sind jetzt auch Geräte mit Kältemittel Ammoniak auf den Markt1). Mit wassergekühltem Verflüssiger, geeignet für Betrieb mit Rückkühlwerk, fast stets werkseitig kältetechnisch betriebsfertig zusammengebaut als Wasserkühlsatz (Bild 5.5.3-3).

Bild 5.5.3-3. Wasserkühlsatz mit offenen Verdichtern direkt gekuppelt mit Motor, Kälteleistung 100 bis 1300 kW, Kältemittel Ammoniak (Liquifrigor von Axima Refrigeration).

Mit luftgekühltem Verflüssiger als Wasserkühlsatz zur Aufstellung im Freien, Bild 5.5.3-4, oder mit getrennt aufzustellendem luftgekühltem Verflüssiger (Split-System), Bild 5.5.3-5.

Bild 5.5.3-4. Luftgekühlter Wasserkühlsatz für Außenaufstellung, Kälteleistung 50 bis 500 kW (Trane).

1)

Venner, J., Jung, P.: Ki 3/92. S. 74/76. Reinhard, A.: Ki 11/92. S. 434/436.

DVD 2038

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Bild 5.5.3-5. Luftgekühlte Wasserkühlsätze. Links: Verflüssiger mit Axialventilatoren; rechts: Verflüssiger mit Radialventilator

Verdampfer zur Abkühlung des Kaltwassers bzw. der Sole fast ausschließlich für trockene Verdampfung, Bild 5.4.4-3, mit thermostatischem Expansionsventil. Kühlung des Wassers erfolgt im Durchlauf, also ohne Speichermasse. Für einwandfreien Betrieb des Wasserkühlsatzes muss deshalb Kaltwasserdurchsatz bei allen Laständerungen der Klimaanlage konstant bleiben. Bei Aufstellung des Wasserkühlsatzes im Freien (luftgekühlt) oder in nicht frostsicheren Räumen besteht im Winter Einfriergefahr für das Kaltwasser im Verdampfer und in den Vor- und Rücklaufleitungen. Abhilfe durch a) Entleeren des Kaltwassersystems im Winter, dabei erforderliche Korrosionsschutzmaßnahmen beachten. b) Zufügen von Frostschutzmittel in ausreichender Menge zum Kaltwasser, dabei schlechtere Wärmeübergangszahlen der Sole beachten. c) Elektrische Beheizung von Verdampfer und im Freien liegenden Leitungsteilen. Schematischen Aufbau eines wassergekühlten Wasserkühlsatzes zeigt Bild 5.5.3-6. Wenn auf der Kaltwasserseite mit Korrosions- oder Verschmutzungsgefahr gerechnet werden muss, besonders bei Wärmepumpen mit Grundwasser oder Oberflächenwasser als Wärmequelle, werden Wasserkühlsätze auch mit Verdampfern für überflutete Verdampfung ausgerüstet, die auf der Wasserseite leicht zu reinigen sind.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2039 DVD

Bild 5.5.3-6. Schematischer Aufbau eines Wasserkühlsatzes mit halbhermetischem Verdichter und wassergekühltem Verflüssiger. D = Druckbegrenzer SD = Sicherheitsdruckbegrenzer U = Unterdruckschalter O = Öldifferenzdruckschalter S = Kältemittel-Schauglas M = Magnetventil in Kältemittel-Flüssigkeitsleitung L = Magnetventil in Druckölleitung zur Betätigung der Verdichter-Leistungsregelung E = Einfrierschutzthermostat.

Die elektrische Ausrüstung von Wasserkühlsätzen mit Kolbenverdichtern umfaßt die Sicherheitsschaltgeräte, eine Leistungsregelung, Kurbelgehäuseheizung sowie Befehlsund Meldegeräte. Diese sind zusammen mit Hilfsschützen in einem Steuerschrank untergebracht, der am Wasserkühlsatz angebaut ist. Sämtliche Geräte sind in der Regel fertig verdrahtet. Schaltgeräte für die Verdichterantriebsmotoren sollten zum Lieferumfang gehören, ebenso wie die Kabelverbindungen zwischen diesen Schaltgeräten und dem Motor. Ein Beispiel eines Stromlaufplans ist in Bild 5.5.3-7 dargestellt. Es handelt sich um die elektrische Steuerung eines Wasserkühlsatzes mit nur einem Verdichter, dessen Leistung in drei Stufen vermindert werden kann. Die Sicherheitskette besteht aus folgenden Gliedern (Bild 5.5.3-7): Druckbegrenzer und Unterdruckschalter Öldruckwächter Einfrierschutzthermostat Wicklungsschutzschalter Nicht dargestellt sind Überstromauslöser, Strömungswächter und andere Sicherungen, die häufig in die Kette eingeschlossen werden. Die Funktion dieser Geräte ergibt sich schon aus ihrer Bezeichnung. Wesentliche Störungsursachen:

DVD 2040

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Bild 5.5.3-7. Elektrische Steuerung eines Wasserkühlsatzes mit Kolbenverdichter. 1 = Kaltwasserpumpe 8 = Kurbelgehäuseheizung 2 = Verdichter 9 = Schließkontakt – Kälteanforderung 3 = Kühlwasserpumpe 10 = Hand-Automatik-Schalter 4 = Kühlturm 11 = Betriebsbereitschaftsschalter 5 = Sicherheitskette 12 = Kontrollampe „Betrieb“ 6 = Hilfsschütz 13 = Kontrollampe „Störung“ 7 = Temperaturregler 14 = Magnetventile der Leistungsregelung

Überdruck kann auftreten bei Kühlwassermangel, verschmutztem Verflüssiger, zu hoher Kühlwassertemperatur und starkem Luftgehalt im Kältekreislauf, z.B. infolge eines vorangegangenen unbeabsichtigten Einsaugens von Luft beim Füllen mit Kältemittel oder Öl. Unterdruck ist häufig die Folge von Kältemittelmangel. Nicht hinreichender Öldruck (=Differenz zwischen Ölpumpendruck und Kurbelgehäusedruck) kann seine Ursache in beeinträchtigter Schmierfähigkeit infolge Kältemittelanreicherung haben. Ablauf eines Einschaltvorgangs: 1. Voraussetzung für den Betrieb: Betriebsbereitschaftsschalter 11 wird in Stellung II gebracht. Bei diesem Schaltvorgang erhält die Spule des Hilfsschützes 6 kurzzeitig Spannung durch den Wischkontakt in Schalterstellung I, das Schütz schaltet und hält sich selbst, falls die Sicherheitskette 5 geschlossen ist. Die Kontrollampe 12 zeigt jetzt Betriebsbereitschaft. 2. Durch einen Schließkontakt 9 in der Steuerung der Klimaanlage wird Kühlung angefordert: Die Kaltwasserpumpe 1 wird eingeschaltet. Das Schütz dieser Pumpe schaltet über einen Schließkontakt den Temperaturregler 7 ein, der über den Wahlschalter 10 das Schütz des Verdichtermotors 2 einschaltet, falls die Regelgröße „Kaltwassertemperatur“ oberhalb des Sollwerts steht und falls der Wahlschalter 10 in Stellung „Automatik“ gestellt wurde. Um entlasteten Anlauf zu sichern, kühlt der Verdichter zunächst nur mit einem oder zwei Zylindern. 3. Das Motorschütz 2 des Verdichters schaltet gleichzeitig die Kurbelgehäuseheizung 8 aus, die sonst immer, auch wenn keine Betriebsbereitschaft hergestellt wurde, eingeschaltet bleibt. 4. Über einen Schließer wird die Kühlwasserpumpe 3 eingeschaltet und durch das weitere Schütz der Kühlturmventilator 4, wenn die jeweiligen Wahlschalter 10 auf „Automatik“ stehen. 5. Der Temperaturregler 7 schaltet nach Maßgabe eines Schrittschaltwerks nacheinander die Magnetventile 14, wodurch weitere Zylinder des Kompressors in Betrieb genommen werden. Mit Erreichen oder Unterschreiten des Sollwerts der Kaltwassertemperatur schaltet der Regler die Magnetventile nach Bedarf wieder ab. 6. Sobald ein Sicherheitsorgan in der Kette 5 öffnet, fällt das Hilfsschütz 6 ab und die Kontrollampe 13 signalisiert „Störung“. Dann werden alle Motoren bis auf den der Kaltwasserpumpe stillgesetzt. Bevor ein neuer Start des Wasserkühlsatzes erfolgen kann, muss die Wiedereinschaltsperre des betreffenden Sicherheitsorgans von Hand

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2041 DVD

aufgehoben werden. Dazu muss der Schalter 11 zuerst in die Stellung 0, dann wieder in die Stellung II gebracht werden. Wasserkühlsätze werden auch mit mehreren Hubkolbenverdichtern ausgeführt1). Dabei entweder getrennte Kältekreisläufe, je Verdichter ein Verflüssiger und ein Verdampfer, oder ein gemeinsamer Verflüssiger und Verdampfer für alle Verdichter. Getrennte Kreisläufe ergeben größere Sicherheit, eine Störung betrifft nur einen Teil der Gesamtleistung. Parallelbetrieb der Verdichter bringt bei Teillast höhere Leistungszahlen, da Temperaturdifferenzen an den großen Wärmeaustauschflächen geringer werden. Bild 5.5.3-8 zeigt eine Schaltung mit 4 Verdichtern und zwei Kältemittelkreisläufen. Bei Parallelbetrieb muss für gleichmäßige Verteilung des zurückfließenden Öls zu den einzelnen Verdichtern gesorgt werden.

Bild 5.5.3-8. Schaltung der Kältemittelkreisläufe (2 Kreisläufe) bei 4 Verdichtern.

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Wasserkühlung mit Schraubenverdichtern

Kälteleistung 200 bis 1500 kW mit bis zu 4 halbhermetischen Verdichtern in einem Gerät, Kälteleistungen bis 4000 kW mit offenen Verdichtern. Lieferung meistens als Wasserkühlsatz mit wassergekühltem Verflüssiger, Verdampfer für trockene Verdampfung mit Expansionsventil, Kältemittel vorwiegend R407 C und R134a. Lieferumfang ähnlich wie bei Hubkolbenverdichtern, jedoch zusätzlich Ölabscheiderund Ölkühler. Vorteil ist stufenlose Regelbarkeit durch Steuerschieber bis etwa 20% Teillast.

1)

Hartmann, K.: Ki 11/85. S. 443/7.

DVD 2042

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Bild 5.5.3-9. Kaltwassersatz mit Schraubenverdichter und Plattenwärmeaustauscher (YORK-Industriekälte).

Bild 5.5.3-10. Wasserkühlsatz nach Bild 5.5.3-9 in gasdichtem Gehäuse (YORK-Industriekälte).

Da die meisten Schraubenverdichter auch für den Betrieb mit Ammoniak entwickelt wurden (Industriekälte), und da hier infolge der Öleinspritzkühlung die sonst bei Ammoniak höheren Verdichtungs-Endtemperaturen nicht zur Auswirkung kommen, sind bereits mit Ammoniak betriebene Geräte für die Klimatechnik auf dem Markt. Bild 5.5.3-9 zeigt ein Beispiel, bei dem Platten-Wärmeaustauscher als Verdampfer und Verflüssiger verwendet werden, um so die Ammoniak-Füllmenge möglichst gering zu halten. Weiterhin kann dieser Flüssigkeitskühler mit einem gasdichten Gehäuse geliefert werden und mit einem dem Gehäuse angeschlossenen Ammoniak-Absorptionssystem, Bild 5.5.3-10. Evtl. aus dem Kältekreislauf austretendes Ammoniak kann so nicht in die Umgebung gelangen, sondern wird im Wasserinhalt des Absorptions-Behälters gelöst. Dieses Konzept soll die Forderung der DIN EN 378 nach Aufstellung in einem separaten Maschinenraum überflüssig machen und zusätzliche Sicherheit bieten.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

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2043 DVD

Wasserkühlung mit Turboverdichtern

Kälteleistung 400 bis 8000 kW, vorwiegend als Wasserkühlsatz mit offenem oder halbhermetischem, Bild 5.5.3-11, Verdichter; Kälteleistung 8000 bis 30000 kW je Verdichter in offener Bauweise, als vor Ort errichtete Wasserkühlanlage mit standardisierten Bauteilen.

Bild 5.5.3-11. Turbowasserkühlsatz mit offenem Verdichter für R 134a, Kälteleistung bis 6000 kW (York International).

Verdichter bis 8000 kW meistens einstufig mit Getriebe und Kältemittel R134a. Große Kältemittel-Volumenströme mit trockener Verdampfung im Rohr und Expansionsventil sind nicht mehr beherrschbar, deshalb Verdampfer für überfluteten Betrieb, Kaltwasser in den Rohren, Kältemittelverdampfung im Mantelraum. Regelung des Kältemittelstromes durch Hochdruck-Schwimmerregler (vgl. Abschn. 5.4.7-1.4 s. S. 2015) oder auch durch einfache Drosselblenden. Verflüssiger wassergekühlt für Rückkühlwerksbetrieb. Luftgekühlte Verflüssiger für diese großen Leistungen sind meist Sonderkonstruktionen (Bild 5.5.3-12).

Bild 5.5.3-12. Luftgekühlte Verflüssiger einer Turbo-Kälteanlage.

Regelung durch Dralldrossel-, seltener Diffusor-Verstellung stufenlos bis 20% Teillast, abhängig vom Verlauf der Verdichter- und der Anlagen-Kennlinie. Drehzahlregelung verengt Einsatzgrenzen. Für noch kleinere Teillast zusätzlich Heißgas-Beipass-Regelung (vgl. Abschn. 5.4.2 s. S. 1996). Wegen der hohen Drehzahlen ist für die Lager Vorschmierung vor dem Anlaufen und Nachschmierung während des relativ langen Auslaufens nach dem Abschalten erforderlich. Hierfür neben der von der Verdichterwelle mitgetriebenen Hauptölpumpe zusätzliche Hilfsölpumpe mit unabhängigem Antrieb. Außerdem Ölkühler, Ölfilter, ÖlStillstandsheizung und Öltemperatur- sowie Öldruck-Überwachung. Absicherung der Druckbehälter (Verflüssiger, Verdampfer) gegen unzulässigen Druckanstieg meistens durch Brechplatten mit anschließender Abblaseleitung ins Freie, da dichtschließende Sicherheitsventile bei den erforderlichen großen Querschnitten praktisch nicht mehr möglich sind.

DVD 2044

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Bei zweistufigem Verdichter meistens auch zweistufige Entspannung. Realisiert wird dieser Prozeß in dem in Bild 5.5.3-13 schematisch dargestellten Turbowasserkühlsatz: Im Verflüssiger ist ein Teil des Rohrbündels als Unterkühler 3 durch ein Trennblech abgeteilt, so dass das Kondensat im Gegenstrom zum eintretenden Kühlwasser geführt wird. Eine kleine Kältemittelmenge läuft durch einen Überlauf in ein Bezugsgefäß 4 und von dort über ein fest eingestelltes Drosselventil 5 in den Entspannungsbehälter (Economizer). Ein Schwimmerventil 6 regelt den Flüssigkeitsstand in dem Bezugsgefäß; fällt dieser, so schließt das Ventil und umgekehrt. Mit dieser Einrichtung wird eine ständige Überflutung des Unterkühlers 3 gesichert. In dem Entspannungsbehälter, der auch als Puffer bei Laständerungen wirkt, wird die im Ventil 6 entspannte Flüssigkeit vom Drosseldampf getrennt. Ein Sprührohr erleichtert diesen Trennprozeß. Der Dampf wird über die Mitteldruck-Saugleitung auf die Ansaugseite der HD-Stufe des Verdichters geleitet. Die Flüssigkeit wird in dem zweiten Standregelventil 6 auf den Verdampfungsdruck entspannt und zusammen mit dem Drosseldampf unter das Lochblech 7 des Verdampfers geführt; dieses wirkt als Drosseldampfverteilung und sorgt infolge der hohen Austrittsgeschwindigkeit des Dampf-Flüssigkeitsgemischs für eine intensive Durchwirbelung innerhalb der Kältemittelfüllung des Verdampfers und damit für einen guten Wärmeübergang. Durch die Saugleitung strömt der Kältemittel-Dampf zur ND-Stufe des Verdichters.

Bild 5.5.3-13. Zweistufiger Turbowasserkühlsatz – Funktionsschema. 1 = Niederdruckstufe, 2 = Hochdruckstufe, 3 = Unterkühler, 4 = R-12-Bezugsgefäß, 5 = Drosselventil, 6 = Regelventil, 7 = Drosseldampfverteilung

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Wasserkühlung mit Absorptionsmaschinen

Kälteleistung 10 bis 100 kW als luftgekühlte Wasserkühlsätze mit Stoffpaar Ammoniak/ Wasser oder Wasser/Lithiumbromid und für direkte Beheizung mit Heizöl oder Gas. Kälteleistung 140 bis 6000 kW als wassergekühlte Wasserkühlsätze mit Stoffpaar Wasser/ Lithiumbromid und für Beheizung mit Niederdruckdampf oder Heißwasser. Unterer Leistungsbereich auch für direkte Beheizung mit Heizöl oder Gas, und auch mit Stoffpaar Ammoniak/Wasser.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2045 DVD

Kälteleistung 6000 bis über 10000 kW als vor Ort montierte Kaltwasser- oder Sole-Anlage mit Stoffpaar Ammoniak/Wasser und beliebiger Beheizungsart, auch in zwei- und mehrstufiger Ausführung. Wegen der Sicherheitsbeschränkungen für das Kältemittel Ammoniak nur im industriellen Bereich. Rohrleitungsschema für die Einbindung einer indirekt beheizten Absorptions-Kältemaschine in die Klimaanlage zeigt Bild 5.5.3-14, für eine direkt gasbeheizte Bild 5.5.3-15.

Bild 5.5.3-14. Rohrleitungsschema einer Klimaanlage mit indirekt beheizter Absorptions-Kältemaschine.

Bild 5.5.3-15. Rohrleitungsschema einer Klimaanlage mit direkt beheizter Absorptions-Kältemaschine.

Wirtschaftlichkeit Bei den üblichen Auslegungswerten von Kaltwassereintritt tKE = 11 °C Kaltwasseraustritt tKA = 6 °C

DVD 2046

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Kühlwassereintritt tWE = 27 °C Kühlwasseraustritt tWA = 36 °C Heizdampf-Überdruck pD = 0,5 bar werden bei großen Leistungen etwa folgende Betriebswerte erreicht: Q˙ ζ = -------0- = 0,66 bis 0,71 kW/kW 1-stufig: Wärmeverhältnis Q˙ H Kühlwasser 0,25 bis 0,35 m3/h/kW kW 2-stufig mit Sattdampf 7 bis 8 bar: Wärmeverhältnis 1,1 bis 1,4 -------kW Kühlwasser 0,25 bis 0,35 m3/h/kW Bild 5.5.3-16 zeigt die Veränderung dieser Kennwerte in Abhängigkeit von dem verfügbaren Heizdampfdruck. Die Veränderung, abhängig von der Kälteleistung des Wasserkühlsatzes, ist Bild 5.5.3-2 zu entnehmen.

Bild 5.5.3-16. Kennlinienverlauf von LiBrAbsorptions-Wasserkühlsätzen. a = Kälteleistung ca. 0,45 MW, b = Kälteleistung ca. 4,5 MW, c = spez. Dampfverbrauch, d = spez. Kühlwassermenge

Die Wirtschaftlichkeit einer Absorptions-Kältemaschine im Vergleich zu einer Kompressionsmaschine ergibt sich aus dem Vergleich der Energieverbrauchskosten. Die Energieverbrauchskosten sind das Produkt aus spezifischem Energieverbrauch – Energiebedarf in kW je kW Kälteleistung – multipliziert mit den Kosten pro Energieeinheit. Vergleicht man z.B. bei einer Kälteleistung von 500 kW (Bild 5.5.3-2), so ergibt sich ein Verhältnis des spezifischen Energieverbrauchs der Absorptionsmaschine von etwa

ε 4 ,2 eA = -----K- = ------- = 6 0 ,7 ζK Der spezifische Energieverbrauch der Absorptionsmaschine beträgt also das Sechsfache gegenüber der Kompressionsmaschine. Der Preis für die kWh Wärmeenergie darf damit1/6 des Preises für die kWh elektrischer Energie nicht überschreiten, um Energiekostengleichheit zu erreichen1). Da außerdem der elektrische Energiebedarf für das Rückkühlwerk und die Kühlwasserpumpen bei der Absorptionsmaschine etwa doppelt so groß ist wie bei der Kompressionsmaschine, und da außerdem die Investitionskosten einer Absorptionsanlage höher sind, liegt der echte Beginn der Wirtschaftlichkeit für die Absorptionsmaschine bei Wärmepreisen, die unter 15% der Preise für die elektrische Energie liegen. Beim Preisvergleich ist zu beachten, dass bei beiden Energiearten der zu erwartende Mischpreis aus Arbeitspreis und Leistungs-(Bereitstellung-)Preis eingesetzt wird. Leistungspreis etwa 100…150 A/kW. Ebenso sind die Kosten für den Energieanschluss, gegebenenfalls zusätzlicher Transformator einerseits, zusätzliche Wärmeerzeugung/versorgung andererseits, in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einzubeziehen.

1)

Kolzejczyk, K.: TAB 10/88. S. 745/750.

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2047 DVD

Allgemein kann gesagt werden, dass die Absorptions-Kältemaschine wirtschaftlich sein kann, wenn Wärme zu einem niedrigen Preis verfügbar ist, also insbesondere Abwärme aus vorgeschalteten Prozessen, aus der Wärmeversorgung im Winter genügend leistungspreisfreie Wärme im Sommer zur Verfügung steht, die erforderliche elektrische Leistung für die KompressionsKältemaschine dagegen den Winter-Anschlusswert des Gebäudes deutlich übersteigen, also zu deutlich höherem Leistungspreis führen würde, die wesentlich größere Wärmeabgabe der Absorptionsmaschine durch Wärmerückgewinnung weitgehend nutzbar gemacht werden kann, Sonnenenergie zur Beheizung der Absorptionsmaschine nutzbar gemacht werdenkann. Neben diese wirtschaftlichen Überlegungen können zusätzlich oder vorrangig andere Gesichtspunkte treten, wie der schwingungs- und erschütterungsfreie Betrieb der Absorptionsmaschine, die Laufruhe der Absorptionsmaschine (die Geräuschentwicklung der Zirkulationspumpe ist gegenüber dem Laufgeräusch der Verdichter in Kompressionsanlagen vernachlässigbar), der relativ geringe Wartungsaufwand. Ausführung Direkt gasbeheizte (seltener ölbeheizte) Wasserkühlsätze1) werden betriebsfertig mit Brenner und allen Regel- und Sicherheitseinrichtungen geliefert, meistens in geschlossenem, quaderförmigen Blechgehäuse. Luftgekühlte Bauart vorwiegend für Aufstellung im Freien, Bild 5.5.3-18, wassergekühlte Bauart meistens für Aufstellung in wettergeschützten Räumen. Bei luftgekühlten Geräten häufig Doppelnutzung als Klimagerät und HeizWärmepumpe, bei sehr niedrigen Außentemperaturen als Direktheizgerät (ohne Wärmepumpenschaltung). Bei nicht ganzjährigem Betrieb und Aufstellung im Freien Einfriergefahr im Winter beachten.

Bild 5.5.3-17. Lithiumbromid-Absorptionskältemaschinen in Einkessel-Bauart (Trane). Links: Schema, T = Temperaturwechsler; rechts: Ansicht.

Bild 5.5.3-18. Gasbeheizter Wasserkühlsatz. Ansicht.

1)

DVGW G 647:1980-08: Gasbeheizte Klima- und Kaltwassersätze.

DVD 2048

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Indirekt mit Dampf oder Heißwasser beheizte Absorptions-Wasserkühlsätze werden in Einbehälter-Bauart, Bild 5.5.3-17, und in Zweibehälter-Bauart, Bild 5.5.3-19, betriebsfertig geliefert; Zweibehälter-Bauart bei großen Leistungen auch getrennt angeliefert zur Erleichterung von Transport und Einbringung ins Bauwerk. Standard-Bauarten für Aufstellung in wetter- und frostgeschützten Innenräumen. Zum Funktionsschema vgl. Abschn. 5.2.3 s. S. 1964. Übliche Heizdampfdrücke 0,1 bis 1,0 bar Überdruck,übliche Heizwassertemperaturen 80 bis 150 °C. Durch Regelung der Heizmittelzufuhr kann die Kälteleistung bis auf etwa 10% heruntergeregelt werden. Im normalen Klima-Kühlbetrieb ist der Heizmittelverbrauch dabei etwa proportional der Kälteleistung. Aufstellung Das Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser unterliegt der DIN EN 378 „Kälteanlagen“ und den darin für das Kältemittel Ammoniak (NH3) enthaltenen Aufstellungsvorschriften (vgl. Abschn. 5.8.4 s. S. 2097. Alle Bauteile unterliegen ferner der Druckbehälterverordnung. Das Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid unterliegt nicht der DIN EN 378, da das als Kältemittel verwendete Wasser völlig ungefährlich ist. Es bestehen von dieser Seite deshalb keine Aufstellungsbeschränkungen. Da der Kältemittelkreislauf im Vakuum abläuft, unterliegen lediglich die Rohrsysteme für Heizdampf (bzw. Heizwasser), Kühlwasser und Kaltwasser der Druckbehälterverordnung. Das tiefe Vakuum im Verdampfer, etwa 0,01 bar absolut, stellt hohe Anforderungen an die Dichtheit des Kreislaufes, deshalb Schweiß- und Lötverbindungen statt Flanschen und Verschraubungen, Lösungspumpen mit Spaltrohrmotoren, also ohne Gleitringdichtungen. Zur Entfernung trotzdem eindringender geringer Außenluftmengen, die zur Verringerung der Kälteleistung führen, gehört eine automatische Vakuumpumpe zum serienmäßigen Lieferumfang. Bei direkt gas- oder ölbeheizten Geräten sind die entsprechenden DVGW-Regeln und die Heizraumrichtlinien zu beachten, bei indirekt beheizten Geräten die entsprechenden Vorschriften für Dampf- bzw. Heißwasser-Kreisläufe (s. Abschn. 6.4 s. S. 2148).

Bild 5.5.3-19. Absorptions-Kälteanlage mit Wasser-Lithiumbromid (Carrier), Zweikessel-Bauart. Links: Schema; rechts: Ansicht

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Wasserkühlung mit Dampfstrahlmaschinen

Kälteleistung 10 bis 40000 kW, vorwiegend als ortsmontierte Anlage. Für den Betrieb der Dampfstrahlmaschine ist Wasserdampf von mindestens 0,5, besser 2 bis 3 bar Überdruck erforderlich. Einsatzmöglichkeit deshalb nur dort, wo entsprechend Dampf zur Verfügung steht, also im industriellen Bereich. Errichtung eines Dampferzeugers lediglich zum Betrieb einer Dampfstrahl-Kältemaschine ist nicht wirtschaftlich. Wirtschaftlichkeit Bei den Nenntemperaturen gemäß Abschn. 5.5.3-1 s. S. 2035 ergeben sich, abhängig vom Treibdampfdruck, für einstufige Verdichtung folgende Werte:

5.5.3 Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

2049 DVD

Bei anderen Temperaturen s. Bild 5.5.3-20.

Bild 5.5.3-20. Schaubild zur Ermittlung von Richtwerten für den Dampfverbrauch von einstufigen Strahlkältemaschinen. Beispiel: Kaltwassertemperatur: 10 °C Kühlwasseraustritt: 30 °C Treibdampfdruck: 2 bar abs. Treibdampfverbrauch 2,4 kg/h je kW

Außer dieser Treibdampfmenge muss noch eine Saugdampfmenge von ca. 1,45 kg/h je kW Kälteleistung kondensiert werden. Die Kondensationsleistung – ohne Wärmerückgewinnung identisch mit der Wärmeabgabe am Rückkühlwerk – ist entsprechend groß. Sie beträgt etwa das 3,5fache der Kälteleistung und liegt damit noch höher als bei der Absorptionsmaschine.

Bild 5.5.3-21. Dampfstrahl-KompaktKühlanlage zur Kühlung von Kaltwasser. Kälteleistung 370 kW Durchmesser 1200 mm Gesamtlänge 4500 mm Gesamthöhe 1900 mm (Standard-Messo, Duisburg)

Ausführung Wenn das zirkulierende Kaltwasser gleichzeitig als Kältemittel benutzt wird (übliche Ausführung), kann der Verdampfer als reiner Behälter ohne Wärmeaustauschflächen ausgeführt werden. Der Verflüssiger (Kondensator) ist ein Rohrbündelapparat mit vom Kühlwasser durchströmten Rohren. Zur Funktion vgl. Abschn. 5.2.5 s. S. 1971. Eine Leistungsregelung des Dampfstrahlverdichters ist nur begrenzt möglich, da bei Verringerung des Treibdampfdurchsatzes die erreichbare Druckdifferenz stark abfällt. Regelung über größere Bereiche deshalb durch Zu- und Abschaltung mehrerer parallelgeschalteter Strahlverdichter. Eine Dampfstrahl-Kälteanlage mit zwei parallelgeschalteten Verdichtern, kompakt zusammengebaut als Wasserkühlsatz, zeigt Bild 5.5.3-21.

DVD 2050

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5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Wasserkühlung thermoelektrisch

Außer wenigen Sonderfällen im militärischen Anwendungsbereich (für Klimaanlagen in Atom-U-Booten) bisher ohne Bedeutung. Siehe auch Abschn. 5.2.6 s. S. 1972.

5.5.4

Thermische Antriebe

Der Antrieb der Kälteverdichter durch thermische Maschinen, also Benzin-, Diesel- oder Gasmotoren, Gasturbinen und Dampfturbinen beschränkte sich früher auf die Fälle, in denen ein ausreichend starkes elektrisches Netz nicht vorhanden war (in Fahrzeugen, auf Inseln, in entlegenen Gegenden) oder in denen Dampf preisgünstiger war als Strom. Im Rahmen der integrierten Energieplanung und der Wärmerückgewinnungs-Maßnahmen bieten thermische Antriebe oft wirtschaftlich interessante Lösungen.

-1

Benzin- und Dieselmotoren

Anwendung in Kühl- und Tiefkühl-Lkw und klimatisierten Omnibussen, in Bahnfahrzeugen wie auch für stationären Betrieb. Technische Ausführungen ähnlich wie bei Gasmotoren.

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Gasmotoren

Mit dem Ausbau des Ferngasnetzes gewinnen Gasmotoren zunehmend an Bedeutung, nicht nur für Wärmepumpenantriebe, sondern auch für Kälteverdichter mit primärer Kühlaufgabe. Drehzahlbereich der Gasmotoren etwa 750…1800 UpM. Bei Antrieb von Hubkolbenverdichtern meistens direkte Kupplung mit gleicher Drehzahl für Motor und Verdichter. Bei Antrieb von Schrauben- und Turboverdichtern Drehzahlerhöhung für den Verdichter durch Getriebe. Drehzahlregelung des Motors, wirtschaftlich von 100 bis etwa 66%, erweitert die Regelfähigkeit des Verdichters. Die durch die endliche Zylinderzahl des Gasmotors bedingte Ungleichmäßigkeit in der Drehkraftabgabe erfordert, insbesondere bei Kupplung mit Hubkolbenverdichtern, die ebenfalls ungleichmäßige Drehkraftaufnahme haben, eine sorgfältige Berechnung des Torsions-Schwingungsverhaltens und eine entsprechend steife Rahmenkonstruktion. Zusätzliche Maßnahmen sind erforderlich, um die Übertragung von Schwingungen, Luft- und Körperschall ausreichend zu dämpfen. Ausführungsbeispiel eines Gasmotorantriebs zeigt Bild 5.5.4-1. Durch zusätzlichen Einbau eines elektrischen Generators ist eine Erweiterung zur TotalEnergie-Anlage möglich1).

Bild 5.5.4-1. York-Milleneum Turbo-Flüssigkeitskühler mit Gasmotor. Leistungsbereich 1400 bis 7200 kW.

1)

Dietze, G.: Ki 10/91. S. 421/424.

5.5.4 Thermische Antriebe

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2051 DVD

Gasturbinen

Die Gasturbine als Strömungsmaschine mit hoher Drehzahl und gleichmäßiger Kraftabgabe eignet sich sehr gut zur direkten Kupplung mit Turboverdichtern, die ebenfalls Strömungsmaschinen sind mit sehr ähnlichem Betriebsverhalten. Die Gasturbine hat gegenüber einem Gasmotor gleicher Leistung bedeutend kleinere Abmessungen und wesentlich geringeres Gewicht. Eine Gasturbinen-TurboverdichterGruppe läuft praktisch schwingungsfrei, so dass lediglich Luft- und Körperschallübertragung gedämpft werden muss.

-4

Dampfturbinen

Wenn Dampf mit ausreichendem Druck (mindestens 2 bar Überdruck) zur Verfügung steht, sind Dampfturbinen für den Antrieb von Turboverdichtern noch günstiger als Gasturbinen. Der Wirtschaftlichkeitsvergleich gegenüber dem elektrischen Antrieb verläuft ähnlich wie bei der Absorptions-Kältemaschine (vgl. Abschn. 5.5.3-6 s. S. 2048). Das Wärmeverhältnis, bezogen auf den Wärmeinhalt des zugeführten Dampfes (wie bei der Absorptionsmaschine) ergibt sich hier zu ζK = εK · ηA mit ηA = Wirkungsgrad der Dampfturbine. Vergleicht man bei Wasserkühlsatz-Nennbedingungen mit εK = 4,2 bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Dampfturbine von 25%, so ergibt sich mit ζK = 1,05 ein Wert, der deutlich über dem einer Absorptions-Kältemaschine liegt. Wenn Dampf mit ausreichend hohem Druck zur Verfügung steht, ist also der Turboverdichter mit Dampfturbinenantrieb meistens wirtschaftlicher als die Absorptionsmaschine.

-5

Kombinierte Systeme

Die Abwärme thermischer Antriebe kann nicht nur im Rahmen der Wärmerückgewinnung genutzt werden, sondern auch zum Betrieb thermisch nachgeschalteter AbsorptionsKältemaschinen. Hierdurch kann bei gleichem Wärmeverbrauch die Kälteleistung deutlich erhöht und die Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Derartige Kombinationen sind insbesondere für Dampf von mehr als 7 bar Überdruck als Antriebsenergie schon mehrfach mit gutem Erfolg ausgeführt worden. Hierbei verbessert sich gleichzeitig die Teillast-Regelbarkeit und der Teillast-Wirkungsgrad. Ein Schaltungsbeispiel zeigt Bild 5.5.4-2. Ähnlich sind bei Total-Energie-Anlagen nachgeschaltete Absorptions-Kältemaschinen möglich1).

1)

Jacobowski, H.: Ki 4/91. S. 167/170.

DVD 2052

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Bild 5.5.4-2. Kreislaufschema einer Kombination von Turboverdichter mit Dampfturbinenantrieb und nachgeschalteten Absorptionsmaschinen.

5.5.5 -1

Fernkälteanlagen Allgemeines

Man versteht unter Fernkälteanlage ähnlich wie bei der Fernheizung die Kälteversorgung einer mehr oder weniger großen Anzahl von Verbrauchern aus einer Kältezentrale. In den letzten Jahren sind eine Anzahl derartiger Anlagen für Universitäten, Geschäftshäuserblocks, Einkaufszentren, Flughäfen, Kliniken und andere Gebäudegruppen gebaut worden, in denen Bedarf an Kälte für Raumkühlung, Laboratorien, Meß- und Prüfräume, Maschinenkühlung usw. besteht. Während in vielen Chemiebetrieben Ammoniak als Kältemittel im Verbrauchernetz zirkuliert und in Fernverdampfern Kälte erzeugt, wird für die Kälteversorgung von Klimaanlagen ausschließlich Kaltwasser mit einer Vorlauftemperatur von etwa 5 °C als Kälteträger verwendet und durch Rohrleitungen den Verbrauchern zugeleitet. Die Mindestkälteleistung ist mit etwa 3…4 MW anzunehmen. Schema einer Fernkälteanlage s. Bild 5.5.5-1.

Bild 5.5.5-1. Schema einer Fernkälteanlage mit Turboverdichtern.

Es ist kein Zweifel, dass bei Großbauobjekten die Fernkälteversorgung gegenüber Einzelanlagen ähnlich der Fernheizung viele Vorteile bietet, z.B. Platzersparnis, geringe Bedienungskosten, besserer Wirkungsgrad, keine Rückkühlschwierigkeiten u.a. Trotzdem ist

5.5.5 Fernkälteanlagen

2053 DVD

bei der Planung derartiger Anlagen die Frage der Wirtschaftlichkeit eingehend zu prüfen. In technischer Hinsicht sind dabei viele Gesichtspunkte zu beachten, besonders: Lage der Kältezentrale im Versorgungsgebiet Lage des Rückkühlwerks Fragen der Ausbaustufen Wahl der Antriebsenergie Kupplung von Wärme, Kraft und Kälte Energie- und Wartungskosten Tarifgestaltung. Aus der Summe der Investitions- und Betriebskosten ergibt sich die wirtschaftlich günstigste Lösung, wenn nicht Imponderabilien wie Umweltschutz, Lärm, u.a. einen höheren Aufwand rechtfertigen. Einige ausgeführte Anlagen: Capitol Washington; 1. Stufe 21 MW, Endausbau 63 MW Geschäftsviertel Hamburg City-Nord; 1. Ausbaustufe: 28,5 MW, Endausbau 61 MW. Universität Bochum; 1. Ausbaustufe: 11,6 MW Fernkältezentrale Paris, Endausbau: 73 MW Kennedy-Flughafen New York: 35 MW Flughafen Frankfurt a.M.: 26 MW Welthandelszentrum New York: 172 MW Hartford/Connecticut Gas Corp.: 70 MW.

-2

Fernkältezentralen

Im Normalfall werden mehrere Turbo-Kältemaschinen aufgestellt, so dass bei Teillast Maschinen abgeschaltet werden können. Falls günstige Strompreise geboten werden, ist der Betrieb von Turboverdichtern mit Antrieb durch Elektromotoren ratsam, sonst Dampfturbinen. Als Kältemittel kommen R134a und – bei sehr großen Kälteleistungen über 10 MW je Einheit – auch R507 in Frage. Mit zweistufiger Verdichtung und zweistufiger Entspannung mit Zwischenabsaugung können Betriebskostenersparnisse in beträchtlicher Höhe erzielt werden. Die Kühlung der Verflüssiger erfolgt durch Rückkühlwerke oder, wenn möglich, durch Flußwasser. Auch Absorptions-Kälteanlagen mit einem Anschluss an ein Fernheizwerk sind üblich. Sie entnehmen dem Heiznetz um so mehr Dampf oder Heizwasserwärme, je höher die Außentemperatur steigt und je stärker die Sonneneinstrahlung die Kühllast bestimmt. Für eine Kälteleistung von 1 kWh werden etwa 1,5 kWh Wärme benötigt. Der Betrieb von Absorptions-Kälteanlagen, meistens in Form von Wasserkühlsätzen mit dem Stoffpaar LiBr, ist erst dann wirtschaftlich, wenn Heizwärme zu einem vergleichsweise günstigen Preis geliefert werden kann. Als Grenze gilt das Verhältnis: Strompreis EUR/kWh -------------------------------------------------------- ≈ 7…9 (s. Abschn. 5.5.3-5 s. S. 2044) Wärmepreis EUR/kWh Günstiger ist Kombination mit Turboverdichter nach Schema Bild 5.5.4-2.

Bild 5.5.5-2. Zentrale Kälteerzeugung mittels Dampfturbine und Turboverdichter (D = Dampfkondensator).

Bild 5.5.5-2 zeigt schematisch eine Kombination von Kälteerzeugung und Fernwärme: Turboverdichter, durch Dampfturbine angetrieben, Dampfkessel versorgt sowohl diese als auch ein Fernwärmenetz, Dampfkondensator und der Verflüssiger der Kälteanlage sind an ein Rückkühlwerk angeschlossen. Häufig auch Fernheizung mit Gegendruckdampf.

DVD 2054

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Welche Primärenergie wirtschaftlich am günstigsten ist, muss in jedem Einzelfall im Rahmen des gesamten Energiebedarfs ermittelt werden. Bei der Bemessung der zu installierenden Leistung ist der Gleichzeitigkeitsfaktor zu beachten, etwa 0,7.

-3

Heiz-Kraft-Kälte-Kopplung

Durch Verbundbetrieb zwischen Wärme-, Kälte- und eventuell Stromerzeugung wird die Wirtschaftlichkeit der Kälteanlage wesentlich erhöht. Ein Beispiel hierfür zeigt Bild 5.5.5-3.

Bild 5.5.5-3. Schaltbild einer Heiz-Kraft-KälteKopplung. A = Absorptionswasserkühlsatz K = Verflüssiger V = Verdampfer

Stromerzeugung mit Gegendruck-Dampfturbine, Abdampf geht in Austauscher für Fernwärmeversorgung und beheizt eine Absorptions-Kälteanlage für das Fernkältenetz. Das hier zirkulierende Kaltwasser kann alternativ oder zusätzlich durch eine elektrisch betriebene Turbokälteanlage gekühlt werden. Da von den beiden Kältemaschinen die eine mit Dampf, die andere mit Strom betrieben wird, ist ein gegenseitiger Belastungsausgleich möglich.

-4

Kaltwassernetz

Vorlauftemperatur 4…5 °C, Rücklauftemperatur 12…15 °C. Spreizung so groß wie möglich wählen, damit umlaufende Wassermenge geringer wird. Beachten: Grenze beim Entfeuchten von Luft, größere Kühlerflächen! Die niedrigsten Kosten ergeben sich bei einer Spreizung von etwa 9 K, z.B. 4 °C Vorlauf- und 13 °C Rücklauftemperatur. Bei den Verbrauchern muss durch Rücklaufbegrenzer dafür gesorgt werden, dass eine bestimmte Rücklauftemperatur nicht überschritten wird. Wassermenge variabel. Isolierung meistens nur bei Vorlaufleitungen erforderlich, häufig auch keine Isolierung. Im allgemeinen zwei getrennte Netze für Fernheizung und Fernkühlung. Unter gewissen Umständen in südlichen Gegenden auch nur ein Netz möglich, das im Winter Heizwasser, im Sommer Kühlwasser führt. Siehe auch Abschn. 5.5.7 s. S. 2058. Abrechnung des Kälteverbrauchs durch Kältezähler mit Grund- und Verbrauchspreis.

-5

Kühlwassernetz

Die großen Verflüssigerleistungen von Fernkälteanlagen verlangen den Einsatz von Rückkühlwerken. Siehe hierzu Abschn. 5.4.8 s. S. 2022. Die Bemessung wird nach Maßgabe einer durchschnittlichen Feuchtkugeltemperatur tf vorgenommen; so z.B. in Mitteleuropa tf=16…17 °C. Bei einer Abkühlung um 5 K ist damit eine optimale Kühlwasser-Vorlauftemperatur von 24 °C erzielbar. Steigt die Feuchtkugeltemperatur auf 21 °C, so liefert das Rückkühlwerk dann Kühlwasser von etwa 27 °C.

5.5.6 Kältemittel-Rohrleitungen

2055 DVD

In manchen Fällen, namentlich bei hohen Wasserpreisen, ist auch die Verwendung eines luftgekühlten Verflüssigers oder eines bei Teillast trocken betriebenen, geschlossenen Rückkühlwerkes in Erwägung zu ziehen. Pumpen regelbar, um die Förderleistung der Netzbelastung anzupassen.

5.5.6

Kältemittel-Rohrleitungen

In Kälteanlagen für direkte Verdampfung müssen die Rohrleitungen für jeden Einzelfall bemessen werden. Bild 5.5.6-1 zeigt eine typische Anordnung. Material: Kupfer, Stahl und deren Legierungen, hauptsächlich jedoch Kupferrohre (DIN EN 12735-1) und Kapillarlötfittings (DIN EN 1254). Rohrleitungen für Ammoniak dürfen jedoch nicht aus Kupfer hergestellt werden. Kältemittelrohrleitungen unterliegen der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG1).

Bild 5.5.6-1. Typisches Schema der Kältemittelleitungen bei einer Anlage für direkte Luftkühlung.

Für die Bemessung der Rohrleitungen für flüssiges oder dampfförmiges Kältemittel gelten grundsätzlich die allgemeinen Regeln der Strömungslehre. Ein Druckabfall tritt in folgenden Leitungen auf: Druckleitung vom Verdichter zum Verflüssiger Flüssigkeitsleitung vom Verflüssiger zum Verdampfer Saugleitung vom Verdampfer zum Verdichter Der Druckverlust in der Druckleitung bewirkt eine Erhöhung des Enddrucks der Verdichtung über den Verflüssigungsdruck hinaus. Das bedeutet Verringerung der Leistungszahl. Druckverlust in der Saugleitung hat eine Verminderung der Förderleistung, damit also der Kälteleistung, zur Folge, weil das spezifische Volumen zunimmt. In der Flüssigkeitsleitung schließlich vom Verflüssiger zum Regelventil besteht die Gefahr der Dampfblasenbildung durch Drosselung, wenn starke Druckverluste bei nur wenig unterkühltem Kältemittel auftreten. Diese Drosseldampfbildung tritt auf, sobald durch Druckabfall der Sättigungszustand erreicht und überschritten wird, also z.B. in den Regel- und Drosselorganen für die Kältemittel-Mengenregelung. In der Leitung davor soll aber reine Flüssigkeit strömen. Für die Berechnung des Druckabfalls gilt allgemein

1)

Kern, H.: Ki 2/90. S. 57/60.

DVD 2056

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

l gl ρ 2 --- w in N/m2 (s. Abschn. 1.4.7 s. S. 331) Δp = λ ---d 2 wd Darin ist die Reibungszahl λ eine Funktion der Reynoldsschen Kennzahl Re = ------- und v lgl die gleichwertige (äquivalente) Rohrlänge. Werte für λ können aus Bild 1.4.6-4 entnommen werden. Kinematische Zähigkeit v für Kältemittel s. Tafel 5.5.6-1. Tafel 5.5.6-1

Kinematische Zähigkeit v (mm2/s) von Kältemitteln

Temperatur °C R 134a-Sattdampf R 134a-Flüssigkeit R 404 A-Sattdampf R 404 A-Flüssigkeit

–10

0

10

20

30

40

1,02 0,23 0,48 0,17

0,74 0,21 0,36 0,15

0,55 0,19 0,28 0,14

0,42 0,17 0,22 0,13

0,32 0,16 0,18 0,11

0,26 0,14 0,14 0,10

Um einerseits den Druckabfall klein zu halten, andererseits die Material- und Verlegungskosten nicht zu hoch zu treiben, werden die Rohrleitungen bei Halogenkältemitteln nach Maßgabe etwa folgender Geschwindigkeiten in m/s bemessen: Saugleitung

Druckleitung

Flüssigkeitsleitung

6…10 8…12

10…12 12…15

0,4…0,6 0,4…0,6

R 134a R 404 A

Ölrückführung1) Für störungsfreien Betrieb ist auch die fachgerechte Verlegung der Rohrleitungen wichtig. Besonders zu beachten ist dabei die Ölrückführung. Bei allen öllöslichen Kältemitteln besteht die Gefahr, dass das aus dem Verdichter mitgerissene Öl sich an geeigneten Stellen ansammelt und nicht mehr in den Kreislauf zurückkehrt. Bei steigenden Saugleitungen dürfen gewisse Geschwindigkeiten nicht unterschritten werden (5…6 m/s), namentlich bei Teillast. Sogenannte Ölfallen in den Saugleitungen sammeln Öl an. Sobald die Falle voll ist, wird durch den Unterdruck das Öl hochgesaugt und fällt von oben in die Saugleitung (Bild 5.5.6-2).

Bild 5.5.6-2. Ölfalle in der Saugleitung des Verdichters.

Bei senkrechten Flüssigkeitsleitungen muss die statische Druckhöhe beachtet werden: Ammoniak 0,058 bar/m ≈ 0,15 K/m R 134a 0,115 bar/m ≈ 0,47 K/m R 404 A 0,098 bar/m ≈ 0,24 K/m R 407 C 0,107 bar/m ≈ 0,28 K/m. Bei geringer Unterkühlung und großem Höhenunterschied tritt dadurch im aufsteigenden Flüssigkeitsstrom eventuell Blasenbildung auf, die die Funktion von Regelventilen beeinträchtigt, daher stärkere Unterkühlung notwendig. Ventile mit Membran- oder Wellrohrdichtung, um ausreichende Dichtheit zu erhalten.

1)

Gottfried, E.: Ki 10/85. S. 387/9.

5.5.6 Kältemittel-Rohrleitungen

2057 DVD

Bild 5.5.6-3. Druckabfall in R-134a-Rohrleitungen aus Kupfer einschl. Fittings (Verflüssigungstemperatur 30…35 °C).

Rasche Ermittlung der Druckverluste und Rohrdurchmesser bei einer mittleren Zahl von Fittings s. Bild 5.5.6-3. Einzelwiderstände (Bogen, T-Stücke, Ventile) machen etwa 2 /3 des Gesamtwiderstandes einer Leitung aus. Gesamtdruckverlust in Saug- und Druckleitungen etwa 0,2…0,3 bar entsprechend Temperaturabfällen von 1…2 K, in Flüssigkeitsleitungen etwa 0,35 bar. Beispiel: · R-134a-Kälteleistung Q 0 = 12 kW, Verdampfungstemperatur t0 = –10 °C. Aus Bild 5.5.6-3 entnimmt man: Flüssigkeitsleitung 15 · 1 mm, Druckgefälle 7 mbar/m; Druckleitung 22 · 1 mm, Druckgefälle 25 mbar/m, Saugleitung 35 · 1,5 mm, Druckgefälle 10 mbar/m.

DVD 2058

5.5.7

5. Kältetechnik / 5.5 Ausführung von Kälteanlagen

Kaltwasser-Rohrnetze

Rohrnetze werden überwiegend aus Stahlrohren oder Kupferrohren hergestellt. Die Druckverlust-Berechnung der Rohrnetze erfolgt analog den Heizungsrohr-Netzen (Abschn. 2.4.4 s. S. 1132). Falls Frostschutzmittel zugesetzt wird, muss erhöhte Zähigkeit beachtet werden (Abschn. 5.3.4 s. S. 1985). Manometer, Ausdehnungsgefäß und Sicherheitsventil (Abschn. 2.3.6-5.2 s. S. 997) bei geschlossenen Anlagen sind vorzusehen. Das Ausdehnungsgefäß muss die Schrumpfung des Wassers oder der Sole im Rohrnetz bei kalten Temperaturen ausgleichen, damit gegenüber dem Füllzustand der Anlage bei Umgebungstemperatur im Kühlbetrieb kein Unterdruck in der Anlage auftritt. Auslegung eines Membran-Ausdehnungsgefäßes1) analog Abschn. 2.3.6-5 s. S. 987, jedoch mit folgenden zusätzlichen Randbedingungen (Bild 5.5.7-1).

Bild 5.5.7-1. Druck-/Volumen-Verhältnisse im Ausdehnungsgefäß. Legende siehe Text.

Es bedeuten (alle Drücke in bar, absolut): pSV = Ansprechdruck des Sicherheitsventils (SV) pH = Höchst-Arbeitsdruck beim Füllen der Anlage bei Umgebungstemperatur, dieser soll 0,5 bar unter dem Ansprechdruck des SV liegen. pM = Mindestarbeitsdruck bei tiefster Temperatur, dieser soll etwa 0,5 bar über pV liegen, damit auch bei tiefster Temperatur noch eine Reservemenge Wasser im A-Gefäß bleibt. pV = Vordruck des A-Gefäßes, dieser soll über dem Atmosphärendruck liegen, damit nicht Luft eindringt. pV muss größer als die statische Druckhöhe Hstat sein. Vn = Bruttoinhalt des A-Gefäßes Vnm = Stickstoffvolumen bei pM V = Ausdehnungsvolumen des Wasser- oder Sole-Inhalts der Anlage. Wegen p · V = konst (nach Boyle-Mariotte) gilt mit Bild 5.5.7-1: Vnm · pM = (Vnm – V) · pH und

Vnm · pM = Vn · pV

Daraus folgt der Bruttoinhalt (Nennvolumen) des A-Gefäßes pM ⋅ pH Vn = -------------------------------· V in l, wenn V in l. pV ( pH – pM )

1)

Buddy, P.: Ki 6/75. S. 191/6. Hansen, W.: Oel+Gasfg. 5/77. 4 S.

5.5.7 Kaltwasser-Rohrnetze

2059 DVD

Beispiel: Gesamtinhalt der Anlage 800 l. Frostschutz bis –20 °C; entsprechend 34 Vol.-% Antifrogen (Bild 5.3.3-1). Statische Höhe der Anlage 4 m, daher gewählt: Vordruck des A-Gefäßes pV = 0,5 bar Überdruck = 1,5 bar absolut. Höchste Temperatur der Anlage (= höchste Umgebungstemperatur) 30 °C. Mindest-Arbeitsdruck pM = 1 bar Überdruck, d.h. 0,5 bar über pV pM = 2 bar absolut. Ansprechdruck des SV pSV = 3 bar Überdruck = 4 bar absolut. Fülldruck pH der Anlage bei 30 °C, 0,5 bar unter pSV pH = 3,5 bar absolut. Ausdehnung nach Bild 5.3.3-3 = 1,5%. Ausdehnungsvolumen V = 800 · 0,015 =12 l. Bruttoinhalt des A-Gefäßes 2 ⋅ 3 ,5 Vn = --------------------------------- · 12 = 37,3 l. 1 ,5 ⋅ ( 3 ,5 – 2 ) Gewählt: Ausdehnungsgefäß Bruttoinhalt (Nennvolumen) 50 l, Vordruck 0,5 bar. Falls das Rohrnetz gedämmt wird, ist Schwitzwasserbildung zu beachten, deshalb diffusionsdichte Dämmstoffe aus z.B. Schaumstoff (Armaflex, Misselfix) verwenden oder dampfdichte Umhüllung.

DVD 2060

5.6

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Grundlage ist die Berechnung der Kühllast für alle zu kühlenden Räume gemäß Abschn. 3.5.3 s. S. 1623. Für Auslegung und Dimensionierung der Kälteanlage ist es meistens erforderlich, zusätzlich den Tagesgang und den Jahresgang der Kühllast zu ermitteln. Deren Darstellung kann in numerischer oder graphischer Form, sogenannten Histogrammen, erfolgen, und zwar für den Tagesgang über der Uhrzeit, häufig als Balkendiagramm (s. Bild 5.6.1-1) für den Jahresgang über der Außenlufttemperatur, meistens als Kurve (s. Bild 5.6.3-2).

Bild 5.6.1-1. Beispiel eines Kühllast-Tagesganges.

5.6.1 -1

Dimensionierung der Kälteanlage Luftkühlanlagen für direkte Kühlung

Derartige Anlagen gemäß Abschn. 5.5.2 s. S. 2032 werden fast ausschließlich eingesetzt für Räume mit gleichem Tages- und Jahresgang der Kühllast. Die Dimensionierung erfolgt nach der maximal auftretenden Gesamtkühllast bei der dabei maximal zu erwartenden Außenlufttemperatur für den luftgekühlten Verflüssiger oder das Rückkühlwerk. Sollen Räume mit unterschiedlichem Tagesgang versorgt werden, so müssen getrennte Temperaturregelkreise und geeignete Regelmöglichkeiten der Kälteanlage vorgesehen werden. Die Kälteleistung ist nur noch die Summe der gleichzeitig auftretenden Kühllasten. Möglichkeiten zum Speichern von Kälteenergie gibt es hier praktisch nicht, zur Wärmerückgewinnung und zum Wärmepumpenbetrieb s. Abschn. 5.6.5 s. S. 2080.

-2

Indirekte Kühlung – Wasserkühlanlagen

Nach diesem System gemäß Abschn. 5.5.3 s. S. 2035 arbeitet die Mehrzahl aller größeren Kälteanlagen in der Klimatechnik. Für die Dimensionierung der Kälteanlage gilt die erste Prüfung dem Tagesgang der Kühllast. Zeigt dieser ausgesprochene Spitzen wie nur wenige Stunden dominierende Sonneneinstrahlung, Beispiel Bild 5.6.1-1, oder nur wenige Stunden dominierende Innenlast, Beispiel Theateraufführung, so sind die Einsatzmöglichkeiten einer Kältespeicheranlage zu überprüfen, s. Abschn. 5.6.4 s. S. 2073. Bei normalen Dauerbelastungen darf die Dimensionierung nicht nach der Summe aller maximalen Kühllasten erfolgen, da die Kälteanlage dann meistens viel zu groß und im

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

2061 DVD

Betrieb unwirtschaftlich wird. Es muß vielmehr über den Tagesgang aller einzelnen Räume oder Zonen die Kühllast ermittelt werden, die maximal gleichzeitig auftreten kann. Für ein langgestrecktes Gebäude mit einer Ost- und einer Westfassade könnte sich z.B. ergeben: Klimaanlage Dauer-Grundlast Sonneneinstrahlung 8 Uhr Sonneneinstrahlung 16 Uhr Installierte Kühllast

Zone Ost 100 kW 300 kW 0 kW 400 kW

Zone West 100 kW 0 kW 300 kW 400 kW

Die Kälteanlage muß die Grundlast beider Zonen decken, die Sonneneinstrahlung jedoch nur für eine Zone, da sie nicht gleichzeitig auftritt. Damit reicht für die installierte Kühllast von 800 kW eine Kälteanlage mit einer Kälteleistung von 500 kW völlig aus. Bei erheblichem Anteil sonnenbestrahlter Fenster in der Westfassade liegt das Kühllastmaximum meistens zwischen 15 und 16 Uhr und trifft zusammen mit dem zu dieser Zeit auch maximalen Wert der Außenlufttemperatur, der für den luftgekühlten Verflüssiger oder das Rückkühlwerk bei Volllast anzusetzen ist.

5.6.2

Teillastverhalten von Kältemaschinen

Kälteanlagen für die Klimatechnik sind besonders großen Lastschwankungen ausgesetzt. Die volle Kälteleistung wird nur an den – in Mitteleuropa seltenen – sehr heißen Tagen benötigt, und auch dann nur über wenige Stunden. Ansonsten läuft die Anlage bei Teillast, und dies bis herunter zu unter 10%. Das Teillastverhalten der Kältemaschinen ist damit für die Wirtschaftlichkeit und für die Betriebssicherheit von besonderer Bedeutung.

-1

Einfluß der Verflüssigungstemperatur

Das Verhalten einer Kältemaschine bei Veränderungen der Verdampfungstemperatur to und der Verflüssigungstemperatur tc ist in Bild 5.4.1-3 und Bild 5.4.1-4 gezeigt. Alle folgenden Betrachtungen gelten in gleicher Größenordnung auch für alle anderen gängigen Kältemittel. Wenn bei einer zunächst als konstant angenommenen Verdampfungstemperatur von 0 °C die Verflüssigungstemperatur im Volllastbetrieb bei 60 °C liegt, so ergibt sich aus Bild 5.4.1-4 eine Kälteleistung von 350 Watt pro m3/h geometrischen Fördervolumens des Verdichters und eine Leistungszahl von εK = 2,2. Sinkt die Verflüssigungstemperatur, z.B. infolge fallender Außenlufttemperatur am luftgekühlten Verflüssiger, auf 40 °C, so ergibt sich aus Bild 5.4.1-4 eine Kälteleistung von 460 Watt pro m3/h, also das 1,31fache gegenüber der Volllast-Auslegung, und das bei einer Leistungszahl von εK = 3,7. Es wird also je kWh Energieverbrauch das 1,68fache an Kälteleistung erzeugt, bzw. pro kWh Kälteleistung wird nur noch 60% des Energieverbrauchs unter Nennbedingungen benötigt. Dieses Beispiel zeigt den ganz wesentlichen Einfluß der Verflüssigungstemperatur auf die Kälteleistung und auf den Energieverbrauch. Jede Aussage über das Teillastverhalten und jede Wirtschaftlichkeitsberechnung setzt damit voraus, daß der Verlauf der Verflüssigungstemperatur über dem Gang der Außenlufttemperatur und über dem Lastverlauf bekannt ist. Der Absenkung der Verflüssigungstemperatur sind betriebliche Grenzen gesetzt, da zur Funktion der Kälteanlage, hier insbesondere der Expansionsventile, Mindestwerte erforderlich und vom Hersteller vorgeschrieben sind, die nicht unterschritten werden dürfen. Gemäß Abschn. 5.2.1-3 s. S. 1958 steht das Gesamtsystem einer Kältemaschine immer im Gleichgewicht. Das bedeutet, daß eine Steigerung der Kälteleistung durch niedrigere Verflüssigungstemperatur ein Absinken der Verdampfungstemperatur nach sich zieht, um die größere Leistung an der Verdampferfläche übertragen zu können. Die Leistungssteigerung wird deshalb nicht ganz so groß, wie vorstehend beschrieben, was jedoch am primären Einfluß der Verflüssigungstemperatur auf das Betriebsverhalten nichts ändert.

DVD 2062

-2

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Einfluß der Wärmeaustauschflächen

Bei einer Flüssigkeitskühlanlage gehört meistens zu einem leistungsgeregelten Verdichter ein bestimmter Verflüssiger und ein bestimmter Verdampfer, die beide für die Volllastbedingungen ausgelegt sind. Bei Teillast des Verdichters müssen diese Wärmeaustauscher nur eine entsprechend geringere Leistung übertragen, die erforderlichen Temperaturdifferenzen werden damit geringer. Unter Benutzung des Schemas nach Bild 5.2.1-5 würde sich damit das Betriebsverhalten zunächst so verändern, wie es als Beispiel in Bild 5.6.2-1 dargestellt ist.

Bild 5.6.2-1. Betriebsverhalten eines Wasserkühlsatzes bei Teillast.

Im Beispiel bringt die Verringerung des Verdichterfördervolumens auf 25% einen Anstieg der Verdampfungstemperatur um etwa 4 K, was nach Bild 5.4.1-4 einer Zunahme der Kälteleistung von 480 auf 570 Watt pro m3/h, also auf das 1,19fache, entspricht. Gleichzeitig fällt die Verflüssigungstemperatur von 38 °C auf 30 °C, was einer weiteren Zunahme der Kälteleistung auf 620 Watt pro m3/h entspricht, also einer Gesamtzunahme auf das 1,29fache. Die sich aus 25% Teillast-Fördervolumen ergebende Kälteleistung beträgt also nicht 25%, sondern 25 · 1,29 = 32%. Der vorstehende Rechengang ist allerdings nur ein erster Näherungsschritt. Die so ermittelten höheren Leistungen erfordern natürlich auch wieder größere Temperaturdifferenzen, so daß durch ein Iterationsverfahren – unter gleichzeitiger Berücksichtigung von Veränderungen der Wärmedurchgangskoeffizienten – der echte Teillast-Betriebszustand ermittelt werden muß. Wesentlich ist, daß die Teillast-Kälteleistung immer deutlich größer ist als das Teillast-Fördervolumen des Verdichters. Da in der Praxis die VerflüssigerWassereintrittstemperatur (im Beispiel 27 °C) auch nicht konstant bleibt, sondern mit fallender Außenlufttemperatur meistens erheblich absinkt, fällt auch die Verflüssigungstemperatur deutlich weiter ab, und die wahre Teillast-Kälteleistung ist noch erheblich größer als im Beispiel errechnet. Es kann vorkommen, daß bei 25% Fördervolumen 50% der Volllast-Kälteleistung erreicht werden. Aus vorstehenden Ausführungen ergibt sich ebenfalls die Notwendigkeit von Regeleingriffen am Verflüssiger, um bei Teillast die erforderliche Mindest-Verflüssigungstemperatur einzuhalten.

-3

Teillastverhalten von Turboverdichtern

Turboverdichter treten in Klima-Kälteanlagen praktisch nur als Teile von Flüssigkeitskühlanlagen auf, also mit zugehörigem Verflüssiger und Verdampfer. Für das Teillastverhalten derartiger Anlagen gilt weltweit der ARI-Standard 550 des Air-Conditioning & Refrigeration Institute der USA. Danach wird das Teillastverhalten gemessen mit den vollen Wärmeaustauschflächen von Verdampfer und Verflüssiger bei einer Kaltwasseraustrittstemperatur von 6,7 °C und Eintrittstemperaturen twE des Verflüssiger-Kühlmediums gemäß Tafel 5.6.2-1. Die hier festgelegten fallenden Eintrittstemperaturen sind erforderlich, da die in der Klimatechnik üblichen Turboverdichter mit Dralldrossel-Regelung nicht in der Lage sind, beim Nennlast-Verflüssigungsdruck Teillast zu fahren.

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen Tafel 5.6.2-1

2063 DVD

Kühlmedium-Eintrittstemperatur tWE nach ARI-Standard 550

Für das Teillast-Temperaturverhalten einer wassergekühlten Ausführung ist in Bild 5.6.2-2 ein Beispiel dargestellt. Die geradlinige Darstellung setzt konstante Wärmedurchgangskoeffizienten voraus, was im Verflüssiger etwa zutrifft. Die Verschlechterung der Wärmedurchgangskoeffizient im Verdampfer ist annähernd berücksichtigt durch eine Rest-Austrittsdifferenz von 1 K bei Nulllast. Aus diesem Temperaturverhalten ergeben sich, unter Benutzung der Aussagen bzw. Grundlagen von Bild 5.4.1-4, die in Bild 5.6.2-3 gezeigten Veränderungen: Mit geringer 3 werdender · Teillast steigt die Kälteleistung je m /h geometrischen Fördervolumens – Faktor fV h – auf das 1,34fache bei 10% Teillast. Gleichzeitig erhöht sich die VolllastLeistungszahl – Faktor fεARI – auf das 2,8fache bei 10% Teillast (konstanter Carnotscher Gütegrad vorausgesetzt).

Bild 5.6.2-2. Teillast-Temperaturverhalten nach ARI-Standard 550 (wassergekühlt). Grundlagen: Kühlwassereintrittstemperatur · tWE Kühlwassermassenstrom m W ARI 550Volllast-Spreizung tWA – tWE Volllast Austrittsdifferenz tC – tWA Kaltwasseraustrittstemperatur tKA · Kaltwassermassenstrom m K Proportionalband Regelung ergibt bei Nullast tKA Volllast-Spreizung tKE – tK Volllast-Austrittsdifferenz tKA – to

= Tafel 5.6.2-1 (ARI 550) = konstant nach = 5,5 K nach ARI 550 = 4,5 K angenommen = + 6,7 °C nach ARI 550 = konstant nach ARI 550 = 1 K angenommen, = + 5,7 °C = 5 K angenommen = 5 K angenommen

DVD 2064

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.2-3. Auswirkung Temperaturverhalten Bild 5.6.2-2.

Bild 5.6.2-4. Teillastverhalten von Turboverdichtern.

Von den Herstellerfirmen wird für Turboverdichter-Flüssigkeitskühler das Teillastverhalten meistens als Diagramm – Energieverbrauch P in % über Kälteleistung Qo in % – angegeben, natürlich bezogen auf die gemäß ARI-Standard 550 fallende Verflüssigungstemperatur. Ein Beispiel einer Herstellerkurve für wassergekühlte Ausführung zeigt die ausgezogene Kurve in Bild 5.6.2-4. Zum Vergleich ist zusätzlich gestrichelt eingetragen der theoretische Energieverbrauch, der sich aus Bild 5.6.2-3 ergibt zu Q˙ o [ % ] 1 Ptheor. = ------------ ⋅ ---------------f ε ARI 100 Aus beiden Kurven ergibt sich, ebenfalls gestrichelt eingetragen, der Teillast-Wirkungsgrad des betreffenden Turboverdichters zu ηTK = P/Ptheor. Die schlechten Wirkungsgrade bei kleiner Teillast erklären sich mit daraus, daß das · prozentuale Fördervolumen noch um den Faktor f V h kleiner ist als die prozentuale Kälteleistung. Im Beispiel nach Bild 5.6.2-3 ergibt sich · · · Q o = 20%, f V h = 1,30, V h = 20 / 1,30 = 15,4% Bei diesen niedrigen Volumenströmen ist ein Turboverdichter an der Grenze seines Einsatzbereiches.

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

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2065 DVD

Teillastverhalten von Schraubenverdichtern

Für die in der Klimatechnik eingesetzten Flüssigkeitskühlanlagen mit Schraubenverdichtern gilt ebenfalls der ARI-Standard 550 mit den gleichen Temperaturwerten wie für Turboverdichter. Das Teillastverhalten wird von den Herstellerfirmen auch hier meistens als Diagramm – Energieverbrauch in % über Kälteleistung in % – angegeben, ein Beispiel für wassergekühlten Betrieb zeigt die ausgezogene Kurve in Bild 5.6.2-5. Die benutzte Herstellerangabe führt zu einer praktisch gleichen Kurve wie in Bild 5.6.2-4 die dort benutzte Herstellerangabe für den Turboverdichter, was jedoch nicht für alle Herstellerangaben zutreffen muß. Schraubenverdichter haben auch einen großen Anwendungsbereich in der industriellen Kältetechnik, wofür Teillastangaben nach ARI-Standard 550 ungeeignet sind. Teillastangaben werden hier nur auf den Verdichter bezogen bei konstanter Verdampfungs· · temperatur to und konstanter Verflüssigungstemperatur tc, wobei auch der Wert Q o /V h (Bild 5.4.1-3) konstant bleibt. Eine derartige Kurve ist für den gleichen Verdichter inBild 5.6.2-5 gestrichelt eingetragen und zeigt so deutlich den Einfluß der kältetechnischen Betriebsbedingungen, die also beim Vergleich unterschiedlicher Herstellerangaben unbedingt berücksichtigt werden müssen. Da sich bei konstantem to und tc die kältetechnischen Betriebsdaten nicht ändern, ergibt sich· aus der gestrichelten Kurve direkt der Teillast-Wirkungsgrad des Verdichters zu ηTK = Q o in % /P in %, der ebenfalls als gestrichelte Linie in Bild 5.6.2-5 eingetragen ist. Zu beachten ist in Bild 5.6.2-5 die unterschiedliche Bedeutung der Abszissenteilung: Nur bei konstantem to und tc entspricht die Kälteleistung in % dem Fördervolumen in %. Sobald die Differenz tc – to bei Teillast kleiner wird, ist die Teillast-Kälteleistung in % größer als der Teillast-Volumenstrom in %. Für eine Umrechnung s. Abschn. 5.6.2-5 s. S. 2065.

Bild 5.6.2-5. Teillastverhalten von Schraubenverdichtern.

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Teillastverhalten von Hubkolbenverdichtern

Der für Flüssigkeitskühler mit Hubkolbenverdichtern geltende ARI-Standard 590 gibt erst in der neuesten Ausgabe von 1986 neben den gleichen Bedingungen für die Nennleistungsangaben auch den gleichen Teillast-Temperaturgang wie der ARI-Standard 550 (s. Tafel 5.6.2-1). Früher wurden, und häufig werden auch heute noch, die Verdichter-Teillastdaten ange· geben, bezogen auf das Teillast-Fördervolumen V h und bei konstanten Temperaturen to und tc. Die übliche Leistungsregelung durch Abschalten von Zylindern ergibt keine stetige Regelung mehr, die Teillastdaten werden in Stufensprüngen angegeben je nach verbleibendem Fördervolumen (Zylinderzahl). Einen Mittelwert aus verschiedenen Stufensprungangaben mehrerer Hersteller zeigt die durchgezogene Linie P in Bild 5.6.2-6 für halbhermetische Verdichter mit Leistungsregelung durch Abheben der Saugarbeitsventile. Aus dieser Kurve ergibt sich der ebenfalls eingetragene Teillast-Wirkungs-

DVD 2066

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

·

grad ηTK = Q o in % /P in %. Beide Kurven sind praktisch gleich mit den entspr. Kurven für den Schraubenverdichter in Bild 5.6.2-5. In Bild 5.6.2-6 ist ferner gestrichelt eingetragen die bei nicht regelbaren Verdichtern verwendete Heißgas-Bypass-Regelung mit dem Energieverbrauch von konstant 100% (bei konstantem to und tc ) und dem sich daraus ergebenden Teillast-Wirkungsgrad ηTK–HGBP.

Bild 5.6.2-6. Teillastverhalten von Hubkolbenverdichtern.

Alle Angaben in Bild 5.6.2-6 sind bezogen auf den ungünstigsten, praktisch kaum auftretenden Fall konstanter Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur über den ganzen Teillastbereich. Sie sind deshalb nicht vergleichbar mit den Angaben für Turbo- und Schraubenverdichter nach ARI-Standard 550. Bei veränderlichen Temperaturen muß umgerechnet werden gemäß den nachfolgenden Hinweisen. Es ist zunächst der Verlauf der Eintrittstemperatur tWE des Verflüssiger-Kühlmediums über dem Teillastverlauf der Kälteleistung zu ermitteln (sowie, wenn nicht konstant, auch der Verlauf der Kaltwasser-Austrittstemperatur tKA ) sowie alle Temperaturdifferenzen bei Volllast. Daraus ergibt sich, wenn der Verdichter auf nur ihm zugehörige Wärmeaustauschflächen arbeitet, ein ähnliches Verhalten, wie es in Bild 5.6.2-2 und Bild 5.6.2-3 für den Temperaturverlauf nach ARI-Standard 550 entwickelt und dargestellt ist. Für den weiteren Rechengang werden – als Beispiel – diese zwei Bilder benutzt. Der nächste Schritt ist die Ermittlung der tatsächlichen Kühllaststufen. Hierfür wird als Beispiel gewählt ein 8-Zylinder-Verdichter mit der Stufung: 8 zyl. = 100%, 6 zyl. = 75%, 4 zyl. = 50%, 2 zyl. = 25% des geometrischen Fördervolumens. Unter den Temperaturbedingungen · von Bild 5.6.2-2 (ARI 550, wassergekühlt) gibt Bild 5.6.2-3 den Korrekturfaktor f V h an, um den sich die Kälteleistung je m3/h geometrischen Fördervolumens erhöht. Für die als Beispiel gewählte Verdichterstufung ergibt sich damit der Rechengang nach Tafel 5.6.2-2. Tafel 5.6.2-2

Beispiel einer Teillastberechnung für Hubkolbenverdichter

· Vh %

f Vh

·

Qo %

Q okorr. %

·

ηTK %

f εARI

P %

100 75 50 25

1,00 1,07 1,17 1,28

100 80 59 32

100 80 58 31

100 94 84 64

1,00 1,12 1,40 1,96

100 76 49 25

Beispiel Bild 5.6.2-6

Beispiel Bild 5.6.2-3

Beispiel Bild 5.6.2-3

·

5.6.2 Teillastverhalten von Kältemaschinen

·

2067 DVD

·

Die Multiplikation des Teillast-V · h mit dem zugehörigen Faktor f V h ist der erste Näherungsschritt für· das Teillast-Q o. Da zur so ermittelten erhöhten Teillast wieder ein kleinerer Faktor fV h gehört, sind weitere · Iterationsschritte erforderlich. Sie bringen jedoch, wie das entsprechend ermittelte Q okorr. in der folgenden Spalte zeigt, nur noch geringfügige Veränderungen. Der Teillast-Wirkungsgrad ηTK aus · Bild 5.6.2-6 ist bezogen auf die arbeitende Zylinderzahl und damit auf die erste Spalte V h in %. Der Faktor fεARI wird bei · der Kälteleistung Q o aus Bild 5.6.2-3 (Beispiel nach ARI 550) abgelesen. Damit ergibt sich der Energieverbrauch bei Teillast aus der Gleichung 1 100 P [%] = Qokorr. [%] · ------------ ⋅ --------f ε ARI η TK Die Ergebnisse sind in der letzten Spalte von Tafel 5.6.2-2 angegeben und wurden in Bild 5.6.2-7 mit einer durchgezogenen Kurve verbunden, um ungefähre Aussagen auch für andere Stufensprünge zu ermöglichen. Das echte Betriebsverhalten zeigt die ausgezogene Treppenlinie in Bild 5.6.2-7, wobei der Energieverbrauch in den einzelnen Stufen nur geringfügig absinkt infolge der niedriger werdenden Eintrittstemperatur des Verflüssiger-Kühlmediums. Die Treppenkurve darf allerdings nicht zu der falschen Aussage verleiten, daß der Verdichter bei z.B. 81% Kälteleistung einen relativen Energieverbrauch von 97% hätte. Da es sich um eine nicht stetige Regelung handelt, ist es vielmehr so, daß in diesem Betriebspunkt noch alle 8 Zylinder arbeiten, der Verdichter also 100% Kälteleistung erbringt. Der geringere Bedarf an Kälteleistung wird durch Zu- und Abschalten der jeweiligen Zylinder erreicht, also durch Pendeln zwischen den realen Betriebspunkten von z.B. 80% und 100%. Korrigiert man z.B. bei 81% Kälteleistung den abzulesenden Leistungsbedarf von 97% bei laufender Volllaststufe mit deren Einschaltdauer von nur 81%, so ergibt sich der reale Wert von 79%, der praktisch auf der durchgezogenen Kurve liegt. Das ist damit nur geringfügig höher als bei den Turbo- und Schraubenverdichtern unter gleichen Betriebsbedingungen.

Bild 5.6.2-7. Teillastverhalten von Hubkolbenverdichter-Wasserkühlsätzen unter Ansatz von ARI-Standard 550.

Das Ergebnis dieses Rechenganges für die verdichterbezogenen Teillastangaben, PARI in Bild 5.6.2-7, entspricht der Teillastangabe gemäß neuem ARI-Standard 590-86. Bild 5.6.2-6 und Bild 5.6.2-7 zeigen deutlich den Unterschied: Bei 30% Kälte-Teillast geht der Energieverbrauch von 45% (bezogen auf Verdichter) auf 25% (bezogen auf neuen ARIStandard) zurück. Mit dem gleichen Rechengang lässt sich auch das Verhalten der Heißgas-Bypass-Regelung auf das im Beispiel gewählte Temperaturverhalten umrechnen. Das Ergebnis ist in Bild 5.6.2-7 als gestrichelte Linie eingetragen und zeigt im Vergleich mit Bild 5.6.2-6 ganz deutlich den gravierenden Einfluß der Betriebsbedingungen auf das Teillastverhalten.

DVD 2068

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5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Teillastverhalten von Absorptionskältemaschinen

Der für Absorptionsmaschinen für die Klimatechnik gültige ARI-Standard 560-92 gibt für den Kühlwassereintritt den gleichen Temperaturgang vor, wie in Tafel 5.6.2-1 für ARI-Standard 550 (wassergekühlt) gezeigt. Eine entsprechende Herstellerangabe für dieses Teillastverhalten zeigt die durchgezogene Linie in Bild 5.6.2-8. Die gestrichelte Linie zeigt das Verhalten derselben Maschine, wenn die Kühlwassereintrittstemperatur konstant bei 29,4 °C bleiben würde.

Bild 5.6.2-8. Teillastverhalten von Absorptionskältemaschinen

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Teillastverhalten im Wärmepumpenbetrieb

Die Berechnung des Teillastverhaltens wird hier noch wesentlich schwieriger, da jede Änderung der Antriebsleistung P auch eine Änderung der Wärmeabgabe QC nach sich zieht, denn QC = Qo + a · P, s. Abschn. 5.2.1-2 s. S. 1965. Daraus, und aus den Ausführungen in Abschn. 5.2.1-4 s. S. 1960, ergeben sich folgende Gleichungen: Teillastwirkungsgrad im Wärmepumpenbetrieb ε KV ⋅ η TK + a - in %/100 ηTW = ------------------------------ε KV + a Dabei ist: εKV = Volllast-Leistungszahl der Kältemaschine unter den im Teillast-Betriebspunkt herrschenden Temperaturen to und tc (z.B. aus Bild 5.4.1-3) ηTK = Teillast-Wirkungsgrad im Kühlbetrieb, bezogen auf das Teillast-Fördervolu· men V h des Verdichters (z.B. aus Bild 5.6.2-5 oder Bild 5.6.2-6) in %/100 a = ca. 0,9, s. Abschn. 5.2.1-3 s. S. 1958 Weiterhin entspricht der Teillast-Prozentsatz der Heizleistung QC nicht mehr dem Prozentsatz der Kälteleistung, vielmehr gilt die Gleichung a 1 + ---------------------ε KV ⋅ η TK Q oT Q CT ---------- = --------- ⋅ -------------------------------Qo aQC 1 + -------ε KV Dabei ist QCT /QC = gesuchter Teillast-Prozentsatz der Heizleistung QoT /Qo = vorgegebener Teillast-Prozentsatz der Kälteleistung Wohin diese Zusammenhänge führen, sei an einem Beispiel für einen Hubkolbenverdichter kurz dargestellt: Annahme: tc = 50 °C = konstant to = 0 °C = konstant a· = 0,9 = konstant · V h = 25% (bei konstantem tc und to ist auch Q o = 25%) Daraus ergibt sich: Aus Bild 5.4.1-4: εKV = 2,8

5.6.3 Auslegung der Kälteanlage

2069 DVD

Aus Bild 5.6.2-6: ηKV = 65% bzw. 0,65 Damit wird: 2 ,8 ⋅ 0 ,65 + 0 ,9 ηTW = ------------------------------------ = 0,735 2 ,8 + 0 ,9 0 ,9 1 1 + ------- ⋅ ---------Q CT 25 2 ,8 0 ,65 ---------- = -------- ⋅ -------------------------------- = 28,3% 100 1 + 0 ,9 ⁄ 2 ,8 QC

·

Bei konstantem tc und to geht also bei 25% V h die Wärmeabgabe nur auf 28,3% zurück. Der Energieaufwand dafür beträgt 28,3 / 0,735 = 38,5%. Sind tc und to nicht konstant, so muß zunächst deren Verlauf über dem Lastverlauf und dem Gang der Außenluftttemperatur ermittelt oder festgelegt (geregelt) werden. Daraus ergeben sich Temperaturkurven ·gemäß den für Bild 5.6.2-2 erläuterten Bedingungen. Aus diesen sind die Faktoren f V h und f εK zu ermitteln, wie im Rechengang zu Bild · 5.6.2-3 beschrieben. Nächster Schritt ist die Ermittlung von ηTK in Abhängigkeit von V h für den gewählten Verdichter· (Herstellerangabe bzw. Bild 5.6.2-5 oder Bild 5.6.2-6) so· wie der Teillastverlauf von Q o über V h , wie im Rechengang zu Bild 5.6.2-7 dargestellt. Erst damit sind die Grundlagen gegeben zur Ermittlung des Teillastverhaltens im Wärmepumpenbetrieb.

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Aussagen zum Teillastverhalten

Die angeführten Beispiele sollten zeigen, wie stark sich Auslegung und Betriebsverhältnisse – insbesondere die Zuordnung der Wärmeaustauschflächen und der Gang der Verflüssigungstemperatur – auf das Teillastverhalten auswirken und mit welchen Rechenmethoden diese Einflüsse zu erfassen sind. Die sehr günstigen Teillastwerte nach den ARI-Standards sind oft nicht zu erreichen, z.B. wenn für die Funktion der Expansionsventile höhere Verflüssigungsdrücke vorgeschrieben sind. Bei Wärmerückgewinnungsbetrieb der Kältemaschinen (s. Abschn. 5.6.5 s. S. 2080) muß meistens die Verflüssigungstemperatur auf einem relativ hohen Wert konstant gehalten werden (Achtung: Geht nicht bei Turboverdichtern!), das Teillastverhalten ist dann nur wenig günstiger als das verdichterbezogene bei konstantem tc und to. Das reale Teillastverhalten ergibt sich nur aus dem tatsächlichen Gang der Verdampfungsund Verflüssigungstemperatur. Für eine genaue Berechnung des Teillastverhaltens müssen also zunächst diese Voraussetzungen ermittelt und berechnet werden. Dann sind für das gewählte Fabrikat und Modell die entsprechenden Teillastangaben in % zu beziehen auf die Volllast-Leistungszahl, um den echten Teillast-Energieverbrauch in kW zu ermitteln. Für eine Wirtschaftlichkeitsberechnung ist dieser dann im Jahresgang aufzutragen, s. Abschn. 5.6.3-4 s. S. 2072. Die Beispiele zeigen außerdem, daß das Teillastverhalten von Turbo-, Schrauben- und Hubkolbenverdichtern praktisch gleich ist – anderslautende Aussagen resultieren aus unzulässigem Vergleich von Angaben bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Qualitätsunterschiede verschiedener Fabrikate können größeren Einfluß haben als die unterschiedlichen Verdichterbauarten. Besonders wichtig für die Wirtschaftlichkeit ist die Auslegung auf eine hohe Volllast-Leistungszahl. Aus dem Rechengang nach Abschn. 5.6.2-2 s. S. 2062 ergibt sich auch, daß es meistens günstiger ist, zwei Flüssigkeitskühler parallel mit Teillast zu betreiben als nur einen davon mit Volllast.

5.6.3

Auslegung der Kälteanlage

Um die nach Abschn. 5.6.1 s. S. 2060 ermittelte maximale Kälteleistung zu erbringen, sind verschiedene Auslegungen hinsichtlich Verdichterbauart und Leistungsaufteilung möglich, um eine gute Anpassung an die Erfordernisse der jeweiligen Klimaanlage sowie möglichst niedrige Betriebskosten zu erreichen. Die folgenden Abschnitte sollen die verschiedenen Einflußgrößen zeigen sowie die Methodik zu ihrer Beurteilung.

DVD 2070

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5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Investitionskosten

Die Anschaffungskosten von Kälteanlagen für direkte Kühlung schwanken außerordentlich, da infolge der Lieferung in einzelnen Komponenten und ihrer Montage am Aufstellungsort der Lohnkostenanteil hoch ist und in starkem Maße von den Einbauverhältnissen abhängt. Bei Wasserkühlsätzen sind die Schwankungen relativ gering. Bild 5.6.3-1 gibt Richtwerte für wassergekühlte Kälteanlagen. Bei Luftkühlung liegen die Kosten noch etwas höher.

Bild 5.6.3-1. Durchschnittliche spezifische Anschaffungskosten von Kälteanlagen und Wasserkühlsätzen (2002). Die Linien stellen den oberen Bereich eines ± 10%-Bandes dar. Basis: Kaltwasseraustrittstemperatur 6 °C Kühlwassereintrittstemperatur 27 °C

Je tiefer die mittlere Kaltwassertemperatur gewählt wird, desto höher die Anschaffungskosten der Kälteanlage, desto niedriger andererseits die Kosten für die Luftkühler. Beim Preisvergleich verschiedener Angebote sei auf zwei Punkte besonders hingewiesen: 1. Durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers oder der Luft können hohe Wärmedurchgangszahlen erreicht werden und damit relativ kleine, preisgünstige Wärmeaustauscher. Dafür wird jedoch die erforderliche Pumpen- bzw. VentilatorLeistung höher, der negative Einfluß zunehmender Verschmutzung größer, und bei geringer Überschreitung der zugrunde gelegten Massenströme entsteht bereits Erosions- und Kavitationsgefahr. 2. Der Ansatz einer höheren Verflüssigungstemperatur (diese ist im Angebot meistens nicht angegeben) führt zu kleineren und damit preisgünstigeren Verflüssigern, ergibt jedoch eine geringere Leistungszahl und damit einen höheren spezifischen Energieverbrauch. Derart preisgünstige Geräte haben ihre Berechtigung für Anlagen mit wenigen Betriebstagen im Jahr, z.B. in Messe- und Ausstellungshallen, da hier in den Jahres-Gesamtkosten die Amortisation überwiegt. Bei Anlagen für Dauerbetrieb ist jedoch auf eine möglichst hohe Leistungszahl und geringen Energieverbrauch der Hilfsbetriebe (Pumpen, Ventilatoren etc.) zu achten, um die Jahres-Betriebskosten niedrig zu halten.

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Leistungsaufteilung

Obgleich eine einzige große Anlage die niedrigsten Investitionskosten ergibt, wird die Kälteleistung meistens auf mehrere Kälteanlagen aufgeteilt. Wichtigster Grund, und gleichzeitig Grundlage für die Art der Aufteilung, ist der Jahresgang der Kühllast in Verbindung mit der Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) der Außenlufttemperatur am Aufstellungsort. Anhand eines einfachen Beispiels soll das Prinzip dieses Rechenganges dargestellt werden: Bild 5.6.3-2 zeigt im oberen Bildteil den Verlauf der Kühllast und, gestrichelt, des Heizwärmebedarfs eines Gebäudes über der Außenlufttemperatur. Die Summenkurven können sich aus einer oder mehreren raumlufttechnischen Anlagen zusammensetzen sowie aus zusätzlichen statischen Kühl- und Heizflächen. Für die Sonneneinstrahlung und andere variable Lasten ist dabei nur der Tagesmaximalwert einzusetzen, der bei der jeweiligen Außentemperatur zu erwarten ist, s. Abschn. 5.6.1-2 s. S. 2060. In gleicher Form lässt sich auch die Kühllastsumme von Anlagen unterschiedlicher Betriebscharakteristik darstellen, nur wird das Bild dann etwas komplizierter.

5.6.3 Auslegung der Kälteanlage

2071 DVD

Bild 5.6.3-2. Kühllastverlauf über Außentemperatur und Jahresdauerlinie.

Diese Kühllastkurve wird in Beziehung gesetzt zur im unteren Bildteil dargestellten Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) der Außenlufttemperatur. Im Beispiel wurde die Kurve für Berlin, nur Tagbetrieb von 7 bis 18 Uhr, aus Bild 1.1.2-6 gewählt, jedoch mit der Außentemperatur auf der auch für die Kühllastkurve gültigen waagerechten Achse. Aus der Kombination beider Diagramme lässt sich direkt ablesen, daß im Beispiel eine Kälteleistung von mehr als 700 kW nur während ca. 300 Stunden pro Jahr benötigt wird, und das auch nur, wenn gleichzeitig die Sonne scheint. Andererseits steht die Innenlast des Beispiels von 200 kW durch Personen und Energieverbraucher das ganze Jahr hindurch an, wenn sie nicht bei tieferen Außentemperaturen durch freie Kühlung, s. Abschn. 3.6.8-4 s. S. 1793, abgefahren wird. Wenn man für die Gesamtleistung von 1000 kW eine einzige Kältemaschine vorsieht, würde diese praktisch nie mit Volllast betrieben, jedoch relativ lange mit einer Teillast von nur 20% bzw. bei freier Kühlung sogar bis herunter zu 0%. Im Beispiel wurde deshalb eine Aufteilung gewählt auf einen Wasserkühlsatz von 700 kW mit Turbo- oder Schraubenverdichter und einen Wasserkühlsatz von 300 kW mit Schrauben- oder Hubkolbenverdichter, mit folgendem Ergebnis: In der Spitzenlast oberhalb 700 kW, über ca. 300 hs/a, laufen beide Wasserkühlsätze, der größere dabei durchgehend mit Volllast. Unter 700 kW läuft nur noch der größere, bis herunter zu einer Teillast von 300 kW, entsprechend 43%. Gesamtlaufzeit dieses Wasserkühlsatzes bei dauerndem Sonnenschein 2650 h/a, bei völlig fehlender Sonne 500 h/a. Der echte Wert liegt dazwischen gemäß der anzusetzenden Sonnenscheindauer. Unter

DVD 2072

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

300 kW Kühllast läuft nur noch der kleinere Wasserkühlsatz, bei voller Deckung der Innenlasten über mindestens 1800 h/a und mit einer kleinsten Teillast von 67%. Diese Laufzeit erhöht sich noch um die Reduzierung der Maximallaufzeit des größeren Wasserkühlsatzes infolge geringerer Sonneneinstrahlung und um die Laufzeit von 300 h/a oberhalb 700 kW. Damit werden für beide Wasserkühlsätze etwa gleiche Laufzeiten pro Jahr erreicht. Bei Einsatz freier Kühlung verringert sich die Laufzeit des kleineren Wasserkühlsatzes entsprechend, und die kleinste Teillast geht auf praktisch 0% zurück. Das Beispiel zeigt, wie Jahresgang der Kühllast, Jahresdauerlinie des Aufstellungsortes und tägliche Betriebsdauer zu einer Aufteilung der Kälteanlage führen, die langen Betrieb bei kleinster Teillast vermeidet. Eine vernünftige Aufteilung führt auch zu einer erhöhten Betriebssicherheit, die in vielen Fällen verlangt wird. Wird im vorgenannten Beispiel die Kälteleistung auf 3 gleiche Wasserkühlsätze von je 333 kW aufgeteilt, so wäre mit einem weiteren, gleichen Wasserkühlsatz ausreichend Reserve vorhanden, um den Ausfall eines Aggregates abzusichern. Die Auswahl der Verdichterbauart erfolgt nach den in den Abschnitten 5.4.1 s. S. 1988 und 5.4.2 s. S. 1996 angegebenen Leistungsbereichen, den jeweiligen Investitionskosten und den jeweils erreichbaren Leistungszahlen. Wichtig ist hierbei jedoch auch die kleinste von der Anlage zu erbringende Teillast. Bis zu 20 bis 30% der Nenn-Kälteleistung (abhängig vom Temperaturverlauf, s. Abschn. 5.6.2 s. S. 2061) können Turbo- und Schraubenverdichter stetig, Hubkolbenverdichter durch Ventilabhebung in Stufen heruntergeregelt werden. Kleinere Teillasten sind nur noch durch Ein- und Ausschalten des Verdichters (oder durch Leistungsvernichtung, z.B. Heißgas-Bypass) zu erreichen. Dabei ist einerseits die zulässige Schalthäufigkeit und die erforderliche Mindestlaufzeit, s. Abschn. 5.7.4 s. S. 2092, zu beachten sowie andererseits die Genauigkeitsanforderungen an die Temperaturregelung. Für kleinste Teillasten benutzt man deshalb meistens relativ kleine Wasserkühlsätze mit Hubkolben- oder Spiralverdichtern als unterste Leistungsstufe.

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Wärmerückgewinnung

Schon das einfache Beispiel von Bild 5.6.3-2, oberer Teil, zeigt im Außentemperaturbereich unter 20 °C gleichzeitiges Auftreten von Kühllast und Heizwärmebedarf. Bei Kühllastsummen von Klimazentralen, die Gebäudezonen mit Fenstern nach unterschiedlichen Himmelsrichtungen versorgen, wird dies noch ausgeprägter. Im Beispiel steht aus der Kälteleistung von 200 kW zur Abführung der Innenlasten eine Verflüssiger-Wärmeabgabe von etwa 260 kW (abhängig von der Verflüssigungstemperatur, s. Bild 5.4.3-1) zur Verfügung. Es wäre energetisch sinnlos, diese Wärme über den Kühlturm abzugeben, wenn gleichzeitig Heizwärmebedarf besteht. Um die Verflüssiger-Wärmeabgabe zu Heizzwecken nutzen zu können, sind meistens höhere Austrittstemperaturen des Verflüssiger-Kühlmediums erforderlich als im Kühlbetrieb üblich. Die entsprechend höhere Verflüssigungstemperatur bedingt dann eine geringere spezifische Kälteleistung, und damit u.U. einen etwas größeren Verdichter, sowie eine geringere Leistungszahl und damit einen höheren Energieverbrauch. Trotzdem ist es meistens günstiger, die Abwärme zu nutzen anstatt die entsprechende Wärmemenge getrennt durch zusätzlichen Energieverbrauch zu erzeugen. Wegen der Rückwirkungen auf die Kälteanlage sollte die Wärmerückgewinnung schon bei der Auslegung der Anlage mit eingeplant werden. Für die Ausführung derartiger Systeme s. Abschn. 5.6.5 s. S. 2080.

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Jahres-Energieverbrauch

Grundlage zur Ermittlung des Energieverbrauchs ist ebenfalls die Darstellung in Bild 5.6.3-2. Ergänzend hierzu ist für jede einzelne Kälteanlage der Verlauf der Verflüssigungstemperatur über der Außentemperatur zu ermitteln, erforderlichenfalls unter Zwischenschaltung des Verlaufs der Kühlwasser-Eintrittstemperatur in Abhängigkeit von der Regelcharakteristik der Rückkühlwerke. Aus der Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur bei Volllast ergibt sich die Leistungszahl εK bzw. als Kehrwert 1/εK der spezifische Energieverbrauch in kWh je kWh Kälteleistung bei Volllast (Garantiewert des Lieferanten). Mit den in Abschn. 5.6.2 s. S. 2061 beschriebenen Methoden wird dann die Leistungszahl bzw. der spezifische Energie-

5.6.4 Kältespeicher

2073 DVD

verbrauch bei den für die jeweilige Kältemaschine auftretenden Teillasten ermittelt. Multipliziert man diese Werte mit den jeweils auftretenden Kühllasten (Teillast-Kälteleistungen), so erhält man einen Jahresgang des Energieverbrauchs über der Außentemperatur, analog zum Jahresgang der Kühllast. Der Jahres-Energieverbrauch ergibt sich, wenn man diese einzelnen Werte mit der jeweiligen Jahreshäufigkeit, z.B. aus der Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) oder – einfacher – aus entspr. Tabellen, multipliziert und die Ergebnisse über das ganze Jahr aufaddiert. Das Beispiel in Bild 5.6.3-2 zeigt deutlich, welchen Einfluß hier der Anteil von Sonnenscheinstunden bei der jeweiligen Außentemperatur haben kann. Unterschiedliche Ansätze dafür führen deshalb zu völlig verschiedenen Ergebnissen.

5.6.4

Kältespeicher1)2)

a) Eisspeicher Eisspeicher sind Latentspeicher, die Kälteenergie in Form von Eis beim Phasenübergang von Wasser auf Eis speichern. Diese Kälteenergie kann beim Abtauen zu fast 100% wieder an den Wärmeträger abgegeben werden. Eisspeicher in der Klimatechnik Seit etwa 15 Jahren werden Klimaanlagen immer häufiger mit wartungsfreien Eisspeichersystemen gebaut. Die täglichen Lastspitzen oberhalb ca. 50% der Spitzenlast werden aus dem Eisspeicher gedeckt, während die Kältemaschine und ihre elektrische Anschlussleistung sowie die installierte Rückkühlleistung nur noch die Grundlast decken. Sole dient als Wärmeträger, ggfs. mit hydraulischer Entkopplung über einen PlattenWärmetauscher mit ca. 2 K mittlerer Temperaturdifferenz. Eine Investitionsentscheidung fällt zu Gunsten dieser einfach zu wartenden Eisspeicher3), wenn: – die elektrische Lastspitze im Gebäude an einem Sommertag liegt und durch Abschneiden der Spitzenkältelast die gesamte elektrische Lastspitze des Gebäudes gesenkt und damit der zu zahlende Leistungspreis reduziert werden kann (Stromkostenoptimierung 1), – der preiswerte Nachtstrom zur Kälteerzeugung genutzt werden kann (Stromkostenoptimierung 2), – durch den Einsatz von Eisspeichern der elektrische Strombezug insgesamt vergleichmäßigt wird und damit der Benutzungsdauerrabatt, der prozentual auf die Jahresstromrechnung berechnet wird, erhöht werden kann (Stromkostenoptimierung 3), oder – für eine bestehende Kälteanlage die Kälteleistung vergrößert werden soll, ohne die Kältemaschine, die elektrischen Versorgungsanlagen (Trafo/Schaltschrank) und die Rückkühlanlagen zu vergrößern (Anlagenerweiterung), – die Kälteversorgung während eines Stromausfalls für einige Stunden gesichert werden soll, wie z.B. in OP-Räumen in Krankenhäusern, in Rundfunkanstalten, Fernmeldezentralen und EDV-Anlagen („Notkälte“). Eisspeicher in der Gewerbekühlung Die ältesten Eisspeicher gibt es z.B. in Brauereien und Molkereien, die täglich eine hohe Kältelast für nur wenige Stunden pro Tag haben und damit die Kälteerzeugung stoßweise belasten würden. Eisspeicher sorgen hier dafür, daß die Kälteenergie kontinuierlich mit relativ geringer Leistung erbracht werden kann, z.B. über 12 bis 14 Stunden. Der Einsatz ist lohnend, wenn: – der Prozeß kurze Lastzeiten hat (1 bis 4 h/d) – eine schnelle Entladung, meist mit Eiswasser, mit kleinem Δt gefordert ist bei Temperaturen nahe 0 °C (z.B. +4/+1 °C), 1) 2)

3)

Neu- und weiterbearbeitet von Dr.-Ing. Hans-Ulrich Amberg, Köln, ab der 69. Auflage Brunk, F.: HLH 12/85. S. 590/1 und HLH 7/86. S. 351/8. de Vries, H.: TAB 9/86. S. 581/3, TAB 9/88. S. 678/685 und KKT 46/93, Heft 10. S. 628–635. Bruder, Th.: TAB 5/89. S. 417/9 u. 6/89. S. 485/8 sowie Ki 4/93, S. 147/151. Amberg, H.-U.: Maschinen-Markt 30/86 und ETA, A 3/88. SA 73/77.

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5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

– gutes Betriebs- und Wartungspersonal vorhanden ist für die relativ komplizierten Direktverdampfungsanlagen, zum Betreuen der Eisdicken-Messung und zum Vermeiden der Eisbrücken-Bildung sowie für das wiederkehrende vollständige Abtauen, das teilweise nach jedem Zyklus erforderlich wird. b) Kaltwasserspeicher ohne Eisbildung Von Kaltwasser (z.B. 12/6 °C) durchflossene Pufferspeicher können für wenige Minuten Kälteenergie speichern. Während der Abschaltzeit der letzten Leistungsstufe des Kälteerzeugers wird diese Kälteenergie wieder an das Netz abgegeben.

-1

Speicherdichte = Speicherkapazität (Kältespeicher)

a) Eisspeicher; Schmelzwärme des Wassers c = 332 kJ/kg, Dichte Eis ρ = 916 kg/m3 Speicherdichte qtheor = ρ · c = 916 · 332/3600 = 84,4 kWh/m3. Für den Durchfluß des Wassers und die Kühlerrohre geht jedoch Platz verloren. Daher wird praktisch nur erreicht: Speicherdichte q = 40…60 kWh/m3. Da es sich um einen Latentspeicher handelt, steht diese Speicherdichte mit der konstanten Schmelztemperatur von 0 °C zur Verfügung. Die Wassererwärmung ergibt zusätzliche Speicherkapazität gemäß b). Eisspeicher sind damit geeignet für einen 24-StundenSpeicherzyklus. b) Kaltwasserspeicher ohne Eisbildung. Die Verdampfungstemperatur muß über 0 °C liegen. Speichertemperatur daher etwa +5 °C. Spezifische Wärmekapazität des Wassers c = 4,18 kJ/kgK. Somit speichert 1 m3 (ρ = 1000 kg/m3) 1000 ⋅ 4 ,18 ⋅ 1 Speicherdichte q = ρ · c · Δt = ---------------------------------- = 1,16 kWh/m3 K. 3600 Dabei ist Δt die nutzbare Temperaturdifferenz zwischen Ladung und Entladung des Speichers. Tiefere Speichertemperatur bei Verwendung von Sole statt Wasser kann Δt vergrößern. Trotzdem bleibt die Speicherkapazität zu klein für eine Speicherung über längere Zeit.

-2

Eisspeicher, Funktion, Aufbau

a) Eisspeicher in der Klimatechnik Bild 5.6.4-2 zeigt die Innenansicht des CALMAC-Eisspeichers mit von Sole durchflossenen Wärmetauscherrohren aus PE. Sie sind spiralförmig aufgewickelt und füllen den werkstattgefertigten Behälter aus PE in etwa 50 Ebenen übereinander vollständig aus. Die Gefäße können im Gebäude bzw. auch ohne Risiko im Freien (Dach oder neben dem Gebäude) aufgestellt oder sogar im Erdreich vergraben werden. Der runde Tank kann gefahrlos innen oder außen vollständig durchfrieren. Über den PE-Rohren wird der erforderliche Raum zur Aufnahme des verdrängten Wassers bei der Eisbildung vorgehalten. Das Transportgewicht ist gering; das Speichermedium Wasser und das Wärmeträgermedium Sole werden vor Ort eingefüllt. Das patentierte Sole-Rohrsystem ist gegenläufig gewickelt und für 6 bar Betriebsdruck ausgelegt.

5.6.4 Kältespeicher

2075 DVD

A

B

C

E

Bild 5.6.4-1. Beispiel für die Funktion eines Eisspeichers in 4 Betriebsarten. Das Bild zeigt die 4 Betriebsarten, die mit den 2 Pumpen, den 2 Doppelumschaltklappen sowie dem Regelventil, z.B. von einer SPS gesteuert, im Laufe eines Tages geschaltet werden. Betriebsart A Eisspeicher-Entladebetrieb (z.B. max. 50% der Spitzenlast) Betriebsart B Kaltsolesatz am Netz (z.B. bis max. 50% der Spitzenlast, im Grundlastbetrieb, siehe auch Bild 5.6.4-4) Betriebsart C Eisspeicher-Entladebetrieb plus Kaltsolesatz am Netz (Spitzenlast) Betriebsart E Eisspeicher-Ladebetrieb, mit Volllast des Kaltsolesatzes, ohne Regelverluste Das gezeichnete 6-Pol-Package (2 Pole = KSS = Kaltsolesatz, 2 Pole = ESP, 2 Pole = Kältenetz) ist als transportable Baueinheit lieferbar und erleichtert das Gesamt-Engineering erheblich. Alternativ steht mit dem patentierten 8-Pol-Package (mit 2 Kaltsolesätzen) eine noch komplettere Kältezentrale mit insgesamt 3 Erzeugern und ausreichend Ausfallreserve (= Redundanz) zur Verfügung.

b) Eiswasseranlagen für Gewerbekühlung Beim Laden eines Eisspeichers wird die Kälteenergie zum Gefrieren des Wassers meist durch Direktverdampfer im Wassertank bzw. durch Zwischenschalten eines Solekreises dem Speicher zugeführt. Beim Entladen erfolgt der Wärmeübergang direkt vom Eis an das entlangströmende Wasser. Um gleichmäßigen Eisansatz an den Kühler-Rohren oder Platten zu erhalten, wird das Wasser im Tank mit Pumpen umgerührt oder es wird Luft am Tankboden eingeblasen (Bild 5.6.4-3). Wegen der schlechten Wärmeleitung von Eis nimmt die Leistung mit zunehmender Eisdicke ab.

DVD 2076

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Bild 5.6.4-2. CALMAC-Eisspeicher mit Sole 25% Glykol in den PE-Rohren.

Bild 5.6.4-3. Schematischer Aufbau eines Eisspeichers mit Direktverdampfer.

Eisdickenmesser sollen völliges Einfrieren verhindern, bereiten aber besonders bei Teillasten uns Teilentlastung Probleme. Eine andere Form eines offenen Tanks ist der siloartige „Eisturm“1). Hier werden oberhalb eines großen Wasserbeckens Ammoniak-Plattenverdampfer bei etwa –7,5 °C Verdampfungstemperatur jeweils ca. 8 Minuten zum Eisbilden mit Wasser aus dem Becken berieselt. Die entstandene Eisschicht wird dann als „Scherbeneis“ in ca. 1.3 Minuten durch Beaufschlagen der gleichen Verdampferplatten mit Heißgas gesprengt; danach wieder Anfrieren. Nach etwa 10 Stunden sind soviel Eisplatten in das Wasser-Eis-Gemisch gefallen, daß das komplette Wasser verdrängt und durch ein Wasser-Eis-Gemisch ersetzt wird. Lufteinblasung muß das Zusammenfrieren der Eisscherben verhindern. Eine Füllstandsanzeige erfolgt mittels Schwimmerkreuz unter dem Scherbeneis oder durch Ultraschall. Die Entladung kann dann als Eiswasser – z.B. +4/+1 °C – in 2 bis 3 Stunden erfolgen.

-3

Auslegung des Kältespeichers

Zur Auslegung der Speichergröße benötigt man den Tagesgang der Kühllast, als Beispiel wird Bild 5.6.1-1 gewählt. In Bild 5.6.4-4 ist eingetragen, was sich dabei aus dem folgenden Rechengang ergibt: Betriebszeit Gebäude: 7.00 bis 18.00 Uhr, ZTag = 11 Stunden, Niedertarifzeit: 21.00 bis 6.00 Uhr, ZNacht = 9 Stunden. · Maximale Lastspitze Q max = 1280 kW um 16.00 Uhr.

1)

Ganter, E.: Ki 4/95 S. 178–181.

5.6.4 Kältespeicher

2077 DVD

Bild 5.6.4-4. Speicherauslegung am Spitzenlasttag.

Den Aufbau des Systems zeigt Bild 5.6.4-1. Laden (Bild 5.6.4-1 unten rechts): Die · Kältemaschine kühlt beim Laden Sole von – 1 auf –5 °C und leistet dabei Q 0Nacht = 476 kW. Verdampfungstemperatur t0 = – 10 °C; Kondensationstemperatur tc = 30 °C (nachts). Kältemaschine am Netz (Bild 5.6.4-1 oben rechts): Beim Tagbetrieb werden die Verbraucher mit Sole von + 6 versorgt. Die Kältemaschine arbeitet bei dieser Betriebsweise mit einer Verdampfungstemperatur von t0 = ± 0 °C und einer Kondensationstemperatur von tc = 40 °C. Für diese geänderten Bedingungen ist nach den Kennfeldern der Kältemaschinen-Hersteller die Leistung neu zu bestimmen. Ein Beispiel für R404 A zeigt Bild 5.4.1-3. Es gilt auch für R 407 C! Aus diesem Bild ergibt sich · · = 0,56 und ε = 3,4, für t0 = –10; tc = 30 °C (nachts) Q K · 0/V · h für t0 = ± 0; tc = 40 °C (tags) Q 0/V h = 0,74 und εK = 3,6, also ist die Kälteleistung am Tag · Q 0Tag = 476 · 0,74/0,56 = 630 kW Die erforderliche Antriebsleistung der Kältemaschine ist mit εK nach Bild 5.4.1-3 beim Nachtbetrieb (Laden) P = 476/εK = 476/3,4 = 140 kW beim Tagbetrieb P = 630/εK = 630/3,6 = 175 kW. Die Integration der Bedarfskurve ergibt einen verbleibenden Kältebedarf von QS = 3500 kWh, der vom Speicher zu decken ist: Bei Ladeleistung 476 kW ist die Ladezeit = 3500 kWh/476 kW = 7,35 h, also von 21.00 (Beginn NT) bis 4.21 Uhr. Entsprechend einer Speicherdichte nach Abschn. 5.6.4-1) s. S. 2074 von q = 50 kWh/m3 ergibt sich das Volumen des Speichers zu V = QS/q = 3500/50 = 70 m3, bzw. 3600 · 3500/332 = 38000 kg Eis. Die Pumpe P1 muß 2 Betriebsarten erfüllen, s. Bild 5.6.4-1. 476 ⋅ 3600 E: V1 = --------------------------------------------------------- = 106 m3/h im Ladebetrieb 1048 ⋅ 3 ,83 ⋅ ( – 1 – ( 5 ) ) 630 ⋅ 3600 B: V1 = -------------------------------------------------- = 94 m3/h im Netzbetrieb 1048 ⋅ 3 ,83 ⋅ ( 12 – 6 ) Die Pumpe PE muß liefern: ( 1280 – 630 ) ⋅ 3600 A: VE = --------------------------------------------------- = 97 m3/h im Entladebetrieb 1048 ⋅ 3, 83 ⋅ ( 12 – 6 )

DVD 2078

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Ferner muß · · die Wärmeaustauschfläche im Speicher so groß sein, daß sie die Spitzenlast Q max – Q 0Tag = 650 kW übertragen kann. Die Konzentration der Sole wird bestimmt nach Bild 5.3.3-1 zu 25%. Stoffwerte der Sole nach Bild 3.3.2-18 sind c = 3,83 kJ/kg · K und s = 1048 kg/m3. Die Förderdrücke der Pumpe P1 sind bei den Betriebsstellungen Laden und KSS am Netz etwa gleich. Die entsprechend dem Histogramm schwankende Kälteleistung und der jeweils erreichte unterschiedliche Entladezustand des Eisspeichers werden über das Regelventil (RV) exakt auf z.B. 6 °C Vorlauftemperatur ausgeregelt.

-4

Regelung und optimales Zeitprogramm (Eisspeicher)

Moderne speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) bieten als Standard die nachfolgenden Regelstrategien und die Möglichkeit zur Fernüberwachung. Parameter für das Betriebszeit- und Energiekosten-Management passen die Regelung auf den einzelnen Bedarfsfall an. Die zeitliche Abfolge der Betriebsarten (Definition in Bild 5.6.4-1) wird, je nach Regelstrategie, unterschiedlich gewählt. Beginn des Ladebetriebs mit der Niedertarifzeit = NT-Zeit, z.B. 21.00 Uhr Ende des Ladebetriebs bei Trück 7 °C. Regelstrategie 2: (E → B → evtl. C → E) Wird ein Tag mit hoher Last erwartet, dann ab 6.00 Uhr Kältemaschine am Netz (Betriebsart B) Zuschalten des Eisspeichers zur Kältemaschine (Betriebsart C), wenn – Ansprechen des Maximumwärters oder – bei Tvor >7 °C oder – ab etwa 13.00 Uhr zur Kostenoptimierung durch Ausnutzung der NT-Zeit.

-5

Kosten, Wirtschaftlichkeit1) (Eisspeicher)

Investitionskosten für Eisspeicher Bild 5.6.4-5 zeigt die ungefähren Investitionskosten für Eisspeicher. Sie enthalten: Tank mit Isolierung betriebsfertiger Verdampfer oder PE-Wärmeaustauscher Frostschutzmittel. Im Beispiel nach Bild· 5.6.4-4 konnte durch einen Eisspeicher die · maximale Leistung der Kältemaschine von Q max = 1280 kW herabgesetzt werden auf Q 0Tag = 630 kW.

1)

Amberg, H.U.: KKT 6/92, s. 374–384

5.6.4 Kältespeicher

2079 DVD

Bild 5.6.4-5. Durchschnittliche Investitionskosten für Eisspeicher (2002).

Ob sich diese Eisspeicher-Investition lohnt, muß anhand einer individuellen Wirtschaftlichkeitsberechnung unter Beachtung der aus der letzten Stromrechnung ersichtlichen Tarife für Arbeitspreis HT und NT sowie für Leistungspreis und evtl. Benutzungsdauerrabatt ermittelt werden. 1. Anschaffungskosten Die Bewertung erfolgt nach Bild 5.6.3-1 (für Kälteanlagen mit Kühlturm) und Bild 5.6.4-5 (für Eisspeicher) ohne Speicher mit Speicher Kälteanlagen mit Kühlturm und KühlA A wasserleitungen 1280 kW · 147 A/kW 188160 630 kW · 195 A/kW 122850 zusätzliche Rohrleitungen und Isolierung zu den Eisspeichern: 20500 Platten-Wärmetauscher 1200 kW 18000 Glykolfüllung 4600 Eisspeicher: 3600 kWh · 27 A/kW h 97200 Regelung und Schaltschrank 27900 30700 216060 Zeile 1: Kostenerhöhung durch Eisspeicher: 2. Einsparung durch billigeren Nachttarif Es gelten die Leistungsdaten von Abschn. 5.6.4-3 s. S. 2076 · Q Tag max = 1280 kW; εK = 3,6 · mit Eisspeicher = Q· Tag = 630 kW; εK = 3,6 Q Nacht = 476 kW; εK = 3,4 Stromtarif: HT = 0,09 A/kWh (Tag) NT = 0,05 A/kWh (Nacht) Leistungspreis: 135 A/(kW · a) Betriebsdauer-Annahme: 1000 h/a Anlage ohne Eisspeicher: = 1280 kW · 1000 h/a : 3,6 · 0,09 A kWh 32000/a

293850 77790

DVD 2080

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Anlage mit Eisspeicher: ohne Speicher mit Speicher Da die max. Kühllast nur an wenigen Tagen A A im Jahr auftritt, reicht der Speicher an vielen anderen Tagen in der Übergangszeit zur vollen Deckung der Kälteversorgung (zum NT) aus. D.h., daß ca. 30% der Gesamt-Kälteenergie tagsüber und ca. 70% mit NT erzeugt wird: HT-Anteil: 0,3 · 280000 kWh/a : 3,6 · 0,09 A/kWh 9600/a NT-Anteil: 0,7 · 1280000 kWh/a : 3,4 · 0,04 A/kWh 10541/a Zeile 2: jährl. Energiekosteneinsparung 11859/a 3. Einsparung Leistungspreis Leistungspreis ohne Eisspeicher, bei Lastspitze im Sommer, durch Kälte verursacht: 1280 kW : 3,6 · 135 A/(kW · a) 48000/a mit Eisspeicher: 630 kW : 3,6 · 135 A/(kW · a) 23625/a Zeile 3: Einsparung durch Leistungspreis 24375/a 4. Zeile 2 + Zeile 3 = Einsparung durch Leistungspreis und Nachttarif 36234/a 5. Amortisationszeit = Kapitalrückflußzeit Bei einer Erhöhung der Anschaffungskosten um 77790 A und jährlichen Einsparungen von 36234 A ergibt sich (der kurzen Laufzeit wegen ohne Zinsen gerechnet) eine Kapitalrückflußzeit von 2,15 Jahren.

5.6.5

Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe1)

Hierunter versteht man die Nutzung von Kältemaschinen für Beheizungsaufgaben, wobei sich folgende Einsatzmöglichkeiten ergeben: a) Nutzung der Abwärme von Kälteanlagen aller Art, z.B. zur Warmwassererwärmung, Gebäudeheizung etc., als reine Wärmerückgewinnung. b) Nutzung der Abwärme von Kälteanlagen, die zur Kühlung in raumlufttechnischen Anlagen dienen, zur Deckung von gleichzeitig anfallendem Wärmebedarf. Diese Betriebsweise nennt man Wärmeverschiebung. c) Erweiterung der Nutzung nach b) zur Deckung von Wärmebedarf bei nicht ausreichendem Kältebedarf durch Abkühlung anderer möglicher Wärmequellen, z.B. Fortluft, Grundwasser aus Brunnen etc. Hier spricht man vom Wärmepumpenbetrieb der vorhandenen Kälteanlage. d) Betrieb einer Kälteanlage nur zu Heizzwecken, sie wird dann Wärmepumpe genannt. Die Kälteleistung dient nur zur nicht genutzten Abkühlung einer geeigneten Wärmequelle. Bei der Ausführung derartiger Anlagen sind folgende Punkte zu beachten: Es darf kein aggressives oder verunreinigtes Wasser, z.B. von einem offenen Kühlturm, in die Heiz- und Kühlsysteme des Gebäudes oder der raumlufttechnischen Anlage geraten. Die maximal zulässige Verflüssigungstemperatur der Kälteanlage darf nicht überschritten werden. Sie beträgt bei R 134a ca. 75 °C mit relativ geringer volumetrischer Leistung. Damit stehen größere Wärmemengen für Heizzwecke mit etwa 70 °C Austrittstemperatur aus dem Verflüssiger zur Verfügung. Kleinere Wärmemengen, weniger als 10% der Verflüssigerleistung, können mit einem besonderen Wärmeaustauscher (Enthitzer) angehoben werden bis auf 10 K unterhalb der Druckgastemperatur am Verdichteraustritt. 1)

Amberg, H.-U.: Ki 9/84. S. 337/344.

5.6.5 Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe

2081 DVD

Der maximale Betriebs-Überdruck der Kälteanlage gemäß Fabrikschild darf nicht überschritten werden. Es muß also sichergestellt werden, daß kein heißes Wasser der Kälteanlage zugeführt werden kann – auch nicht unbeabsichtigt –, dessen Temperatur so hoch ist, daß der zugehörige Druck gemäß Dampftafel über dem zulässigen Druck liegt. Für Wärmerückgewinnung bis Wärmepumpenbetrieb gibt es anlagentechnisch folgende Möglichkeiten:

-1

Heizung mit Kältemittel

Vorwiegend bei luftgekühlten Kälteanlagen werden im Kältekreislauf vor Eintritt in den luftgekühlten Verflüssiger ein (oder auch mehrere) wassergekühlte Verflüssiger eingebaut, die direkt Brauchwasser wie auch Heizungswasser erwärmen (Bild 5.6.5-1). Auch direkte Lufterwärmung (analog zur direkten Luftkühlung) wird ausgeführt, vorwiegend für Verkaufsräume von Supermärkten (Bild 5.6.5-2).

Bild 5.6.5-1. Wärmerückgewinnung direkt über zusätzliche wassergekühlte Verflüssiger.

Bild 5.6.5-2. Wärmerückgewinnung über zusätzliche luftgekühlte Verflüssiger.

Bild 5.6.5-3. Lüftung mit Wärmepumpe zur Rückgewinnung von Wärme aus der Fortluft.

Wärmerückgewinnungs-Verflüssiger werden meistens nur auf der Wärmeentnahmeseite geregelt. Hauptverflüssiger gibt die nicht mehr nutzbare Wärme an die Umgebungsluft ab. Wärmeabgabe vorwiegend durch motorbetätigte Luftklappen und/oder regelbare Ventilatoren geregelt, Regelgröße Verflüssigungsdruck. Kältekreislauf wird kompliziert, da Abfluß des verflüssigten Kältemittels aus allen Verflüssigern unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt sein muß. Besonders kritisch bei Parallelschaltung und wenn Verflüssiger auf unterschiedlichem Niveau. Installation derartiger Systeme deshalb nur durch erfahrene Kältetechniker. Anwendung vorwiegend zur Wärmerückgewinnung von Kälteanlagen. Auch möglich als Wärmepumpe zur Wärmerückgewinnung aus Abwärme, z.B. Fortluft, Bild 5.6.5-3. Wärmepumpe lohnt hier nur, wenn auch im Sommer zur Raumkühlung benutzt durch Kreislaufumkehr, z.B. durch Umsteuerventil, s. Abschn. 2.2.2-4.3 s. S. 692.

DVD 2082

-2

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

Geschlossener Kühlwasserkreislauf

Das im Verflüssiger der Kältemaschine erwärmte Kühlwasser wird direkt zu Heizaufgaben herangezogen, die hierfür nicht benötigte Wärme wird über ein Rückkühlwerk an die Umgebungsluft abgegeben. Um das Kreislaufwasser von Verunreinigungen und korrosionsfördernden Bestandteilen freizuhalten, muß ein Rückkühlwerk in geschlossener Bauweise (vgl. Abschn. 5.4.8-4 s. S. 2029) verwendet werden (Bild 5.6.5-4). Ventilator(en) und Sprühwasserkreislauf des Rückkühlwerkes werden so geregelt, daß die Kühlwasser-Austrittstemperatur aus dem Verflüssiger auf der für die Wärmeverbraucher erforderlichen Höhe bleibt.

Bild 5.6.5-4. Wärmerückgewinnung über geschlossenen Kühlwasserkreislauf.

Mit diesem System ist Wärmerückgewinnung und Wärmeverschiebung möglich. Ein Beispiel für Wärmepumpenbetrieb mit zwei Wasserkühlsätzen zeigt Bild 5.6.5-5, wobei ein Wärmeaustauscher in einem Fluß im Sommer die Abfuhr der Verflüssigerwärme übernimmt und im Winter, nach meist automatischer Umschaltung der Ventile, als Wärmequelle für die Verdampfer der Wärmepumpen dient. Im Kreislauf der Wärmeund Kälteverbraucher zirkuliert das gleiche Medium, Wasser mit Glycol-Zusatz. Für Heizlastspitzen im Winter ist häufig ein zusätzlicher Heizkessel erforderlich (bivalenter Betrieb, s. Abschn. 2.3.1-1 s. S. 760).

Bild 5.6.5-5. Schaltbild einer Wärmepumpenanlage für Heizung und Kühlung.

-3

Zusätzlicher Heizwasserkreislauf

Hierbei wird die Kältemaschine, vorwiegend wassergekühlte Wasserkühlsätze, mit zwei Verflüssigern ausgerüstet, die kältetechnisch parallel oder hintereinander geschaltet sein können. Durch einen der beiden Verflüssiger fließt das Wasser für die Heizsysteme im geschlossenen Kreislauf. Über den zweiten Verflüssiger wird über einen anderen Wasserkreislauf die nicht nutzbare Wärme an ein Rückkühlwerk abgegeben, das so in üblicher

5.6.5 Wärmerückgewinnung/Wärmepumpe

2083 DVD

offener Bauart, also wesentlich preisgünstiger, ausgeführt werden kann. Der Rückkühlwerkskreislauf wird dabei so geregelt, daß die erforderliche Vorlauftemperatur zuden Heizsystemen eingehalten wird. Einen Wasserkühlsatz mit zwei Verflüssigern zeigt Bild 5.6.5-6.

Bild 5.6.5-6. Wassergekühlter Flüssigkeitskühler mit Wärmerückgewinnung als Option, Leistungsbereich 100 bis 360 kW (YORK International)

Mit diesem System ist Wärmerückgewinnung und Wärmeverschiebung möglich. Für Wärmepumpenbetrieb muß eine zusätzliche Wärmequelle erschlossen werden, z.B. durch einen kaltwasserbeaufschlagten Wärmeaustauscher wie in Bild 5.6.5-5. Wirtschaftlicher ist die Abkühlung der Wärmequelle direkt im Verdampfer, wofür jedoch bei aggressivem oder verschmutztem Wasser ein separates Rohrsystem vorgesehen werden muß. Bild 5.6.5-7 zeigt eine derartige Anlage mit einem getrennten Rohrsystem im Verdampfer für Grundwasser als Wärmequelle und mit einem Verflüssiger mit ebenfalls doppelter, getrennter Berohrung. Bei Rohrsystemen für aggressives oder verschmutztes Wasser auf mechanische Reinigungsmöglichkeit achten.

Bild 5.6.5-7. Wärmepumpe mit Doppelverflüssiger für das Heiznetz und mit Doppelverdampfer für das Kühlnetz und für Grundwasser.

Bei Kältemaschinen/Wärmepumpen mit Antrieb durch Brennkraftmaschine gibt es noch einen weiteren, zusätzlichen Wärmerückgewinnungs-Heizwasserkreislauf. Das durch das Motorkühlwasser und durch den Abgas-Wärmeaustauscher erwärmte Wasser, das deutlich wärmer ist als das aus dem Verflüssiger austretende, wird meistens auf ein eigenes Verbrauchernetz – die Hochtemperatur-Schiene – gegeben, s. Abschn. 2.2.24.7 s. S. 703 und Bild 2.2.2-80.

-4

Wirtschaftlichkeit

Wenn die Abwärme (Verflüssigerleistung) einer Kältemaschine mit der Temperatur genutzt werden kann, mit der sie aus dem Kältemaschinenbetrieb anfällt, ist diese Wärme kostenlos. Meistens muß jedoch für sinnvolle Abwärmenutzung die Verflüssigungstemperatur gegenüber dem normalen Kühlbetrieb etwas angehoben und vor allem auch

DVD 2084

5. Kältetechnik / 5.6 Berechnung von Kälteanlagen zur Luftkühlung

bei Teillast auf diesem hohen Wert gehalten werden. In diesem Fall ergeben sich die Kosten für die Heizwärme aus der Verringerung der Leistungszahl der Kältemaschine im Wärmerückgewinnungsbetrieb gegenüber der bei reinem Kühlbetrieb. Es ist: Q Energieaufwand reiner Kühlbetrieb: P = -----oεK Qo Energieaufwand Wärmerückgewinnungsbetrieb: PR = -------ε KR PH PR – P PR – P Energieaufwand für Heizwärme: -----= --------------- = -------------------------Qc Qc Qo + a ⋅ PR Rechnet man als Beispiel bei einer Verdampfungstemperatur von 0 °C mit einer Verflüssigungstemperatur von 45 °C im reinen Kühlbetrieb und einer Erhöhung auf 65°C bei Wärmerückgewinnung, so ergibt sich, unter Benutzung von Bild 5.4.1-4:

εK = 3,1, P = 1/3,1 = 0,323 kWh/kWh εKR = 2,0, PR = 1/2,0 = 0,500 kWh/kWh PH 0 ,500 – 0 ,323 0 ,171 = 0,122 kWh/kWh -----= --------------------------------- = -----------Qc 1 + 0 ,9 ⋅ 0 ,5 1 ,45 Der Kehrwert von PH/Qc, die erreichte, vergleichbare Wärmepumpen-Leistungszahl, liegt mit εW = 8,2 auch bei elektrischem Antrieb im wirtschaftlichen Bereich. Die Kosten pro MWh zurückgewonnene Wärme betragen im Beispiel: Bei Strompreis –,10 A/kWh: 12 A/MWh Bei Strompreis –,15 A/kWh: 19 A/MWh Mit Ölkessel bei –,20 A/ltr: 26 A/MWh Reine Wärmepumpen sind relativ teure Heizanlagen wegen der hohen Investitionskosten für die Kältemaschine. Sie sind nur dann rentabel, wenn eine hohe Leistungszahl εW die Energieverbrauchskosten deutlich unter die der üblichen Brennstoffheizung absenkt. Ausführung und Einsatzmöglichkeiten für die reine Beheizung von Wohngebäuden sind im Abschn. 2.2.2-4.6.1 s. S. 696 beschrieben, Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067-6 Wärmepumpen. Im Wärmepumpenbetrieb von Kälteanlagen wird die Wirtschaftlichkeit wesentlich eher erreicht, da der Hauptanteil der Investitionskosten bereits durch den Kühlbetrieb im Sommer anfällt. Da es sich hier überwiegend um den Betrieb raumlufttechnischer Anlagen handelt, ist eine Wirtschaftlichkeitsberechnung nach VDI 2067-6 nicht möglich. Es muß vielmehr der Jahres-Energieverbrauch analog zu Abschn. 5.6.3-4 s. S. 2072 auch für den Heizbetrieb ermittelt werden, mit unterschiedlichen Kostenbewertungen für den Rückgewinnungs- und Verschiebungsanteil und für den reinen Wärmepumpenbetrieb mit nicht genutzter Kälteleistung, die nur zur Wärmegewinnung aus der Wärmequelle dient. Ausgangspunkt für diese Wirtschaftlichkeitsberechnung ist, wie für die Kälteanlage in den Abschnitten 5.6.3-2 s. S. 2070 und 5.6.3-4 s. S. 2072 beschrieben, der Jahresgang von Kühlleistung, Heizleistung, Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur. Aus letzteren ist zu ermitteln der Jahresgang der verschiedenen Leistungszahlen: εK für reinen Kühlbetrieb, εKR für Kühlbetrieb mit Wärmerückgewinnung, εW für reinen Wärmepumpenbetrieb, sowie die Leistungsanteile, die im Jahresgang auf die jeweilige Betriebsweise entfallen. Aus jeweiliger Leistung und Leistungszahl ergibt sich der Jahresgang des Energieverbrauchs und aus diesem wiederum, über die Summenhäufigkeitskurve (Jahresdauerlinie) des Aufstellungsortes aufaddiert, der Gesamtenergieverbrauch pro Jahr. Gleichartiger Rechengang im in Frage kommenden Außentemperaturbereich für Ölheizkessel statt Erschließung einer zusätzlichen Wärmequelle gibt die Entscheidung, ob Erweiterung der Wärmerückgewinnung zum Wärmepumpenbetrieb sinnvoll ist oder nicht.

5.7.1 Regelung bei direkter Luftkühlung

5.7

2085 DVD

Regelung von Luftkühlanlagen

Kältemaschinen mit Schmierölkreislauf brauchen nach jedem Einschalten eine bestimmte Laufzeit, bis sich ein stabiler Betriebszustand einstellt und das beim Einschaltvorgang ausgeworfene Öl wieder zum Verdichter zurückgekehrt ist. Richtwerte für diese Mindestlaufzeit gibt Tafel 5.7.1-1 für kompakt zusammengebaute Kältekreisläufe, wie z.B. Wasserkühlsätze. Bei längeren Rohrleitungssystemen sind die erforderlichen Mindestlaufzeiten erheblich länger. Zusätzlich zu beachten sind die maximal zulässigen Einschaltungen des Elektromotors. Tafel 5.7-1

Schaltung von Verdichtern

Wird diese Mindestlaufzeit über mehrere aufeinanderfolgende Ein-/Aus-Schaltungen des Verdichters nicht eingehalten, so kehrt das insgesamt ausgeworfene Öl nicht zum Verdichter zurück, Resultat ist Ölmangel. Im günstigen Fall erfolgt dann Abschaltung durch den Öldifferenzdruckschalter (Störmeldung). Ist die Laufzeit des Verdichters jedoch kürzer als die Zeit, über die der Öldifferenzdruckschalter beim Anlaufvorgang überbrückt ist (s. Abschn. 5.4.7-5.3 s. S. 2021), so tritt ohne jede Vorwarnung Verdichterschaden durch Ölmangel ein. Die Gefahr einer Unterschreitung der Mindestlaufzeit ist besonders groß in folgenden Fällen: a) Bei geringer Masse des zirkulierenden Kühlmediums. Verbesserung durch Erhöhen der Massenträgheit, z.B. durch Einbau eines Pufferspeichers. b) Bei zu empfindlicher, trägheitsloser Regelung, wie u.a.trägheitslose elektronische Meßfühler und Systemezu klein eingestellte Schaltdifferenzenzu kurze Laufzeiten von Verzögerungsgliedern. c) Bei jeder Regelung der Austrittstemperatur aus dem Verdampfer (Vorlaufregelung), da dieser meistens eine sehr geringe Massenträgheit hat. d) Bei Vernachlässigung der betriebsbedingten Kälteleistungserhöhung für die kleinste Teillaststufe, s. Abschnitte 5.6.2-1 s. S. 2061 und 5.6.2-2 s. S. 2062. e) Bei unkontrollierten Eingriffen seitens einer übergeordneten Gebäudeleittechnik. Bildzeichen und Kennbuchstaben der MSR-Technik s. Abschn. 2.1.2 s. S. 596.

5.7.1

Regelung bei direkter Luftkühlung

Regelungstechnischer Aufwand ist abhängig von zu regelnder Kälteleistung, Massenträgheit des Regelkreises, Variationsbreite der luftseitigen Temperaturen und Anforderungen an die Verdampfer-Oberflächentemperatur hinsichtlich Entfeuchtung. Stabiles Regelverhalten ist nur zu erwarten bei Proportionalregelung mit bleibender Sollwertabweichung.

-1

Ein-/Aus-Schaltung des Verdichters

Raum- oder Rückluftthermostat schaltet bei kleinen Leistungen (Fensterklimageräte) direkt, bei größeren Leistungen über Schaltschütz den Verdichter-Antriebsmotor ein und aus (2-Punkt-Regelung). Die entsprechend starken Schwankungen der Zulufttemperatur müssen durch geeignete Luftführung und Ausnutzung von Massenkapazitäten ausgeglichen werden; in gleicher Weise Sicherstellung, dass nicht mehr als 6 Schaltungen pro Stunde erfolgen. Mindestlaufzeit des Verdichters zur Ölrückführung durch genü-

DVD 2086

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

gend große Schaltdifferenz des Thermostaten, ausreichende Trägheit durch Speichermassen oder besonderes Zeitrelais. Diese einfache Methode kann ausreichend sein bis zu Kälteleistungen von 40 kW, sie ist außerdem Grundfunktion aller weitergehenden Regelungen. Gleiche Funktionsweise haben bei Entfeuchtungsaufgaben Raum- oder Rückluft-Hygrostate.

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Saugdruckregelung

Durch einen Konstantdruckregler (vgl. Abschn. 5.4.7-3.1 s. S. 2017), auch Saugdruckregler genannt, kann ein Absinken der Verdampfungstemperatur im Verdampfer verhindert werden, z.B. bei fallenden Lufteintrittstemperaturen oder auch auch bei zunehmender Kälteleistung durch fallende Verflüssigungstemperatur (luftgekühlte Verflüssiger). Verwendung vorwiegend zur Vermeidung von Reif- und Eisansatz am Luftkühler.

-3

Temperaturregler im Kältekreislauf

Durch ein temperaturgesteuertes Drosselventil in der Kältemittel-Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter (vgl. Abschn. 5.4.7-3.2 s. S. 2017) kann die Lufttemperatur, je nach Anordnung des Temperaturfühlers Raum-, Rückluft- oder Zuluft-Temperatur, im Proportionalband des Reglers konstant gehalten werden. Schema für größere Leistungen mit Pilot- und Hauptventil (vgl. Abschn. 5.4.7-3 s. S. 2016) zeigt Bild 5.7.1-1. Bei steigender Temperatur öffnet das Steuerventil und damit auch das Hauptventil, so dass die abgesaugte Kaltdampfmenge steigt. Da Leistungsanpassung des Verdichters durch Absenkung des Saugdruckes – der Verdampfungstemperatur am Verdichtereintritt – bewirkt wird, muss Einhaltung der Einsatzgrenzen, insbesondere die Druckrohrtemperatur, beachtet werden. Kühlflächentemperatur kann bei Teillast ansteigen.

Bild 5.7.1-1. Regelung der Kühlleistung bei DirektVerdampfern durch einen Verdampfungsdruckregler mit thermostatischem Pilotventil.

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Leistungsregler im Kältekreislauf

Hierunter versteht man Überströmventile zwischen Saug- und Druckgasleitung des Verdichters, auch Heißgas-Beipass-Regler genannt (vgl. Abschn. 5.4.7-3.4 s. S. 2018). Die Ansteuerung des Beipass-Ventils kann erfolgen durch den Verdampfungsdruck im Verdampfer (übliche Bauart, Regelfunktion wie Saugdruckregler), aber auch durch einen Temperaturfühler (Regelfunktion wie Temperaturregler). Das Ventil öffnet bei fallendem Saugdruck. Vorteil des Beipass-Reglers ist, dass bei Volllast kein leistungsmindernder Druckabfall durch Ventile in der Saugleitung auftritt. Das überströmende heiße Druckgas führt zu einer Erhöhung der Sauggastemperatur (Überhitzung) am Verdichtereintritt und damit zu einem Ansteigen der Druckrohrtemperatur. Um die Einsatzgrenze nicht zu überschreiten, ist fast stets eine zusätzliche Kühlung des Sauggases erforderlich. Diese erfolgt durch Nachspritzen flüssigen Kältemittels in die Saugleitung über ein thermostatisches Expansionsventil, geregelt von der gewünschten Überhitzung des Sauggases. Schema für kleinere Leistungen mit direkt ar-

5.7.1 Regelung bei direkter Luftkühlung

2087 DVD

beitendem verdampfungsdruckgesteuertem Beipass-Ventil zeigt Bild 5.7.1-2. Kühlflächentemperatur kann bei Teillast ansteigen.

Bild 5.7.1-2. BeipassRegelung mit thermostatischem Nachspritzventil.

Wenn die Beipass-Leitung nicht direkt in die Saugleitung geführt, sondern vor dem Verdampfer zwischen Expansionsventil und Verteilkopf angeschlossen wird, kann auf das Nachspritzventil verzichtet werden. Dafür muss die Druckgasleitung bis zum Verdampfer geführt werden. Der Beipass-Regler mit Nacheinspritzung ist auch bei Einsatz von Saugdruck- oder Temperaturreglern oft zusätzlich erforderlich, um ein Überschreiten der Einsatzgrenzen zu vermeiden. Die Regelung der Kälteleistung über einen Heißgas-Beipass-Regler bringt keine Reduzierung des Energieverbrauchs gegenüber dem Vollastbetrieb, da auch bei Teillast der volle Volumenstrom gegen die volle Druckdifferenz verdichtet werden muss.

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Luftseitige Beipass-Regelung

Vom Thermostaten (und gegebenenfalls Hygrostaten) wird über einen stetig regelnden Stellmotor eine doppelte Luftklappe betrieben, die bei fallender Temperatur den Luftdurchtritt durch den Verdampfer drosselt und gleichzeitig einen Beipass öffnet. Die Kältemaschine würde auf die Verringerung des Verdampfer-Luftstromes mit fallender Verdampfungstemperatur reagieren, was durch einen Saugdruckregler, Schema Bild 5.7.1-3, oder besser durch eine saugdruckgesteuerte Heißgas-Beipass-Regelung verhindert werden muss. Mindestluftmenge mit Hersteller abstimmen! Verschlechtern des Wärmeübergangs und ungleichmäßige Luftverteilung beachten. Bei dieser Regelungsart ist Klimaregelung und Kälteregelung praktisch getrennt in voneinander unabhängige Verantwortungsbereiche. Für stabiles Regelverhalten muss Strömungswiderstand im Beipasskanal etwa so groß sein wie über Verdampfer.

Bild 5.7.1-3. Regelung der Kühlleistung bei Direkt-Verdampfern durch Beipassklappe am Verdampfer.

DVD 2088

-6

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

Regelung mit Verdampfer-Unterteilung

Wenn Verdampferfläche, Verdampfer-Luftstrom und Lufteintrittstemperatur (Umluftbetrieb) konstant bleiben, führt jede Verringerung der Verdichterleistung zu einem Ansteigen der Kühlflächentemperatur. Wenn für Entfeuchtungsaufgaben die Kühlflächentemperatur einigermaßen konstant bleiben soll, muss die Verdampferfläche bei Teillast verringert werden. Bild 5.7.1-4 zeigt ein Beispiel mit zweifacher Unterteilung des Verdampfers. Vorzugsweise über einen zweistufig quasi-proportional schaltenden Thermostaten, z.B. in der Umluft, wird bei fallender Temperatur zunächst über ein Magnetventil der Verdampfer A abgeschaltet. Das daraus resultierende Absinken der Verdampfungstemperatur wird durch den Heißgas-Beipass-Leistungsregler verhindert, Verdampferteil B hat bei der reduzierten Verdichterleistung wieder die richtige Kühlflächentemperatur. Bei weiter fallender Temperatur wird über zweiten Schalter des Thermostaten Verdichter ausgeschaltet. Genaue Berechnung der zwei oder mehr Teilverdampfer erforderlich. Energiehaushalt schlecht.

Bild 5.7.1-4. Zweiverdampferregelung bei der Luftkühlung.

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Leistungsgeregelte Verdichter

Größere Verdrängungsverdichter sind heute meistens mit eingebauten Einrichtungen zur Leistungsregelung ausgestattet (vgl. Abschn. 5.4.1 s. S. 1988)1). Ansteuerung erfolgt entweder innerhalb des Verdichters durch den Saugdruck (Leistungsverringerung bei fallendem Saugdruck) oder durch Magnetventile, die von beliebigen Meßgrößen ansteuerbar sind. Bei Hubkolbenverdichtern werden einzelne Zylinder abgeschaltet, womit das geometrische Fördervolumen stufenweise um bestimmte Prozentsätze verringert wird. Bei Schraubenverdichtern stetige Reduzierung durch Schieber. Drehzahlregelung bei thermischen Antrieben üblich. Bei elektrischen Antrieben polumschaltbare Motoren fast nur für offene Verdichter, in hermetischen Verdichtern sehr selten. Drehzahlregelung für hermetische Verdichter über (statische) Frequenzwandler relativ aufwendig2). Stufenweise Leistungsänderung auch durch Aufteilen der Gesamtleistung auf mehrere Verdichter und stufenweise Zu- und Abschaltung. Hierbei getrennte Kältekreisläufe je Verdichter mit zugehörigem Verdampfer und Verflüssiger – große Betriebssicherheit, da auftretende Störungen nur einen Teil der installierten Leistung betreffen –, oder Parallelschaltung der Verdichter auf gemeinsamen Kreislauf – hierbei höhere Leistungszahlen möglich, da bei Teillast die vollen Flächen von Verdampfer und Verflüssiger bleiben. Bei Parallelbetrieb sorgfältige Planung des Kältekreislaufes erforderlich, damit Öl bei allen Betriebszuständen zu allen Verdichtern gleichmäßig zurückfließt. Anzahl der Leistungsstufen ergibt sich aus der geforderten Regelgenauigkeit unter Berücksichtigung der Massenträgheiten und des Zeitverhaltens des Regelkreises. Ansteue1) 2)

Hagenlocher, T.: Ki 12/83. S. 469/71. Stenzel, A.: Ki 7-8/88. S. 325/328.

5.7.1 Regelung bei direkter Luftkühlung

2089 DVD

rung der Leistungsstufen über pneumatische, elektrische oder elektronische Stufenregler von der gewünschten Regelgröße (z.B. Raum-, Rückluft-Temperatur und/oder -Feuchtigkeit, gegebenenfalls mit Zuluft-Maximal- oder Minimal-Begrenzer).

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Regelung von Temperatur und Feuchte

Wenn mit der Kältemaschine die Luft nicht nur gekühlt, sondern auch entfeuchtet werden soll, so muss die effektive luftseitige Oberflächentemperatur des Verdampfers (unter Berücksichtigung des Rippenwirkungsgrades, vgl. Abschn. 3.3.2-1.2 s. S. 1295 und -3.2 s. S. 1306) unterhalb des Taupunktes liegen, der dem gewünschten Sollwert der Raumluft zugeordnet ist. Diese Forderung muss bei allen regelungstechnischen Eingriffen erfüllt bleiben (vgl. Abschn. 5.7.1-6 s. S. 2088). Der Regelbefehl „Entfeuchten“ bedeutet Kühlbetrieb, auch wenn die Raumtemperatur bereits niedrig genug ist. Um ein Absinken der Raumtemperatur zu vermeiden, ist deshalb eine Nachheizung erforderlich. Für die Aufschaltung des Regelbefehls „Entfeuchten“ gibt es zwei Möglichkeiten: a) Der Befehl „Entfeuchten“ schaltet Kälteleistung zu, im einfachsten Falle schaltet der Hygrostat den Verdichter ein. Das dadurch bedingte Absinken der Raumtemperatur führt über den Raumthermostaten zur Einschaltung der Nachheizung. Bei Ausfall der Nachheizung sinkt die Raumtemperatur stetig ab, da mit fallender Raumtemperatur die relative Feuchtigkeit zunimmt und der Hygrostat deshalb die Kältemaschine ständig in Betrieb hält. b) Der Befehl „Entfeuchten“ schaltet die Nachheizung ein. Der dadurch bedingte Anstieg der Raumtemperatur führt über den Raumthermostaten zur Einschaltung der Kältemaschine für die Entfeuchtung. Bei Ausfall der Kältemaschine steigt die Raumtemperatur an. Da bei steigender Temperatur die relative Feuchte abnimmt, schaltet der Feuchteregler die Nachheizung wieder aus. Trotzdem wird sich wegen der fehlenden Entfeuchtungsleistung der Vorgang wiederholen, es kommt also letztlich zu einem stetigen Anstieg der Raumtemperatur. Auswahl der Schaltungsart nach Risikoabschätzung und Überwachungsmöglichkeit. Luftentfeuchtung ist typisches Beispiel für sinnvolle Wärmerückgewinnung. Bei Betrieb der Kältemaschine zur Entfeuchtung steht die Verflüssigerwärme für die erforderliche Nachheizung kostenlos zur Verfügung. Deshalb Schaltung der Kälteanlage gemäß Bild 5.7.1-2, mit zusätzlichem wassergekühlten Verflüssiger zur Abführung des für die Nachheizung nicht benötigten Teils der Verflüssigerwärme. Ein Regelkreis hält die Luftaustrittstemperatur aus dem Verdampfer (Taupunkttemperatur) konstant, ein zweiter Regelkreis regelt die Wärmeabgabe am Nachheizregister. Leistungsaufteilung zwi-schen Nachwärmer und Zusatzverflüssiger entweder durch Stellglieder im Kältekreislauf (Bild 5.7.1-5) oder durch Regelung des Kühlmittelstroms im Zusatzverflüssiger.

Bild 5.7.1-5. Kälteanlage mit Nachwärmung durch Kältemitteldampf.

DVD 2090

5.7.2

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

Regelung bei indirekter Luftkühlung

Die Rippenrohrsysteme für die Luftkühlung werden hierbei durch das von der Kälteanlage kommende Kaltwasser oder die Kühlsole beaufschlagt. Kaltwasserdurchfluß grundsätzlich im Gegenstrom zur Luft. Die Klimaregelung beeinflußt lediglich die Kühlleistung der Luftkühlsysteme, wobei drei Varianten möglich sind.

-1

Kaltwasser-Mengenregelung

Der Kaltwasserstrom durch den Luftkühler wird bei fallender Temperatur vom Regler über ein Ventil stetig verringert, bei steigender Temperatur wieder erhöht. Bei geringem Wasserdurchsatz kommt es zu ungleichmäßiger Temperaturverteilung über den Luftdurchtrittsquerschnitt des Luftkühlers – Gefahr von unterschiedlichen Luftaustrittstemperaturen – und zu Erhöhung der für Entfeuchtung wirksamen Oberflächentemperatur. Wasserseitig zwei Schaltungsarten möglich (Bild 5.7.2-1): Durchgangsventil mit entsprechender Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf. Dreiwegeeventil in Misch-, seltener in Verteileranordnung, Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf vernachlässigbar gering, mit Schichtspeicher unverträglich, instabile Schichtung!

-2

Kaltwasser-Beimischregelung

Der Kaltwasserstrom durch den Luftkühler wird durch eine eigene Zirkulationspumpe konstant gehalten (Bild 5.7.2-2). In diesen Kreislauf erfolgt über ein Dreiwegeventil Beimischung von Kaltwasser aus der Kaltwasser-Vorlaufleitung, stetig geregelt je nach Bedarf der Temperatur- und/oder Feuchteregelung. Temperaturverteilung über den Luftdurchtrittsquerschnitt bei allen Lastzuständen gleichmäßig. Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf wie bei der Mengenregelung mit Durchgangsventil.

Bild 5.7.2-1. Kaltwasser-Mengenregelung.

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Bild 5.7.2-2. KaltwasserBeimischregelung.

Luftseitige Beipass-Regelung

Von der Temperatur- und/oder Feuchteregelung wird über einen stetig regelnden Stellmotor eine Wechsel-Luftklappe betrieben, die bei fallender Temperatur bzw. Feuchtigkeit den Luftstrom über den Kühler verringert und gleichzeitig einen Beipass-Luftstrom entsprechend öffnet (Bild 5.7.2-3). Der Kaltwasserstrom durch den Luftkühler bleibt bei allen Lastzuständen konstant, damit keine Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf und gleichmäßige Temperaturverteilung hinter dem Luftkühler. Luftseitig muss für gute Durchmischung der gekühlten Luft mit der ungekühlten Beipassluft gesorgt werden. Wenn bei ganz geschlossener Luftkühlerklappe auch der Kaltwasserdurchfluß abgesperrt wird, ist die entsprechende Rückwirkung auf den Kaltwasserkreislauf zu beachten.

5.7.3 Regelung des Kaltwasserkreislaufes

2091 DVD

Bild 5.7.2-3. Regelung der Kühlleistung durch Beipassklappe am Kühler.

5.7.3

Regelung des Kaltwasserkreislaufes

Der Kaltwasserkreislauf besteht aus dem Erzeugerteil mit den Kältemaschinen-Verdampfern und dem Verbraucherteil mit den Luftkühlern, sowie den zugehörigen Zirkulationspumpen. Für den Erzeugerteil besteht die Forderung, dass der Wasserstrom durch den Verdampfer um höchstens ±10% vom Nennwasserstrom abweichen darf. Anderenfalls sind Schwierigkeiten in der Regelung der Kältemaschinen zu erwarten, bei zu niedrigem Durchsatz besteht außerdem Einfriergefahr. Die Forderung nach konstantem Verdampfer-Wasserstrom muss also erfüllt werden bei allen durch die Klimaregelung bedingten Veränderungen im Verbraucherteil.

-1

Kaltwasserkreislauf mit einer Pumpe

Die beiden möglichen Schaltungen bei Verwendung einer gemeinsamen Pumpe für Erzeuger- und Verbraucherteil zeigt Bild 5.7.3-1. Erfolgt die Regelung des Luftkühlers, oder auch mehrerer parallel geschalteter, über Dreiwegeventil(e), so bleibt bei richtiger Auslegung der Beipasswiderstände und der Pumpe der Kaltwasserstrom im Verbraucherteil innerhalb der zulässigen Abweichungen konstant. Damit ist die Forderung für den Verdampfer auf der Erzeugerseite ohne weitere Maßnahmen erfüllt.

Bild 5.7.3-1. Schema des Kaltwasserkreislaufs bei Wasserkühlsätzen. Links: mit Durchgangsventilen, rechts: mit Dreiwegeventilen

Erfolgt die Luftkühler-Regelung durch Durchgangsventile oder als Beimisch-Regelung nach Bild 5.7.2-2, so wird der Strömungswiderstand im Verbraucherteil um so größer, je weiter die Ventile schließen. Dementsprechend würde die Förderleistung der Zirkulationspumpe zurückgehen gemäß der Pumpenkennlinie bis zur Nullförderung bei ganz geschlossenen Ventilen. Zur Erfüllung der Forderung nach konstantem Wasserstrom durch den Verdampfer muss deshalb eine Beipass- oder Überström-Leitung geöffnet werden, wenn die Regelventile der Luftkühler schließen. Ansteuerung des Überströmventils meistens durch Differenzdruck zwischen KaltwasserVor- und -Rücklauf. Setzt jedoch voraus, dass Arbeitspunkt der Pumpe im steilen Teil der Kennlinie liegt. Erforderliche Druckerhöhung für vollen Stellweg des Überströmventils darf Förderleistung um nicht mehr als 10% verringern.

DVD 2092

5. Kältetechnik / 5.7 Regelung von Luftkühlanlagen

Gleiche Schaltung auch möglich mit mehreren Verdampfern (Wasserkühlsätzen). Bei Hintereinanderschaltung fließt voller Wasserstrom stets durch alle Verdampfer, entsprechend hoher Strömungswiderstand und Energieverbrauch der Pumpe. Bei Parallelschaltung ergibt sich bei Teillast höhere Kaltwasser-Vorlauftemperatur, da auf VorlaufSollwert gekühltes Wasser aus arbeitendem Wasserkühlsatz gemischt wird mit ungekühltem Wasser (Rücklauftemperatur) aus nicht arbeitendem. Deshalb besser parallel arbeitende Wasserkühlsätze gemeinsam mit Teillast betreiben.

-2

Kaltwasserkreislauf mit mehreren Pumpen

Bei großen Klimaanlagen werden im Verbraucherteil häufig einzelne Pumpen für die verschiedenen angeschlossenen Zonen und Anlagen vorgesehen, die je nach Bedarf zuund abgeschaltet werden. Zur Energieeinsparung wird zunehmend im Teillastbereich auch die Kaltwasser-Umlaufmenge reduziert, z.B. durch polumschaltbare Pumpenmotoren oder Abschaltung einzelner von mehreren parallel arbeitenden Pumpen. Um bei dieser Anordnung die Forderung nach konstantem Wasserstrom durch den Verdampfer in jedem der installierten Wasserkühlsätze zu erfüllen, erhält jeder Wasserkühlsatz seine eigene Zirkulationspumpe (Bild 5.7.3-2). Diese müssen mit Rückschlagklappen ausgerüstet sein, um Rückströmung durch nicht arbeitende Verdampfer zu vermeiden.

Bild 5.7.3-2. Parallelschaltung von drei Wasserkühlsätzen mit separaten Verbraucherkreisläufen.

Erzeuger- und Verbraucherkreisläufe werden miteinander verbunden über einen Vorlaufverteiler und einen Rücklaufsammler, zwischen denen eine Überström-(Beipass-)Leitung die unterschiedlichen Zirkulationsmengen ausgleichen muss (Durchfluß in beiden Richtungen möglich). Derartige Anlagen erfordern eine sehr sorgfältige Planung, sowohl hinsichtlich des hydraulischen Systems – Abstimmung der Anlagenkennlinien mit den Pumpenkennlinien bei allen auftretenden Betriebszuständen –, wie auch für die Regelung, hier insbesondere für die Zuschaltung der verschiedenen Wasserkühlsätze. Da sich mit jeder Zu- und Abschaltung eines Wasserkühlsatzes auch der Kaltwasserstrom auf der Erzeugerseite ändert, kann die Kaltwassertemperatur im allgemeinen nicht mehr als Meßgröße für diese Regelaufgabe dienen, da das Regelverhalten instabil wird. Besser sind eindeutige Leistungsforderungen, wie z.B. aus Außentemperatur und/oder Anzahl (und Größe) der eingeschalteten Anlagen auf der Verbraucherseite. Als Meßgröße für die jeweils eingeschaltete Pumpenleistung kann z.B. die Strömungsrichtung in der Überströmleitung zwischen Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler dienen.

5.7.4

Regelung der Wasserkühlsätze

Die gewünschte Kaltwasser-Vorlauftemperatur (Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden, abgekühlten Wassers) kann nur bei stetigen Regelungen (Heißgas-Beipass, Schieber bei Schraubenverdichtern, Dralldrossel bei Turboverdichtern, Frequenzwandler) als Regelgröße dienen. Bei allen stufenweisen Regelungen (Zu- und Abschaltung von Verdichtern oder einzelnen Zylindern) wird Vorlaufregelung instabil, wenn nicht die

5.7.4 Regelung der Wasserkühlsätze

2093 DVD

Schaltdifferenz des Reglerbefehls (in K) deutlich größer ist als die durch die zugeschaltete Stufe erzeugte Abkühlung des Wasserstroms (in K). Da diese Forderung in der Praxis schwer zu erfüllen ist, erfolgt Stufenschaltung sowie Ein- und Aus-Schaltung der Verdichter meistens von der Rücklauftemperatur (Temperatur des in den Verdampfer eintretenden, von der Klimaanlage erwärmt zurückkommenden Wassers). Die gewünschte Vorlauftemperatur ergibt sich dabei aus der Temperaturabsenkung des durchgesetzten Wasserstroms durch die zugeschaltete Kälteleistung. Der Wasserstrom muss deshalb konstant sein, zulässige Abweichung ± 10%, wenn die verlangte Vorlauftemperatur erreicht werden soll. Zu geringer Wasserdurchsatz ergibt zu niedrige Austrittstemperaturen, Einfriergefahr für den Verdampfer und über Ansprechen des Frostschutzthermostaten Störungsabschaltung der Kältemaschine. Mit zunehmender Entwicklung der Microelektronik werden seit einigen Jahren auch brauchbare Vorlauftemperatur-Regelungen geliefert. Hierbei ist besonders auf konstanten Kaltwasser-Massenstrom zu achten; eine unzulässige Verringerung kann zu sehr kurzen Verdichterlaufzeiten führen und damit ohne Vorwarnung (Frostschutzthermostat und Öldifferenzdruckschalter sprechen nicht an!) zu Verdichterschäden wegen Ölmangel. Stabilitätsverhalten der Regelung hängt auch ab von der Speichermasse des gesamten Wasserkreislaufes einschließlich Verbraucherseite. Ein Überströmventil nahe am Verdampfer kann Regelung instabil machen, da Austrittstemperatur infolge zu geringer Speichermasse sich sofort im Rücklauf (Meßort) auswirkt. Deshalb Überströmventile möglichst weit vom Erzeugerkreis entfernt anordnen, um Speicherung zu vergrößern oder in der Bypass-Leitung einen Wasser(schicht)speicher einbauen. Schichttemperatur kann zum Zu- und Abschalten von Verdichtern oder einzelner Leistungsstufen genutzt werden. Die Regelungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Verdichterbauart und entsprechen weitgehend den schon in Abschn. 5.7.1 s. S. 2085 beschriebenen Verfahren.

DVD 2094

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

5.8

Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

Bei kleinen Kälteleistungen – also etwa bis 50 kW – ist es üblich, Schrank-Klimageräte mit eingebauter Kältemaschine aufzustellen. Abschn. 3.4.2 s. S. 1587. Bei zentraler Luftaufbereitung mit mittleren Kälteleistungen – etwa bis 300 kW – wird der Verdampfer der Kälteanlage als Luftkühler häufig direkt in das Zentralgerät eingebaut. Kälteverdichter und Verflüssiger – meistens wassergekühlt – werden in einem separaten Kältemaschinenraum aufgestellt, um Geräuschübertragung zu vermeiden. Wasserrückkühlung des Verflüssigerkühlwassers meistens in einem Rückkühlwerk. Ein separater Maschinenraum ist bei noch größeren Leistungen sinnvoll, wenn nicht gar aus der EN 378 vorgegeben. In der Regel werden Wasserkühlsätze verwendet, sie haben einen erheblichen Platzbedarf. Die Grundsätze für Konstruktion, Herstellung, Prüfung, Aufstellung, Betrieb und Instandhaltung werden in der europäischen Norm EN 378 T1-T4 festgelegt: Teil 1 Grundlegende Anforderungen, Definitionen, Klassifikationen und Auswahlkriterien Teil 2 Konstruktion, Herstellung, Prüfung, Kennzeichnung und Dokumentation Teil 3 Aufstellungsort und Schutz von Personen Teil 4 Betrieb, Instandhaltung, Instandsetzung und Rückgewinnung. In Deutschland ist noch DIN 8975-11 (Ammoniak) als Ergänzung in Kraft. Weiterhin zu beachten ist die BGR 500 Kap. 2.35 (Berufsgenossenschaftliche Regeln. Die Hersteller haben die Maschinenrichtlinie (Masch RL 2006/42/EG) und die Druckgeräterichtlinie (Druckgeräte RL 97/23/EG 1997) einzuhalten und führen exemplarisch eine Gefahrenanalyse nach der EN 1050 (01/1997) „Leitsätze zur Risikobeurteilung“ durch. Dort legt der Hersteller fest, nach welchen Regelwerken, harmonisierten Normen und Vorschriften die Anforderungen der Richtlinie erfüllt werden. In der Betriebsanleitung, ein sehr wichtiges Dokument, verweist er auf bestehende Restgefahren. Mit dem CE-Zeichen an der Anlage und der mitgelieferten Herstellererklärung (oder Konformitätserklärung) bestätigt der Lieferant die Einhaltung der Vorgaben der Maschinen-, Druckgeräte- und Niederspannungs-Richtlinien sowie der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV. Tafel 5.8.1-1

Hierarchie der Gesetze

Die Regelungen trennen die Verantwortlichkeiten des Herstellers und des Betreibers. Der Hersteller hat die europäisch harmonisierten Regelwerke einzuhalten, während der

5.8.1 Aufstellungsbereiche

2095 DVD

Betreiber die nationalen Betriebssicherheitsverordnungen zu beachten hat und mit der Betriebsanweisung Sorge trägt, Menschen, Umwelt und Güter zu schützen. Vor der Inbetriebnahme prüft eine unabhängige Prüforganisation die Einhaltung der DruckgeräteRichtline, falls zutreffend. Der VDMA gibt das Einheitsblatt VDMA 24 020 für Kälteanlagen mit Ammoniak (Teil 1) und für nichtbrennbae Kältemittel (Teil 2) heraus, in dem die vom Betreiber zu beachtenden Gesetze und Verordnungen zusammengefasst und in Auszügen zitiert werden.1) Die DIN EN 378 definiert und begrenzt in den Aufstellungsbereichen die Ausführungsarten von Kühl- und Heizsystemen und der Kältemittelgruppen. Kältemittel sind selbst oder durch das darin enthaltenen Kältemaschinenöl wassergefährdend im Sinne des Wasserhaushaltsgesetzes (s. Abschn. 1.9.4 s. S. 460).

5.8.1

Aufstellungsbereiche

Die Norm DIN EN 378 definiert drei Arten der Aufstellung von Kälteanlagen: – Kälteanlagen in einem Personen-Aufenthaltsbereich, welcher kein besonderer Maschinenraum ist. Diese Aufstellung wird als sensibel eingestuft und deshalb noch weiter eingeschränkt durch die Definition von Aufenthaltsbereichen A, B und C. – Kälteanlagen, deren Hochdruckseite in einem besonderen Maschinenraum oder im Freien aufgestellt ist – Kälteanlagen, bei der alle kälteführenden Teile in einem besonderen Maschinenraum untergebracht sind. Bereiche A, B und C, in denen die Aufstellung einer Kälteanlage die Sicherheit beeinflussen würde. sind Aufstellungsbereich A: Räume, Gebäudeteile, Gebäude – in denen Personen schlafen dürfen, – in denen Personen in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt sind, – in denen sich eine unkontrollierte Anzahl von Personen aufhält oder zu denen jede Person Zutritt hat, ohne persönlich mit den Sicherheitsvorkehrungen vertraut zu sein;

Aufstellungsbereich B: Räume, Gebäudeteile, Gebäude – in denen sich nur eine bestimmte Anzahl von Personen aufhalten darf, von denen mindestens einige mit den allgemeinen Sicherheitsvorkehrungen der Einrichtung vertraut sein müssen;

Aufstellungsbereich C: Räume, Gebäudeteile, Gebäude – zu denen nur befugte Personen Zutritt haben, die mit den allgemeinen und besonderen Sicherheitsvorkehrungen der Einrichtung vertraut sind, – in denen Materialien oder Güter hergestellt, verarbeitet oder gelagert werden;

zum Beispiel: Krankenhäuser, Gerichtsgebäude oder Gefängnisse, Theater, Supermärkte, Schulen, Vortragsräume, Bahnhöfe, Hotels, Wohnungen, Gaststätten.

zum Beispiel: Büro- oder Geschäftsräume, Laboratorien, Räume für allgemeine Fabrikations- und Arbeitszwecke.

zum Beispiel: Produktionseinrichtungen, z.B. für Chemikalien, Nahrungsmittel, Getränke, Industrie- und Speiseeis, Raffinerien, Kühlhallen, Molkereien, Schlachthöfe, nicht-öffentliche Bereiche in Supermärkten.

1)

Zu beziehen bei VDMA, Kälte- und Wärmepumpentechnik, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt, Fax (069) 6603-2276.

DVD 2096

5.8.2

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

Kälteübertragungssysteme

Die Norm DIN EN 378 definiert offene und geschlossene und, mit ihnen kombiniert, direkte und indirekte Wärmeübertragungssysteme in Kälteanlagen und Wärmepumpen: a) Direktes geschlossenes System (s. Abschn. 5.5.2 s. S. 2032). Kältemittel in geschlossenem Kreislauf steht in direktem Wärmeaustausch mit der Raumluft. b) Indirektes offenes System, z.B. ein Wasserkühlsatz, der Wasser abkühlt, das in einem Luftwäscher versprüht wird. c) Indirektes gelüftetes offenes System, z.B. ein System nach b), bei welchem die Verdampferschlangen in einem zur Umgebung offenen Behälter in einem belüfteten Maschinenraum angeordnet sind. d) Indirektes geschlossenes System, z.B. ein Wasserkühlsatz mit Rippenrohr-Luftkühlern, die vom Kaltwasser durchströmt werden. e) Indirektes geschlossenes gelüftetes System. Wie d), jedoch Verdampferschlange in offenem Behälter wie bei c). f) Doppelt indirektes System, z.B. von einem Wasserkühlsatz über einen zusätzlichen Gegenstromapparat gekühltes Wasser. Hier nicht aufgeführt, aber in den Aufstellungsbedingungen genannt werden „dauerhaft geschlossene Anlagen“. Damit sind hermetisch geschlossene Systeme gemeint, deren Rohrverbindungen gelötet oder verschweißt, also nicht lösbar sind, mit sogenannten Kapselverdichtern ohne Wellendurchführung, hier mit dg aufgeführt. Die Kennbuchstaben a bis f und zusätzlich dg werden in den Aufstellungsvorschriften zur Klassifizierung der Kälteanlagen verwendet.

5.8.3

Kältemittelgruppen

Die Norm DIN EN 378 klassifiziert Kältemittel nach nichtbrennbar/brennbar in drei Stufen und nach Giftigkeit in zwei Stufen. Zur Vereinfachung werden aus sechs möglichen schließlich drei Gruppen benannt und deren Verwendung nach Gefährdungspotential eingeschränkt. Die drei Gruppren sind: Gruppe L1: Nicht brennbare Kältemittel ohne gesundheitsgefährdende Wirkung. Hierzu gehören die Sicherheitskältemittel auf Fluor-Kohlenwasserstoffbasis und CO2. Gruppe L2: Giftige oder ätzende Kältemittel oder wenn Gemisch mit Luft eine untere Explosionsgrenze >3,5 Vol.-% hat. Für die Klimatechnik ist aus dieser Gruppe nur das Ammoniak, NH3, von Bedeutung. Gruppe L3: Kältemittel, deren Gemisch mit Luft eine untere Explosionsgrenze < 3,5 Vol.-% hat. Aus dieser Gruppe könnte für die Klimatechnik Propan, R290, interessant werden. Die Anwendung der Kältemittel und Aufstellung der Kälteanlage richtet sich nach dem „Praktischen Grenzwert PL“, der angibt, wieviel kg Kältemittelfüllung je abgeschlossenem Kreislauf zulässig sind je m3 des kleinsten Raumes, in welchem das Kältemittel plötzlich und in größerer Menge freigesetzt werden könnte. Die Grenzwerte entsprechen nicht den MAKWerten der aufgeführten Stoffe. Eine Auswahl von Kältemitteln aus der DIN EN 378: Gruppe Kältemittel Praktischer Grenzwert PL Nummer kg/m3 L1 R 125 0,39 R 134a 0,25 R 404A 0,48 R 407C 0,31 R 410A 0,44 R 507 0,49 R 744 (CO2) 0,1 L2 R 123 0,1 R 717 (Ammoniak) 0,00035 L3 R 290 (Propan) 0,008 R 1270 (Propylen) 0,008

5.8.4 Aufstellungsvorschriften

2097 DVD

Der PL-Wert multipliziert mit dem Volumen des Raumes ergibt die im Aufstellungsbereich zulässige Füllmenge. Die Verwendung der so errechneten Füllmengen wird in den Aufstellungsvorschriften näher erläutert. Darüber hinaus werden je nach Kältemittel und Aufstellung weitere Grenzwerte in kg Füllmenge genannt, die nicht überschritten werden dürfen. Bei brennbaren Kältemitteln ist zusätzlich die Norm DIN 7003:1995-12 zu beachten1).

5.8.4

Aufstellungsvorschriften

Entsprechend der möglichen Gefährdung von Personen, der Umwelt und/oder von Gütern sind die in den Aufstellungsbereichen (A, B, C nach Abschn. 5.8.1 s. S. 2095) zulässigen Füllmengen der Kältemittel (L1, L2, L3 nach Abschn. 5.8.3 s. S. 2096) eingeschränkt. Es wird nach drei Aufstellungsbedingungen der Kälteanlage unterschieden: Aufstellung direkt im Bereich A, B oder C; Aufstellung des Hochdruckteiles (Verdichter, Verflüssiger, Sammler) in einem eigenen Maschinenraum oder im Freien; Aufstellung der kompletten Kälteanlage in einem eigenen Maschinenraum oder im Freien. Zudem wird unterschieden nach den Kälteübertragungssystemen (Abschn. 5.8.2 s. S. 2096). Nach dieser Auffächerung der Bedingungen sind die zulässigen Kältemittelmengen zu ermitteln.

1)

Petz, M.: Ki 1/95. S. 14/18.

DVD 2098

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

Tafel 5.8.4-1

5.8.5 Maschinenraum

5.8.5

2099 DVD

Maschinenraum

Die Tafel 5.8.5-1 gibt Mindestabmessungen der Aufstellungs- und Maschinenräume an. Der Flächenbedarf für Rückkühlwerke ist etwa doppelt so groß. Siehe auch VDI 3803:1986-11. Alle Kältemaschinenräume müssen Lüftungseinrichtungen haben, um zu hohe Raumtemperaturen und bei Kältemittelverlusten eine zu hohe Konzentration an Dämpfen zu verhindern. Die DIN EN 378-3 nennt in Abhängigkeit von der Kältemittelfüllung G folgende Mindestwerte: 2 · Bei mechanischer Lüftung V = 50 3 G [m3/h] bei natürlicher Lüftung A = 0,14 G [m2] G = Füllgewicht [kg] · V = Volumenstrom [m3/h] A = Fläche der Lüftungsöffnung [m2] Das Füllgewicht G muss bei jeder Anlage berechnet werden. Richtwerte etwa: bei Kolbenverdichtern 0,5…0,05, bei Turboverdichtern 1,0…0,40 kg/kW-Kälteleistung, je nach Größe der Leistung. Tafel 5.8.5-1

Platzbedarf von Wasserkühlsätzen

Luftabsaugung in Fußhöhe, weil die HFKW-Kältemittel schwerer als Luft sind (bei Ammoniak Absaugung oben, da leichter als Luft). Die Maschinenraumbelüftung muss auch in der Lage sein, die durch normale Antriebsmotoren entwickelte Wärme abzuführen, ohne dass eine Raumtemperatur von 40 °C überschritten wird. In kritischen Fällen empfiehlt sich Verwendung von wassergekühlten Motoren oder von Standardmotoren mit angebautem Luftkühler. Der Maschinenraum sollte möglichst im Erdgeschoß des Gebäudes an einer Außenwand liegen. Das erleichtert die Einbringungen, was insbesondere bei werksmontierten Wasserkühlsätzen von Bedeutung ist, und ergibt kurze Wege für Be- und Entlüftung und für die Sicherheits-Abblaseleitung. Bei der Anordnung der Kältemaschinen im Raum beachten: Gute Zugänglichkeit von allen Seiten erleichtert Wartung und eventuelle Reparaturen. Die Hersteller geben in Fundament- und Aufstellungsplänen Mindestmaße an. Beispielsweise muss Platz vorhanden sein, um mit Reinigungsbürsten hantieren und notfalls Verflüssigerrohre nach einer Seite hin ausbauen zu können. Hinreichende Raumhöhe zur Anbringung von Hebezeugen oberhalb der Maschinen ist ebenfalls wichtig (s. Tafel 5.8.5-1 und Bild 5.8.5-1).

DVD 2100

5. Kältetechnik / 5.8 Aufstellung von Kälteanlagen, Maschinenraum, Geräusche

Bild 5.8.5-1. Kältezentrale mit Wasserkühlsatz.

Zur Vermeidung von Körperschallübertragung ist Aufstellung von Verdichtern und Wasserkühlsätzen auf schwingungs- und geräuschdämmender Unterlage nötig. Flexible Wasseranschlüsse und elastische Rohraufhängung sind aus den gleichen Gründen zweckmäßig. Verkleidung der Wände und der Decke mit schallabsorbierendem Material kann in besonderen Fällen notwendig sein. Bezüglich Energie- und Wasserversorgung gilt folgendes: Die normale Betriebsspannung für Verdichterantriebe ist 220/380 V. Bei größeren Antriebsleistungen kann die Verwendung von Hochspannungsmotoren wirtschaftlich günstiger sein1). Als Normspannungen kommen dann 6 und 10 kV in Frage. Für Lithiumbromid-Wasser-Absorptionssätze, s. Abschn. 5.5.3-5 s. S. 2044, müssen als Heizmittel entweder Heißwasser von 80…150 °C oder Dampf von 1…2 bar abs. geliefert werden. Das zur Wasserersparnis notwendige Rückkühlwerk soll möglichst im Freien, in der Regel auf dem Dach, aufgestellt werden; die Kühlwasserpumpen werden zusammen mit den Kaltwasserpumpen im Maschinenraum aufgestellt. Unterbringung des Rückkühlwerks im Gebäude, z.B. in einem separaten Keller, ist möglich, aber umständlich. Immerhin sind pro kW Kälteleistung ca. 130…170 m3/h Luft zu- und abzuführen, wenn die üblichen Nenntemperaturen – Abschn. 5.5.3-1 s. S. 2032 – zugrunde gelegt werden. Belästigungen der Nachbarschaft durch Geräusche und Sprühverluste! Frischwasserbedarf des Kühlturms s. Abschn. 5.4.8-3 s. S. 2027. Der Maschinenraum ist mit einer Entwässerung auszurüsten, jedoch ist der Abfluß verschließbar oder kontrolliert ableitbar zu machen, weil Kältemittel selbst oder die in ihnen gelösten Kältemaschinenöle als wassergefährdend eingestuft sein können. Raumheizung zur Vermeidung von Einfriergefahr bei stehender Anlage ist einzubauen.

1)

Böttcher, C.: VDI-Berichte Nr. 136, 1969. S. 35/42. Böttcher, C.: Kältetechn. Klimatisierung 7/68. S. 215/18.

5.8.6 Geräuschentwicklung

5.8.6

2101 DVD

Geräuschentwicklung1)

Zur Berechnung des Schalldruckpegels im Maschinenraum, in benachbarten Räumen oder – bei Aufstellung im Freien – vor den Fenstern benachbarter Gebäude ist es notwendig, den Schalleistungspegel der Geräuscherzeuger zu kennen. Bild 5.8.6-1 gibt Richtwerte für den A-bewerteten Schalleistungspegel LWA von Kälteverdichtern, bezogen auf die Kälteleistung bei den in der Klimatechnik üblichen Nennbedingungen für die Wasserkühlung. Die zusätzliche Geräuschentwicklung elektrischer Antriebsmotoren liegt innerhalb des Toleranzfeldes der Angaben, die höhere Geräuschentwicklung thermischer Antriebe muss separat ermittelt und addiert werden.

Bild 5.8.6-1. Richtwerte des Schalleistungspegels LWA für Kälteverdichter, abhängig von der Kälteleistung Q0 bei Kaltwassersatz-Nennbedingungen: Kaltwasseraustritt 6 °C, Kühlwasseraustritt 32 °C. Mittelwerte von zahlreichen Fabrikaten. Genauigkeit ±5 dB.

Bild 5.8.6-2 gibt Richtwerte für den A-bewerteten Schalleistungspegel LWA von Ventilatoren in Rückkühlwerken und luftgekühlten Verflüssigern. Die hier gegebenen Richtwerte beziehen sich auf den Betrieb im Punkt des optimalen Wirkungsgrades bei ungestörter Zu- und Abströmung der Luft. Bei Störungen (Wirbelbildungen) des Luftstromes und bei Abweichung vom Optimalpunkt können Pegelzunahmen bis zu 10 dB auftreten. Berechnung der Schalldruckpegel nach Regeln der Akustik unter Berücksichtigung von Absorption, Reflexion, Meßortabstand, Richtwirkung. Beachten, dass Schallleistung der einzelnen Verdichter und/oder Ventilatoren getrennt zu ermitteln und akustisch zu addieren ist (z.B. zweite Schallquelle gleicher Schalleistung ergibt Pegelzunahme um 3dB). Akustische Berechnung zeigt, ob und in welchem Umfang Maßnahmen zur Schalldämmung und/oder Schalldämpfung erforderlich werden. Schalldämpfung in der Regel teuer, daher Grenzwerte überlegt vorgeben. Rückwirkung auf Luftmengenstrom (Kühltürme) beachten.

Bild 5.8.6-2. Richtwerte des Schallleistungspegels LWA für Ventilatoren, abhängig von Luftvolumenstrom und Gesamtdruckdifferenz. Mittelwerte über verschiedene Fabrikate und Bauarten bei Betrieb im Wirkungsgrad-Optimum. Genauigkeit ±5 dB.

1)

Preisendanz, K.: KKT 1/81. 5 S. Hartmann, K.: KK 3/84. S. 88.

6.1.1 Rechtsgebiete

2103 DVD

6

ANHANG

6.1

Deutsche bundes1)- und landesgesetz2)liche Regelungen

6.1.1

Rechtsgebiete

Gesetzliche Regelungen, die technische Gebäudeausrüstung betreffend, sind in verschiedenen Rechtsgebieten anzutreffen: 1. Bauordnungsrecht 2. Bauplanungsrecht 3. Sicherheits- und Gewerberecht 4. Immissions- und Umweltschutzrecht 5. Natur-, Wald-, Wasser- und Straßenrecht sowie ähnliche Rechtsgebiete 6. Sonstige Rechtsgebiete 7. Verfahrens- und Gebührenrecht Zu unterscheiden sind die Landes- und Bundesgesetze (Bundesrecht bricht Landesrecht) und die EU-Vorschriften3) (s. Abschn. 6.2 s. S. 2145). Nachfolgend sind einige gesetzliche Regelungen aufgeführt, wobei als Beispiel für die 16 deutschen Bundesländer Landesgesetze von Nordrhein-Westfalen erwähnt sind. Entgegen bisheriger Praxis bei früheren Auflagen werden nachfolgend – wegen aktueller kostenloser gesetzlicher Darstellung im Internet – die angeführten gesetzlichen Regelungen hier nicht mehr mit Bekanntmachungsdaten und Fundstellen ausgewiesen.

-1

Bauordnungsrecht

Das Bauordnungsrecht ist Ländersache. Aus diesem Grunde haben sich die für Bau-, Wohnungs- und Siedlungswesen zuständigen Minister der Länder zur Arbeitsgemeinschaft der Bauminister, der ARGEBAU, zusammengetan. In Fachkommissionen und Arbeitskreisen werden Fragen des Städtebaus, der Bauaufsicht, der Baunormung, der Sonderbauten, der haustechnischen Anlagen, der EU-Koordinierung u.a.m. beraten, Musterverordnungen für die Länder erarbeitet und gemeinsame Belange vertreten. Die Länder erlassen in eigener Zuständigkeit, größtenteils angepaßt an Mustertexte der ARGEBAU, Baurecht, wie z.B. in NRW Regelungen wie – Landesbauordnung einschl. Verwaltungsvorschrift – Technische Prüfverordnung – Einführung Technischer Baubestimmungen nach § 3 Abs. 3 BauONRW – Feuerungsverordnung – Verkaufsstättenverordnung – Versammlungsstättenverordnung 1)

2) 3)

Veröffentlichungen im Bundesgesetzblatt (www.bundesgesetzblatt.de)zu beziehen bei der Bundesanzeiger-Verlagsgesellschaft mbH, Postfach 1320, 53003 Bonn, und unter www.gesetze-im-internet.de. z.B. www.justiz.nrw.de z.B. eur-lex.europa.eu

DVD 2104 – – – – – –

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Garagenverordnung Verordnung über den Bau von Betriebsräumen für elektrische Anlagen Hochhausverordnung Krankenhausbauverordnung Arbeitsstättenerlaß Brandschutztechnische Anforderungen an Lüftungsanlagen

-2

Bauplanungsrecht1)

– Baugesetzbuch (BauGB)

-3

Sicherheits- und Gewerberecht1)

Gerätesicherheitsgesetz Druckgeräteverordnung Explosionsschutzverordnung Betriebssicherheitsverordnung Verordnung über das Inverkehrbringen von einfachen Druckbehältern Gasverbrauchseinrichtungsverordnung Maschinenverordnung Arbeitsstättenverordnung Arbeitsstättenrichtlinien (ASR) ASR 5 Lüftung ASR 6 Raumtemperaturen ASR 7/3 Künstliche Beleuchtung ASR 34/1–5 Umkleideräume ASR 35/1–4 Waschräume ASR 37/1 Toilettenräume ASR 45/1–6 Tagesunterkünfte auf Baustellen ASR 47/1–3,5 Waschräume für Baustellen ASR 48/1,2 Toiletten auf Baustellen Verordnung über die Organisation der technischen Überwachung Gaststättengesetz Gaststättenverordnung NRW Verordnung über bauliche Mindestanforderungen für Altenheime, Altenwohnheime und Pflegeheime für Volljährige (HeimMindBauV) Lebensmittelhygiene-Verordnung

-4

Immissions- und Umweltschutzrecht1)

Bundes-Immissionsschutzgesetz Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen Verordnung zur Emissionsbegrenzung von leichtflüchtigen Halogenkohlenwasserstoffen Verordnung über Schwefelgehalt bestimmter flüssiger Brenn- oder Kraftstoffe Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen Verordnung über Immissionsschutz- und Störfallbeauftragte Verordnung zur Auswurfbegrenzung von Holzstaub Verordnung über Großfeuerungsanlagen Verordnung über die Verbrennung und Mitverbrennung von Abfällen Landes-Immissionsschutzgesetz NRW Smog-Verordnung NRW

1)

Im Bedarfsfall letzten Änderungsstand überprüfen.

6.1.2 Honorarordnung (HOAI)

2105 DVD

Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz Schornsteinfegergesetz Kehr- und Überprüfungsordnung NRW Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) Umwelthaftungsgesetz

-5

Natur-, Wald-, Wasser- und Straßenrecht sowie ähnliche Rechtsgebiete1)

Bundesnaturschutzgesetz Wasserhaushaltsgesetz

-6

Sonstige Rechtsgebiete1)2)

Energieeinsparungsgesetz Energieeinsparverordnung Verordnung über Heizkostenabrechnung Verordnung zur Regelung von Zuständigkeiten nach der Verordnung über Heizkostenabrechnung, NRW Brandschauverordnung NRW Gesetz zum Schutz der Berufsbezeichnungen „Architekt“, „Architektin“, „Stadtplaner“ und „Stadtplanerin“ sowie über die Architektenkammer, über den Schutz der Berufsbezeichnung „Beratender Ingenieur“ und „Beratende Ingenieurin“ sowie über die Ingenieurkammer-Bau, NRW Gesetz zum Schutze der Berufsbezeichnung „Ingenieur/Ingenieurin“, NRW Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

-7

Verfahren- und Gebührenrecht1)

Gesetz über Ordnungswidrigkeiten (OWiG) in der Fassung der Bekanntmachung vom 19. Februar 1987 (BGBl. I S. 602), geändert durch Gesetz vom 26.August 1998 (BGBl. I S. 2432) Gebührengesetz für das Land Nordrhein-Westfalen vom 23.August 1999 (GV. NW. S.524)

6.1.2

Honorarordnung (HOAI)2)

Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) vom 17. September 1976 (BGBl.I S. 2805), in der Fassung des 9.Euro-Einführungsgesetzes vom 10.November 2001 (BGBl. I S.2992), mit Teil IX „Leistungen bei der Technischen Ausrüstung“ (§ 68 bis § 76). Das Honorar für Leistungen bei der Technischen Gebäudeausrüstung richtet sich nach den Kosten der Anlagen, nach der Honorarzone, der die Anlagen angehören, und nach der Honorartafel. Honorarzone I: Anlagen mit geringen Planungsanforderungen, z.B. Gas- und Wasseranlagen mit einfachem Rohrnetz, einfache Heizungs- und Lüftungsanlagen. Honorarzone II: Gas- und Wasseranlagen mit umfangreichen Rohrnetzen; Heizungsanlagen mit besonderer Anforderung an die Regelung, Fernheiz- und Kältenetze, Lüftungsanlagen mit besonderen Anforderungen an Geräuschstärke und Zugfreiheit. Honorarzone III: Gas- und Wasseranlagen mit hohen Planungsanforderungen, Heißwasseranlagen, Wärmepumpen, Luftkühlanlagen, Klimaanlagen. 1) 2)

Im Bedarfsfall letzten Änderungsstand überprüfen. s.z.B. www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/aihono

DVD 2106

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Die einzelnen Leistungen werden in Hundertsteln des Grundhonorars nach Tafel 6.1.2-1 wie folgt bewertet (Leistungsbild): 1. Grundlagenermittlung 3% 2. Vorplanung 11% 3. Entwurfsplanung 15% 4. Genehmigungsplanung 6% 5. Ausführungsplanung 18% 6. Vorbereitung der Vergabe 6% 7. Mitwirkung bei der Vergabe 5% 8. Bauüberwachung 33% 9. Objektbetreuung und Dokumentation 3%. Tafel 6.1.2-1

Honorartafel für Grundleistungen bei der Technischen Ausrüstung von Gebäuden gemäß §74 HOAI (Stand 10. November 2001)

Anrechenbare Kosten Euro

Zone I von

Zone II bis

Euro

von

Zone III bis

Euro

von

bis Euro

5113 7500 10000 15000 20000 25000

1478 2031 2556 3548 4473 5347

1917 2624 3289 4528 5693 6808

1917 2624 3289 4528 5693 6808

2357 3216 4019 5503 6914 8273

2357 3216 4019 5503 6914 8273

2797 3809 4752 6484 8134 9734

30000 35000 40000 45000 50000

6177 6976 7733 8487 9234

7882 8913 9901 10856 11810

7882 8913 9901 10856 11810

9593 10847 12063 13219 14380

9593 10847 12063 13219 14380

11298 12784 14230 15588 16956

75000 100000 150000 200000 250000

12568 15622 21105 26415 31956

16041 19854 26593 32827 39250

16041 19854 26593 32827 39250

19518 24082 32082 39235 46548

19518 24082 32082 39235 46548

22991 28314 37571 45647 53842

300000 350000 400000 450000 500000

37512 43175 48818 54510 60231

45677 52249 58870 65482 72092

45677 52249 58870 65482 72092

53843 61323 68926 76452 83957

53843 61323 68926 76452 83957

62008 70397 78978 87424 95818

750000 1000000 1500000 2000000 2500000

87896 114267 164316 212619 259767

103271 131760 182612 231248 280334

103271 131760 182612 231248 280334

118651 149249 200903 249881 300907

118651 149249 200903 249881 300907

134025 166741 219199 268510 321474

3000000 3500000 3750000 3834689

304679 345783 365114 371515

326477 368653 388450 394999

326477 368653 388450 394999

348271 391527 411792 418487

348271 391527 411792 418487

370069 414398 435128 441971

6.1.3 Verdingungsordnungen für Leistungen (VOL und VOF)

6.1.3 -1

2107 DVD

Verdingungsordnungen für Leistungen (VOL und VOF) Verdingungsordnung für Leistungen – ausgenommen Bauleistungen – (VOL)

Die VOL (s. z.B. www.bmwi.de/BMWI/Redaktion/PDF/Gesetz/verdingungsordnungfuer-leistungen-vol-a) regelt in Teil A (VOL/A vom 6. April 2006 – BAnz. Nr. 100a v. 30. Mai 2006: Allgemeine Bestimmungen für die Vergabe von Leistungen) das Vergabeverfahren bei öffentlichen Aufträgen für Lieferungen und Leistungen, die nicht unter die VOB (s. Abschn. 6.1.4 s. S. 2107) fallen, die nicht Leistungen sind, die im Rahmen freiberuflicher Tätigkeit erbracht oder im Wettbewerb mit freiberuflich Tätigen angeboten werden und festgelegte Schwellenwerte nicht erreichen und Leistungen ab festgelegten Schwellenwerten, deren Lösung nicht vorab eindeutig und erschöpfend beschrieben werden kann (die also unter die VOF fallen). Ausnahmen und Differenzierungen s. in den 32 Paragraphen des VO-Textes. Im Teil B (VOL/B vom 5. August 2003 – BAnz. Nr. 178a v. 23. September 2003: Allgemeine Vertragsbedingungen für die Ausführung von Leistungen) werden Ausführungsbedingungen für Leistungen, insbesondere für Dienst-, Kauf- und Werkverträge sowie für Verträge über die Lieferung herzustellender oder zu erzeugender beweglicher Sachen in 19 Paragraphen formuliert.

-2

Verdingungsordnung für freiberufliche Leistungen (VOF)

Die VOF vom 16.03.2006 findet Anwendung für die Vergabe von Leistungen, die im Rahmen einer freiberuflichen Tätigkeit erbracht oder im Wettbewerb mit freiberuflich Tätigen angeboten werden (§ 1). Für Architekten- und Ingenieurleistungen werden zusätzliche Regelungen getroffen (§ 22–§ 26). Ausnahmen und Differenzierungen sollten den 26 Paragraphen des VO-Textes und den Anhängen entnommen werden.

6.1.4

Verdingungsordnung für Bauleistungen (VOB)

Gemäß Beschluss des Reichstags vom 9. März 1921 wurde zur gesetzlichen Regelung des Verdingungswesens der „Reichsverdingungsausschuß“ gegründet, der aus ehrenamtlich tätigen sachverständigen Vertretern der Baubehörden, des Reiches, der Länder, der Gemeinden, der Bauindustrie, des Handwerks, der Architekten und der Gewerkschaften bestand und 1947 als „Deutscher Verdingungsausschuß“ neu gebildet wurde. Durch die Gemeinschaftsarbeit anerkannter Sachverständiger wurde im Laufe der Jahre die „Verdingungsordnung für Bauleistungen (VOB)“ geschaffen, die in ganz Deutschland eine Vereinheitlichung und Vereinfachung des Verdingungswesens herbeiführte. Die Bestimmungen der VOB wurden auch vom Deutschen Normenausschuß als DIN-Normen übernommen. Heute ist der Deutsche Vergabe- und Vertragsanschluß für Bauleistungen (DVA), ein von den Interessengruppen paritätisch besetztes Gremium, für die Erarbeitung und Fortschreibung der VOB zuständig. Die VOB (s. z.B. www.bmvbs.de/-,1536/knoten.htm) ist im gesamten öffentlichen Bereich beim Bund, den Ländern und Gemeinden eingeführt. Es empfiehlt sich auch für private Auftraggeber und Auftragnehmer, bei der Vergabe und Ausführung von Heizungs- und Lüftungsanlagen die VOB zugrunde zu legen. Die Verdingungsordnung gliedert sich in folgende drei Abschnitte: A. Allgemeine Bestimmungen für die Vergabe von Bauleistungen (DIN 1960:2006-05). B. Allgemeine Vertragsbedingungen für die Ausführung von Bauleistungen (DIN 1961: 2006-10). C. Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV), Allgemeine Regelungen für Bauarbeiten jeder Art (DIN 18299:2006-10). Der Teil C, der sich in dauernder Entwicklung befindet, enthält Vorschriften für über 50 Gewerke, darunter DIN 18379:2002-12 Raumlufttechnische Anlagen. DIN 18380:2002-12 Heizunganlagen und zentrale Wassererwärmungsanlagen.

DVD 2108

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

DIN 18381:2002-12 Gas-, Wasser- und Abwasser-Installationsarbeiten innerhalb von Gebäuden. DIN 18382:2002-12 Nieder- und Mittelspannungsanlagen mit Nennspannungen bis 36 kV. DIN 18421:2002-12 Dämmarbeiten an technischen Anlagen. DIN 18451:2002-12 Gerüstarbeiten. Die vorzitierten Normen sind größtenteils als VOB 2002 im Dezember 2002 neu herausgekommen.

6.1.5

Energieeinsparverordnungen EnEV1) 2002, 2004 und 2007

Die Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung – EnEV) vom 16.11.2001, novelliert mit VO vom 25. 11. 2003 wurde am 24.07.2007 wiederum novelliert.

-1

Inhaltsübersicht der EnEV 2002 in Kurzform 2)

Abschn. 1: Allgemeine Vorschriften § 1 Geltungsbereich Gebäude mit normalen und niedrigen Innentemperaturen, einschließlich technischer Anlagen für Heizung, Lüftung, Warmwasserbereitung Ausnahmen: Betriebsgebäude für Tierhaltung/offengehaltene Betriebsgebäude/ unterirdische Bauten/Unterglasanlagen/Traglufthallen/Zelte § 2 Begriffsbestimmungen wichtige: – normale Innentemperatur ≥ 19°C, beheizt mehr als 4 Monate/Jahr – niedrige Innentemperatur >12 °C < 9 °C, beheizt mehr als 4 Monate/Jahr – erneuerbare Energien → Solarenergie/Umweltwärme/Erdwärme/Biomasse – Standardheizkessel → Betriebstemperatur begrenzt – Niedertemperaturheizkessel → Eintrittstemperatur von 35 bis 40 °C und evtl. Wasserdampf/Kondensation im Abgas – Brennwertkessel für Wasserdampfkondensation im Abgas konstruiert Abschn. 2: Zu errichtende Gebäude § 3 Gebäude mit normalen Innentemperaturen Ausführung: – Einhaltung des vorgegebenen max. Jahres-Primärenergiebedarfs und – Einhaltung des vorgegebenen max. Transmissionswärmeverlustes – Ausnahmen vom ersten Satzteil: Bei >70% Kraft-Wärmekopplung/Bei 70% Einsatz erneuerbarer Energien/bei überwiegend Einzelfeuerstätten/bei Sonder-Wärmeerzeugern § 4 Gebäude mit niedrigen Innentemperaturen Ausführung: Einhaltung des vorgegebenen max. Transmissionswärmeverlustes § 5 Dichtheit, Mindestluftwechsel Ausführung: – dauerhafte Luftundurchlässigkeit entsprechend Vorgaben – Sicherstellung des Mindestluftwechsels § 6 Mindestwärmeschutz, Wärmebrücken Ausführung: – Bauteile gegen Außenluft, Erdreich und Gebäudeteile mit niedrigen Innentemperaturen entsprechend Vorgaben Mindestwärmeschutz 1) 2)

Bundesgesetzblatt, Teil I, 21.11.2001, S. 3085–3102, 25.11.2003, S. 2304 und 24.07.2007, S. 1519– 1563 (zu beziehen bei der Bundesanzeiger-Verlagsgesellschaft mbH, Postfach 1320, 53003 Bonn. Buderus Heiztechnik GmbH – Technisches PR, 02.02.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2109 DVD

– Wärmebrücken so gering wie möglich. Resteinfluß bei Transmissionswärmeverlust und Primärenergiebedarf berücksichtigen § 7 Gebäude mit geringem Volumen Bei beheiztem Gebäudevolumen ≤ 100 m3 und Einhaltung von §§ 11 und 12, nur Anforderungen an max. Wärmedurchgangskoeffizienten Abschn. 3: Bestehende Gebäude und Anlagen § 8 Änderung von Gebäuden Bei Änderungen an Gebäuden sind maximale Wärmedurchgsangskoeffizienten einzuhalten. Betroffene Außenbauteile → bei Ersatz, Neueinbau oder Verbesserungs-/Erneuerungsmaßnahmen: – Außenwände – Außenfenster – Außentüren – Decken/Dächer/Dachschrägen – Vorhangfassaden nicht bei – Außenwänden/Fenstern/Türen, wenn < 20% der Bauteilflächen gleicher Orientierung (Ost, Südwest etc.) – Bei anderen Außenbauteilen, wenn < 20% der jeweiligen Bauteilflächen – Gilt als erfüllt, wenn: Das geänderte Gebäude insgesamt den nach EnEV-Vorgaben gesetzten Höchstwert um nicht mehr als 40% überschreitet. Bei Erweiterung um zusammenhängend > 30 m3 sind für den neuen Gebäudeteil die Vorschriften für zu errichtende Gebäude einzuhalten. § 9 Nachrüsten bei Anlagen und Gebäuden: – vor 1. Okt. 1978 eingebaute Heizkessel für flüssige/gasförmige Brennstoffe sind bis 31. Dez. 2006 außer Betrieb zu nehmen, bei Erneuerungen des Brenners nach 1. Nov. 1996 bis 31. Dez. 2008. – ungedämmte Wärmeverteilungs-/Warmwasserleitungen in ungeheizten Räumen sind bis 31. Dez. 2006 nach Vorgabe zu dämmen – ungedämmte oberste Geschossdecken beheizter Räume sind bis 31. Dez. 2006 mit k ≤ 0,3 W/(m2K) zu dämmen. Ausnahme: Niedertemperatur-Heizkessel und Brennwertkessel. Anlagen < 4 kW und > 400 kW Wohngebäude ≤ 2 Wohnungen und vom Eigentümer selbst bewohnt. Anforderungen dann nur zutreffend, wenn Eigentümerwechsel. Austauschfristen wie oben. § 10 Aufrechterhaltung der energetischen Qualität: – Veränderung der Außenbauteile dürfen die energetische Qulität nicht verschlechtern. Gleiches gilt für anlagentechnische Änderungen. – Energiebedarfssenkende Einrichtungen sind betriebsbereit zu erhalten und bestimmungsgemäß zu nutzen – Wärme-/Raumlufttechnische Anlagen sind sachgerecht zu bedienen, zu warten und instand zu halten – Für Wartung/Instandhaltung ist Fachkunde erforderlich. Abschn. 4: Heizungstechnische Anlagen, Warmwasseranlagen § 11 Inbetriebnahme von Heizkesseln: – Heizkessel für flüssige/gasförmige Brennstoffe mit Nennleistung 4…400 kW dürfen nur eingebaut/aufgestellt werden, wenn sie mit CE-Kennzeichnung versehen sind. Ausnahmen: – einzeln produzierte Heizkessel – bei Betrieb mit nicht marktüblichen flüssigen/gasförmigen Brennstoffen – Anlagen für ausschließlich Warmwasserbereitung – Geräte für Einzelraumbeheizung mit Warmwasserversorgung – Warmwasser-Speichersysteme < 6 kW mit Schwerkraftumlauf Die Geräte müssen nach anerkannten Regeln der Technik gegen Wärmeverluste gedämmt sein. Ebenso Heizkessel < 4 kW und >400 kW – Bei Gebäuden, deren Jahres-Primärenergiebedarf nicht nach §3 begrenzt ist, muss der Heizkessel ein Niedertemperatur- oder Brennwertkessel sein.

DVD 2110

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Ausnahme: Bestehende Gebäude mit normaler Innentemperatur, wenn der Jahres-Primärenergiebedarf die EnEV-Vorgabe um nicht mehr als 40% überschreitet. § 12 Verteilungseinrichtungen und Warmwasseranlagen – Zentralheizungen sind mit selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Anpassung der Wärmezufuhr und Steuerung elektrischer Antriebe auszustatten. – Raumweise Regelung der Außentemperatur Ausnahme: Einzelgeräte für feste/flüssige Brennstoffe Gruppenregelung vergleichbarer Räume – Umwälzpumpen in Anlagen >25 kW mindestens 3stufig regelbar – Warmwasser-Zirkulationspumpen mit selbsttätigen Ein-/Ausschalteinrichtungen – maximale Wärmeverluste von Verteilleitungen/Armaturen entsprechend Vorgaben – maximale Wärmeverluste von Heiz-/Warmwasserspeicher nach anerkannten Regeln der Technik Abschn. 5: Gemeinsame Vorschriften, Ordnungswidrigkeiten § 13 Ausweise über Energie- und Wärmeverbrauch, Energieverbrauchskennwerte – Für Gebäude nach § 3 • Ausstellung eines Energiebedarfsausweises • bei wesentlichen Änderungen, Ausstellung eines Energiebedarfsausweises, wenn entsprechende Berechnungen vorliegen – Für Gebäude nach § 4 • Ausstellung eines Wärmebedarfsausweises – Die Ausweise sind Behörden/Nutzern zugänglich zu machen – Wenn keine Ausweise vorliegen, können Energieverbrauchskennwerte genannt werden. § 14 Getrennte Berechnungen für Teile eines Gebäudes Teile eines Gebäudes dürfen wie eigenständige Gebäude behandelt werden. § 15 Regeln der Technik – Bekanntmachungen im Bundesanzeiger – Normungen/Bestimmungen auch anderer Mitgliederstaaten der Europäischen Gemeinschaft – Liegen keine anerkannten Regeln vor, sind Nachweise gegenüber zuständigen Behörden zu führen. § 16 Ausnahmen – Bei Baudenkmälern oder sonst erhaltenswerter Bausubstanz – Wenn das Verordnungsziel auch anderweitig erreichbar ist. Ausnahmegenehmigung durch länderrechtlich zuständige Behörde. § 17 Befreiung Befreiung bei unbilliger Härte durch länderrechtlich zuständige Behörde. § 18 Ordnungswidrigkeiten – Einbau/Aufstellung eines Heizkessels entgegen § 11 – nicht/nicht rechtzeitig Ausstattung entgegen § 12 – gegen § 12 abweichende Ausstattung von Umwälzpumpen – gegen § 12 abweichende Begrenzung von Wärmeverlusten Abschn. 6: Schlussbestimmungen § 19 Übergangsvorschrift Die Verordnung gilt nicht – wenn der Bauantrag vor Inkrafttreten der Verordnung gestellt wurde – bei anzeigefreien Bauvorhaben, wenn Baubeginn vor Inkrafttreten der Verordnung § 20 Inkrafttreten, Außerkrafttreten – § 13 I 5 / § 15 / § 16 II / der Verordnung treten am 22.11.2001, – sonstige am 01.02.2002 in Kraft. – Die WSchV vom 16. Aug. 1994 und die HeizAnlV vom 4. Mai 1998 treten am 01.02.2002 außer Kraft.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2111 DVD

Anhang 1: Anforderungen an zu errichtenden Gebäuden mit normalen Innentemperaturen Anhang 2: Anforderungen an zu errichtenden Gebäuden mit niedrigen Innentemperaturen Anhang 3: Anforderungen bei Änderung von Außenbauteilen bestehender Gebäude (zu § 8 Abs. 1) und bei Errichtung von Gebäuden mit geringem Volumen (§ 7) Anhang 4: Anforderungen an die Dichtheit und den Mindestluftwechsel (zu § 5) Anhang 5: Anforderungen zur Begrenzung der Wärmeabgabe von Wärmeverteilungsund Warmwasserleitungen sowie Armaturen (zu § 12 Abs. 5)

-2

Inhaltsübersicht der EnEV 2007 in Kurzform

-2.1

Inhaltsübersicht

Eingangsformel Inhaltsübersicht Abschnitt 1 Allgemeine Vorschriften § 1 Anwendungsbereich § 2 Begriffsbestimmungen Abschnitt 2 Zu errichtende Gebäude § 3 Anforderungen an Wohngebäude § 4 Anforderungen an Nichtwohngebäude § 5 Prüfung alternativer Energieversorgungssysteme § 6 Dichtheit, Mindestluftwechsel § 7 Mindestwärmeschutz, Wärmebrücken § 8 Anforderungen an kleine Gebäude Abschnitt 3 Bestehende Gebäude und Anlagen § 9 Änderung von Gebäuden § 10 Nachrüstung bei Anlagen und Gebäuden § 11 Aufrechterhaltung der energetischen Qualität § 12 Energetische Inspektion von Klimaanlagen Abschnitt 4 Anlagen der Heizungs-, Kühl- und Raumlufttechnik sowie der Warmwasserversorgung § 13 Inbetriebnahme von Heizkesseln § 14 Verteilungseinrichtungen und Warmwasseranlagen § 15 Klimaanlagen und sonstige Anlagen der Raumlufttechnik Abschnitt 5 Energieausweise und Empfehlungen für die Verbesserung der Energieeffizienz § 16 Ausstellung und Verwendung von Energieausweisen § 17 Grundsätze des Energieausweises § 18 Ausstellung auf der Grundlage des Energiebedarfs § 19 Ausstellung auf der Grundlage des Energieverbrauchs § 20 Empfehlungen für die Verbesserung der Energieeffizienz § 21 Ausstellungsberechtigung für bestehende Gebäude Abschnitt 6 Gemeinsame Vorschriften, Ordnungswidrigkeiten § 22 Gemischt genutzte Gebäude § 23 Regeln der Technik § 24 Ausnahmen

DVD 2112

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

§ 25 Befreiungen § 26 Verantwortliche § 27 Ordnungswidrigkeiten Abschnitt 7 Schlussvorschriften § 28 Allgemeine Übergangsvorschriften § 29 Übergangsvorschriften für Energieausweise und Aussteller § 30 Übergangsvorschriften zur Nachrüstung bei Anlagen und Gebäuden § 31 Inkrafttreten, Außerkrafttreten Schlussformel Anlage 1 (zu den §§ 3 und 9) Anforderungen an Wohngebäude Anlage 2 (zu den §§ 4 und 9) Anforderungen an Nichtwohngebäude Anlage 3 (zu den §§ 8, 9 Abs. 2 und 3, § 18 Abs. 2) Anforderungen bei Änderung von Außenbauteilen und bei Errichtung kleiner Gebäude; Randbedingungen und Maßgaben für die Bewertung bestehender Wohngebäude Anlage 4 (zu § 6) Anforderungen an die Dichtheit und den Mindestluftwechsel Anlage 5 (zu § 14 Abs. 5) Anforderungen zur Begrenzung der Wärmeabgabe von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen Anlage 6 (zu § 16) Muster Energieausweis Wohngebäude Anlage 7 (zu § 16) Muster Energieausweis Nichtwohngebäude Anlage 8 (zu § 16) Muster Aushang Energieausweis auf der Grundlage des Energiebedarfs Anlage 9 (zu § 16) Muster Aushang Energieausweis auf der Grundlage des Energieverbrauchs Anlage 10 (zu § 20) Muster Modernisierungsempfehlungen Anlage 11 (zu § 21 Abs. 2 Nr. 2) Anforderungen an die Inhalte der Fortbildung

-2.2

Die wichtigsten Aspekte und Forderungen der neuen EnEV 20071)

a) Einführung von Energieausweisen für den Gebäudebestand inklusive Aussagen, welche Personen- und Berufsgruppen mit welcher Qualifikation diese Ausweise ausstellen dürfen. Dabei gibt es unterschiedliche Regularien, Vorgehensweisen und Anforderungen bei Wohn- und Nichtwohngebäuden. b) Einführung von maximal erlaubten Jahres-Primärenergiebedarfswerten, die bei Neubauten und bei größere Modernisierungen von Gebäuden nicht überschritten werden dürfen. c) Fachplaner sind verpflichtet, bei Neubauten von Nichtwohngebäuden und größeren Sanierungen den Einsatz regenerativer Energien zu prüfen (besonders zu Heiz- und Kühlzwecken). d) Heizkessel im Leistungsspektrum von 4 bis 400 kW, die vor dem 1. Oktober 1978 eingebaut wurden, müssen außer Betrieb genommen werden. e) Für Klimaanlagen mit Kälteleistungen von mehr als 12 kW werden erstmals regelmäßige energetische Inspektionen vorgeschrieben.

1)

Stahl, Manfred: EnEV 2008 kompakt und verständlich, Promotor Verlag 2007, 24 S.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2113 DVD

f) Für raumlufttechnische und Klimaanlagen mit Luftvolumenströmen über 4.000 m3/h werden maximale elektrische Leistungsaufnahmen vorgegeben (SFP-Werte der Ventilatoren). In vielen Punkten verweist die EnEV bei Anforderungen an Nichtwohngebäude auf die umfangreiche Norm DIN V 18599 – in der EnEV sind deren Details meist nicht ausgeführt.

-3

Kommentar zur EnEV 20071)2) Ergänzungen von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Anton Maas, Kassel, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, München und Stuttgart, Dipl.-Ing. Kirsten Höttges, Kassel

-3.1

Einführung

Fünf Jahre nach Einführung der ersten Energieeinsparverordnung (EnEV 2002) und drei Jahre nach der „Reparatur-Novelle“ (EnEV 2004) tritt die EnEV 2007 in Kraft. Die wesentlichen Neuerungen, die mit der Einführung der neuen Verordnung einhergehen, sind – die Einführung von Energieausweisen für Gebäude – grundsätzlich für Neubauten und schrittweise im Gebäudebestand und – die umfassende energetische Bewertung von Nichtwohngebäuden unter Berücksichtigung aller wesentlichen Konditionierungsanteile. Für Wohngebäude werden sowohl die Anforderungsmethodik als auch das Nachweisverfahren aus der bisherigen Energieeinsparverordnung (EnEV 2002/2004) übernommen. Aufgrund der neu einzubeziehenden Bilanzanteile Beleuchtung und Kühlung/ Klimatisierung für Nichtwohngebäude wird ein neues Anforderungsmodell eingeführt und im Rahmen des Nachweisverfahrens auf eine neue Berechnungsmethode verwiesen. Eine Verschärfung des Anforderungsniveaus gegenüber der bisherigen Verordnung ist mit der neuen EnEV 2007 nicht umgesetzt. Ein solcher Schritt ist im Rahmen einer weiteren Novellierung – voraussichtlich 2009 - zu erwarten. In technischen Richtlinien, die als Ergänzung zur EnEV 2007 und den normativen Berechnungsverfahren zu sehen sind, werden die Festlegungen für die Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs von Bestandsgebäuden und die Vorgehensweise zur Ermittlung von Verbrauchskennwerten veröffentlicht. Mit der Novellierung der Energieeinsparverordnung folgt Deutschland den Forderungen der EU-Richtlinie über die „Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden“ (EPBD)3). Die Richtlinie sieht vor, dass – eine Berechnungsmethode festgelegt wird, – Mindestanforderungen an die Gesamtenergieeffizienz neuer Gebäude gestellt werden, – Mindestanforderungen an die Gesamtenergieeffizienz bestehender Gebäude, die einer größeren Renovierung unterzogen werden, gestellt werden, – regelmäßige Inspektionen von Heizkesseln und Klimaanlagen erfolgen, – dem potenziellen Käufer oder Mieter vom Eigentümer beim Bau, beim Verkauf oder bei der Vermietung von Gebäuden ein Ausweis über die Gesamtenergieeffizienz vorgelegt wird. Die wesentlichen im Einzelnen gestellten Anforderungen, ihre Berechnung und ihre Konsequenzen werden im Weiteren nach Erläuterungen der wichtigsten dort verwendeten Begriffe aufgezeigt.

1) 2) 3)

Erstfassung in 71. Auflage aus Bauphysik 1/2002. Normensammlung zur EnEV s. www.enev-normen.de. Richtlinie 2002/91/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. Dezember 2002 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften Nr. L 1/ 65 vom 4.1.2003.

DVD 2114

-3.2

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Begriffe nach EnEV

-3.2.1 Heizwärmebedarf Die Wärmemenge, die von dem Heizsystem (Heizkörper) dem Raum bzw. dem Gebäude zur Verfügung gestellt werden muss, um die entsprechende Raumtemperatur aufrecht zu erhalten. Die Größe wird durch die Bilanzierung von Wärmeverlusten (Transmission und Lüftung) und Wärmegewinnen (solare und interne) ermittelt und kennzeichnet – unter Berücksichtigung definierter Nutzungsbedingungen – die wärmeschutztechnische Qualität der Gebäudehülle. -3.2.2 Heizenergiebedarf Energiemenge, die für die Gebäudebeheizung unter Berücksichtigung des Heizwärmebedarfs und der Verluste des Heizungssystems aufgebracht werden muss. Verluste des Heizungssystems treten bei der Wärmeübergabe, der Wärmeverteilung, der Wärmespeicherung und der Wärmeerzeugung auf. Diese Verluste werden in einer Anlagen-Aufwandszahl zusammengefasst. Eine kleine Aufwandszahl kennzeichnet ein energetisch günstiges Heizungssystem. -3.2.3 Endenergiebedarf Energiemenge, die für die Gebäudebeheizung unter Berücksichtigung des Heizwärmebedarfs und der Verluste des Heizungssystems sowie des Warmwasserwärmebedarfs und der Verluste des Warmwasserbereitungssystems aufgebracht werden muss. Die Endenergie bezieht die für den Betrieb der Anlagentechnik (Pumpen, Regelung, usw.) benötigte Hilfsenergie mit ein. Die Endenergie wird an der „Schnittstelle“ Gebäudehülle übergeben und stellt somit die Energiemenge dar, die vom Verbraucher bezahlt werden muss. -3.2.4 Primärenergiebedarf Energiemenge, die zur Deckung des Endenergiebedarfs benötigt wird unter Berücksichtigung der zusätzlichen Energiemenge, die durch vorgelagerte Prozessketten außerhalb der Systemgrenze „Gebäude“ bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung der jeweils eingesetzten Brennstoffe entstehen. Die Primärenergie kann als Beurteilungsgröße für ökologische Kriterien, wie z.B. CO2Emission, herangezogen werden, da der gesamte Energieaufwand für die Gebäudebeheizung einbezogen wird. Bild 6.1.5-1 enthält eine schematische Darstellung aller Einflussgrößen auf den Primärenenergiebedarf von Wohngebäuden.

Bild 6.1.5-1. Schematische Darstellung der Einflussgrößen auf die Bilanzierung des Primärenergiebedarfs von Wohngebäuden.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

-3.3

2115 DVD

Anforderungen für Wohngebäude

-3.3.1

Jahres-Primärenergiebedarf und spezifischer Transmissionswärmeverlust Die wesentlichen Anforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) werden bei Wohngebäuden über den Jahres-Primärenergiebedarf formuliert. Zusätzlich wird eine Anforderung an den spezifischen, auf die Wärme übertragende Umfassungsfläche bezogenen Transmissionswärmeverlust (mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient) gestellt. Die Anforderungsgrößen und -werte sind in Tafel 6.1.5-1 zusammengestellt. Tafel 6.1.5-1

Höchstwerte des auf die Gebäudenutzfläche bezogenen Jahres-Primärenergiebedarfs und des spezifischen, auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche bezogenen Transmissionswärmeverlusts für Wohngebäude in Abhängigkeit vom Verhältnis A/Ve

A/Ve

Qp´´ in kWh/(m ·a) bezogen auf die Gebäudenutzfläche

Verhältnis

Jahres-Primärenergiebedarf

Wohngebäude außer solchen nach Spalte 3

Spezifischer, auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche bezogener Transmissionswärmeverlust

2

1

Wohngebäude mit überwiegender Warmwasserbereitung aus elektrischem Strom

HT´ in W/(m2·K) Wohngebäude

2

3

4

≤ 0,2

66,00 + ΔQTW

83,80

1,05

0,3

73,53 + ΔQTW

91,33

0,80

0,4

81,06 + ΔQTW

98,86

0,68

0,5

88,58 + ΔQTW

106,39

0,60

0,6

96,11 + ΔQTW

113,91

0,55

0,7

103,64 + ΔQTW

121,44

0,51

0,8

111,17 + ΔQTW

128,97

0,49

0,9

118,70 + ΔQTW

136,50

0,47

1

126,23 + ΔQTW

144,03

0,45

≥ 1,05

130,00 + ΔQTW

147,79

0,44

ΔQTW = 2600/(100+AN) In Abhängigkeit von der Art der Anlagentechnik zur Warmwasserbereitung ergeben sich unterschiedliche Anforderungswerte des Jahres-Primärenergiebedarfs. Die Anforderung bei überwiegendem Einsatz von elektrischem Strom zur Warmwasserbereitung lauten: Qp,max´´ = 68,74 + 75,29 · A/Ve in kWh/(m2 · a) Bei Einsatz sonstiger Warmwasserbereitung wird eine Abhängigkeit von der Nutzfläche eingeführt: Qp,max´´ = 50,94 + 75,29 · A/Ve+ 2600/(100+ AN) in kWh/(m2 · a) Bei den zuvor aufgeführten Gleichungen ist A die wärmeübertragende Umfassungsfläche, Ve das beheizte Gebäudevolumen in Außenmaßen und AN die aus dem Geäudevolumen abgeleitete Nutzfläche (AN = 0,32 Ve).

DVD 2116

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Bild 6.1.5-3 zeigt die Auftragung des zulässigen Jahres-Primärenergiebedarfs für Wohngebäude über dem A/Ve-Verhältnis. Da die Höhe der Anforderung bei Gebäuden z.T. auch von der Gebäudenutzfläche abhängig ist, sind in dem Bild repräsentative Gebäudetypen eingetragen. Zusätzlich zu den genannten Anforderungen an den Jahres-Primärenergiebedarf wird der spezifische Transmissionswärmeverlust begrenzt. Damit wird sichergestellt, dass der bauliche Wärmeschutzstandard der Wärmeschutzverordnung ’95 eingehalten wird. HT’,max = 0,3 + 0,15 / (A/Ve) in W/(m2·K) und Nichtwohngebäuden mit einem Fensterflächenanteil 30% HT',max = 0,35 + 0,24 / (A/Ve) [W/(m2K)]

Bild 6.1.5-2 Die Anforderungsgröße „Primärenergiebedarf“ für Wohngebäude mit unterschiedlicher Warmwasserbereitung in Abhängigkeit vom A/Ve-Verhältnis

-3.3.2 Sommerlicher Wärmeschutz Zur Sicherstellung eines ausreichenden sommerlichen Wärmeschutzes wird bei Gebäuden mit normalen Innentemperaturen, deren Fensterflächenanteil mehr als 30% beträgt, die Einhaltung der maximal zulässige Sonneneintragskennwerte gem. DIN 4108-21) gefordert. S. auch Abschn 1.12.2 s. S. 587.

∑ ( Aw ,j ⋅ gtotal ,j )

j - ≤ Σ Sx S = ---------------------------------------AG mit Aw,j Fensterfläche des Raumes gtotal Gesamtenergiedurchlassgrad Verglasung inkl. Sonnenschutz (gtotal = g · FC) g Gesamtenergiedurchlassgrad Verglasung FC Minderungsfaktor infolge Sonnenschutz Nettogrundfläche des Raumes oder Raumbereiches AG Anteilige Sonneneintragswerte Sx

1)

DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. Juli 2003.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2117 DVD

-3.3.3 Gebäudebestand Bei bestehenden Gebäuden sieht die Energieeinsparverordnung – Anforderungen bei baulichen Veränderungen bestehender Gebäude, – anlagentechnische und bauliche Nachrüstungsverpflichtungen, – Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der energetischen Qualität vor. Bei Änderungen von bestehenden Gebäuden greifen die Anforderungen, wenn der erstmaligen Einbau, der Ersatz oder die Erneuerung einzelner Bauteile einen Anteil von 20% der jeweiligen Bauteilfläche übersteigt. Es dürfen die in Tafel 6.1.5-2 aufgeführten maximalen Wärmedurchgangskoeffizienten nicht überschritten werden. Der Wärmedurchgangskoeffizient für das erneuerte Bauteil kann dabei unter Berücksichtigung vorhandener Bauteilschichten ermittelt werden. Die Anforderungen gelten auch als erfüllt, wenn für das gesamte Gebäude – unter Berücksichtigung der baulichen Änderungen – der zulässige Jahres-Primärenergiebedarf für Neubauten um nicht mehr als 40% überschritten wird. Tafel 6.1.5-2

Anforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten der Außenbauteile bei Änderungen im Gebäudebestand nach EnEV. Gebäude mit normalen 2 Innentemperaturen Umax in W/(m K)

Gebäude mit niedrigen 2 Innentemperaturen Umax in W/(m K)

Außenwände

UAW ≤ 0,35 bis 0,45

UAW ≤ 0,75

Fenster Verglasungen

UW ≤ 1,7 Ug ≤ 1,5

UW ≤ 2,8

Außentüren

UT ≤ 2,9

UT ≤ 2,9

UD ≤ 0,25 bis 0,30

U ≤ 0,40

Uu bzw. UG ≤ 0,40 bis 0,50

D keine Anforderungen

Bauteil

Decken, Dächer Decken und Wände gegen unbeheizte Räume oder Erdreich

Nachrüstverpflichtungen bei bestehenden Gebäuden und Anlagen werden aus der EnEV 2004 übernommen. Die Wärmedurchgangskoeffizienten der obersten Geschossdecke müssen den Wert von 0,3 W/(m2K) einhalten; Heizkessel, die vor dem 1. Oktober 1978 aufgestellt wurden, sind außer Betrieb zu nehmen (für diese Verpflichtungen bestand nach EnEV 2004 eine Übergangsfrist bis zum 31. Dezember 2006). Heizkessel, deren Brenner nach dem 1. November 1996 erneuert worden sind, müssen bis zum 31. Dezember 2008 außer Betrieb genommen werden. Die Regelungen bezüglich der Heizkessel gelten nicht für bestehende Niedertemperatur- oder Brennwertkessel und Anlagen, deren Nennleistung weniger als 4 kW oder mehr als 400 kW beträgt. Eigentümer von Gebäuden müssen bei heizungstechnischen Anlagen ungedämmte, zugängliche Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen, die sich nicht in beheizten Räumen befinden, zur Begrenzung der Wärmeabgabe dämmen (die Übergangsfrist der EnEV 2004 galt bis zum 31. Dezember 2006). Die Anforderungen an die einzuhaltenden Dämmdicken sind in Tafel 6.1.5-3 zusammengefasst. Für Wohngebäude mit nicht mehr als zwei Wohnungen, die vom Eigentümer bewohnt werden, gelten in Abhängigkeit vom Datum des Eigentumübergangs spezielle Anforderungen bzw. Übergangsfristen für die zuvor genannten Nachrüstverpflichtungen. Darüber hinaus werden Festlegungen zur Aufrechterhaltung der energetischen Qualität getroffen. Der bestehende Wärmeschutz der Bauteile darf nicht verringert werden, energiebedarfssenkende Einrichtungen sind betriebsbereit zu halten.

DVD 2118

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Tafel 6.1.5-3

Wärmedämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen nach EnEV. Art der Leitungen/ Armaturen

Zeile

Mindestdicke der Dämmschicht, bezogen auf eine Wärmeleitfähigkeit von 0,035 W/(mK)

1

Innendurchmesser bis 22 mm

20 mm

2

Innendurchmesser über 22 mm bis 35 mm

30 mm

3

Innendurchmesser über 35 mm bis 100 mm

gleich Innendurchmesser

4

Innendurchmesser über 100 mm

100 mm

5

Leitungen und Armaturen nach den Zeilen 1 bis 4 in Wand- und Deckendurchbrüchen, im Kreuzungsbereich von Leitungen, an Leitungsverbindungsstellen, bei zentralen Leitungsnetzverteilern

1/2 der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

6

Leitungen von Zentralheizungen nach den Zeilen 1 bis 4, die nach Inkrafttreten dieser Verordnung in Bauteilen zwischen beheizten Räumen verschiedener Nutzer verlegt werden

1/2 der Anforderungen der Zeilen 1 bis 4

7

Leitungen nach Zeile 6 im Fußbodenaufbau

6 mm

-3.3.4

Heizungstechnische Anlagen, Warmwasseranlagen und Wärmeverteilung Bei neu zu errichtenden Gebäuden dürfen grundsätzlich alle im europäischen Binnenmarkt zulässigen Heizkessel eingesetzt werden. Somit ist es möglich, bei neu zu errichtenden Gebäuden auch Standardheizkessel (Geräte mit vergleichsweise schlechter Energieeffizienz) einzubauen. Bei Einsatz eines Heizkessels im Gebäudebestand wird gefordert, dass diese Kessel dem Stand der Niedertemperatur- oder Brennwerttechnik entsprechen müssen. Heizungsanlagen sind grundsätzlich mit Einrichtungen auszustatten, die es ermöglichen, die gesamte Anlage oder auch Teile (Pumpen, Ventile) zeitabhängig oder in Abhängigkeit einer geeigneten Führungsgröße zu steuern bzw. zu regeln. Weiterhin müssen Heizungsanlagen raumweise regelbar sein (z.B. Thermostatventile). Umwälzpumpen sind selbsttätig steuer- oder regelbar auszuführen. Darüber hinaus gelten für neu zu errichtende Gebäude die in Tafel 6.1.5-3 aufgeführten Anforderung an die Wärmedämmung von Wärmeverteilungs- und Warmwasserleitungen sowie Armaturen. Bei zu errichtenden Gebäuden mit mehr als 1000 Quadratmetern Nutzfläche ist die technische, ökologische und wirtschaftliche Einsetzbarkeit alternativer Systeme, insbesondere dezentraler Energieversorgungssysteme auf der Grundlage von erneuerbaren Energieträgern, Kraft-Wärme-Kopplung, Fern- und Blockheizung, Fern- und Blockkühlung oder Wärmepumpen, vor Baubeginn zu prüfen. Dazu kann allgemeiner, fachlich begründeter Wissensstand zugrunde gelegt werden. -3.3.5 Raumluftkühlung Wird die Raumluft gekühlt, sind der berechnete Jahres-Primärenergiebedarf und der Endenergiebedarf (elektrische Energie) je nach der zur Kühlung eingesetzten Technik je m2 gekühlter Gebäudenutzfläche wie folgt zu erhöhen:

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2119 DVD

a) bei Einsatz von fest installierten Raumklimageräten (Split-, Multisplit- oder Kompaktgeräte) der Energieeffizienzklassen A, B oder C sowie bei Kühlung mittels Wohnungslüftungsanlagen mit reversibler Wärmepumpe der Jahres-Primärenergiebedarf um 16,2 kWh/(m2 · a) und der Endenergiebedarf um 6 kWh/(m2 · a), b) bei Einsatz von Kühlflächen im Raum in Verbindung mit Kaltwasserkreisen und elektrischer Kälteerzeugung, z. B. über reversible Wärmepumpe der Jahres-Primärenergiebedarf um 10,8 kWh/(m2 · a) und der Endenergiebedarf um 4 kWh/(m2 · a), c) bei Deckung des Energiebedarfs für Kühlung aus erneuerbaren Wärmesenken (wie Erdsonden, Erdkollektoren, Zisternen) der Jahres-Primärenergiebedarf um 2,7 kWh/ (m2 · a) und der Endenergiebedarf um 1 kWh/(m2 · a), d) bei Einsatz von Geräten, die nicht unter Buchstabe a bis c aufgeführt sind, der JahresPrimärenergiebedarf um 18,9 kWh/(m2 · a) und der Endenergiebedarf um 7 kWh/ (m2 · a). -3.3.6 Energieausweise Wird ein Gebäude errichtet oder geändert und werden im Zusammenhang mit der Änderung die erforderlichen Berechnungen (QP,max;Bestand = 1,4 QP,max,Neubau) durchgeführt, so ist dem Eigentümer ein Energieausweis unter Zugrundelegung der energetischen Eigenschaften des fertig gestellten oder geänderten Gebäudes auszustellen. Wird das beheizte oder gekühlte Volumen eines Gebäudes um mehr als die Hälfte erweitert und werden dabei Berechnungen des Jahres-Primärenergiebedarfs für das gesamte Gebäude durchgeführt, ist ebenfalls ein Energieausweis zu erstellen. Der Eigentümer hat den Energieausweis der nach Landesrecht zuständigen Behörde auf Verlangen vorzulegen. Beim Verkauf eines Gebäudes hat der Verkäufer den Kaufinteressenten einen Energieausweis zugänglich zu machen. – Der Energieausweis bezieht sich – auch beim Verkauf von Wohnungs- und Teileigentum – auf das gesamte Gebäude. – Im Falle gemischt genutzter Gebäude (z.B. Gebäude, die teilweise Büronutzung und Wohnnutzung aufweisen) ist der Energieausweis für die entsprechenden Teile des Gebäudes auszustellen. Die zuvor genannte Anforderung gilt für den Vermieter, Verpächter und Leasinggeber entsprechend bei der Vermietung, der Verpachtung oder beim Leasing eines Gebäudes, einer Wohnung oder einer sonstigen selbständigen Nutzungseinheit. Für Gebäude mit mehr als 1000 m2 Nettogrundfläche, in denen Behörden und sonstige Einrichtungen für eine große Anzahl von Menschen öffentliche Dienstleistungen erbringen und die deshalb von diesen Menschen häufig aufgesucht werden, sind Energieausweise auszustellen und an einer für die Öffentlichkeit gut sichtbaren Stelle auszuhängen. Während für Neubauten und in größerem Umfang energetisch modernisierte Bestandsgebäude der Energieausweis auf Basis des Energiebedarfs (berechnete Größe) zu erstellen ist, kann bei bestehenden Gebäuden auch der Energieverbrauch (messtechnisch ermittelte Größe) angegeben werden. Besondere Regelungen zur Aufnahme der Daten von Bestandsgebäuden zur Erstellung von Energiebedarfsausweisen sowie die Vorgehensweise zu Aufnahme und Witterungsbereinigung von Verbrauchsdaten sind in Richtlinien des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Städtebau (BMVBS) aufgeführt. Den Energieausweisen von Bestandsgebäuden (Energiebedarfsausweisen und Energieverbrauchsausweisen) sind Modernisierungsempfehlungen mit Angabe von kostengünstigen Maßnahmen zur Verbesserung der energetischen Qualität des Gebäudes beizufügen. Die jeweils 10 Jahre gültigen Energieausweise sind für Neubauten mit Inkrafttreten der EnEV auszustellen. Für die Ausstellungspflicht gelten fallweise nachstehende Stichtage: – 1. Oktober 2007: Die EnEV 2007 tritt in Kraft. Energieausweise für sind für neu zu errichtende Wohnund Nichtwohngebäude auszustellen. – 1. Juli 2008 Energieausweise für Wohngebäude der Baujahre bis 1965 sind zugänglich zu machen – 1. Oktober 2008 Für Gebäude mit weniger als 5 Wohneinheiten und Datum des Bauantrags vor dem 11.8.1977 ist der Energieausweis im Falle der Ausstellungspflicht auf Grundlage des Bedarfs (Berechnung) zu erstellen

DVD 2120

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

– 1. Januar 2009 Energieausweise für Wohngebäude der Baujahre ab 1965 sind zugänglich zu machen – 1. Juli 2009 Energieausweise für Nichtwohngebäude sind zugänglich zu machen bzw. im Falle der Aushangpflicht auszuhängen Der Energiebedarfsausweis ermöglicht sinnvolle Aussagen über die energetische Qualität eines Gebäudes und empfehlenswerte Modernisierungsmaßnahmen.

-3.4

Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs für Wohngebäude

Der Jahres-Heizwärmebedarf Q h wird gemäß den Rechenvorschriften der DIN EN 8321) bzw. der DIN V 4108-62) ermittelt und berücksichtigt die Wärmeverluste infolge Transmission und Lüftung sowie die nutzbaren internen und solaren Wärmegewinne. Q h = Q l – ηQ g Ql = Wärmeverluste (Transmission und Lüftung) Qg = Wärmegewinne (solar und intern) η = Ausnutzungsgrad der Wärmegewinne Allgemein ist eine monatliche Bilanzierung (Monatsverfahren) vorzunehmen. Für Wohngebäude mit einem Fensterflächenanteil kleiner 30% kann alternativ die Berechnung auf der Basis eines vereinfachten Verfahrens gemäß EnEV erfolgen; alle anderen Gebäude müssen mit dem Monatsverfahren nachgewiesen werden. In der Regel wird der Rechengang nach dem Monatsverfahren zu günstigeren Werten des Jahres-Heizwärmebedarfs führen. Gegenüber dem Periodenverfahren werden Einflussgrößen wie z.B. Wärmebrückenkorrekturwerte, Nachtabschaltung, Wärmespeicherung, Wintergärten, TWD, usw. detailliert betrachtet. Dieses Verfahren ist aufgrund der Komplexität praktisch nur mit Einsatz entsprechender Computerprogramme, wie z.B. EPASS-HELENA (www.zub-Kassel.de), anzuwenden. -3.4.1 Wärmebrücken Die Bestimmung der Transmissionswärmeverluste erfolgt unter Berücksichtigung der Wärmeverluste im Bereich von Wärmebrücken über den sog. Wärmebrückenkorrekturwert ΔUWB.3) Dieser Wärmebrückenkorrekturwert wird mit der gesamten wärmeübertragenden Umfassungsfläche Ages multipliziert und zu den Wärmeverlusten über die einzelnen Bauteile der Gebäudehülle addiert. HT = bzw.

∑i

FiUiAi + ΔUWBAges

HT = UAWAAW+UwAw+FDUDAD+FGUGAG+UDLADL+FABUABAAB+ΔUWBAges U A FD , FG , FAB Indices: AW w D G DL AB WB ges 1) 2) 3)

= = = = = = = = = = =

Wärmedurchgangskoeffizient (bislang k-Wert) Bauteilfläche Temperatur-Korrekturfaktoren Außenwand Fenster Dach gegen Erdreich Decken nach unten gegen Außenluft gegen unbeheizte Räume Wärmebrücke gesamte wärmeübertragende Hüllfläche

DIN EN 832: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung des Heizenergiebedarfs; Wohngebäude. Juni 2003 und Berichtigung 1. märz 2004. DIN V 4108-6: Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden. Berechnung des JahresHeizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs. Juni 2003 und Berichtigung 1. März 2004. Hauser, G. und Stiegel H.: Pauschalierte Erfassung der Wirkung von Wärmebrücken. Bauphysik 17 (1995), H. 3, S.65–68.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2121 DVD

Als ΔUWB-Wert wird 0,1 W/(m2K) vorgesehen, es sei denn, die Regelkonstruktionen entsprechen den in DIN 4108, Beiblatt 21) dargestellten Musterlösungen. Für diesen Fall darf ΔUWB zu 0,05 W/(m2K) angesetzt werden. Unbenommen bleibt der detaillierte Nachweis über die einzelnen Ψ-Werte z.B. aus Wärmebrücken-Atlanten2)3)4)5)6)7) oder mit einem neuen Planungsinstrument, das auf der Basis des Beiblattes 2 der DIN 4108 eine Vielzahl von Wärmebrückendetails umfasst und als „Wärmebrücken-CD“ für den Einsatz auf dem Computer zur Verfügung steht.8) Mit der Angabe der Wärmedurchgangskoeffizienten sowie innen- und außenmaßbezogener Wärmebrückenverlustkoeffizienten Ψ (Bild 6.1.5-3 und Bild 6.1.5-4) und des Temperaturfaktors f in grafischer und tabellarischer Form werden alle planungsrelevanten Aspekte sinnvoller Bauteilanschlüsse behandelt. Es besteht mit dem Planungsinstrument weiterhin die Möglichkeit der Beurteilung von Schimmelpilz- bzw. Tauwasserproblematik bei unterschiedlichen Raumlufttemperatur- und Raumluftfeuchterandbedingungen. Für Fassaden, bei denen die wesentlichen Wärmebrückenwirkungen bereits im U-Wert erfasst sind, darf ΔUWB für diese Flächen zu Null gesetzt werden. Der spezifische, auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche (Ages) bezogene Transmissionswärmeverlust ist wie folgt zu ermitteln HT HT'= -------A ges Er dient, wie bereits zuvor ausgeführt, als zusätzliche Anforderungsgröße. -3.4.2 Berücksichtigung des Luftdichtheitsgrades der Außenhülle Wegen der erhöhten Luftdichtheit der Gebäudehülle und der vorgesehenen separaten Berücksichtigung der Wärmebrückenwirkungen, wird der Luftwechsel von 0,8 h –1 auf 0,7 h–1 angesetzt. Falls bei natürlich belüfteten Gebäuden mittels einer messtechnischen Überprüfung die Einhaltung des Grenzwertes der Luftdichtheit gem. DIN 4108-79) (n50 ≤ 3,0 h–1) nachgewiesen wird, kann ein Luftwechsel von 0,6 h –1 in Ansatz gebracht werden. Bei Verwendung einer mechanischen Lüftungsanlage und Inanspruchnahme des entsprechenden Bonus wird die messtechnische Überprüfung des entsprechenden Grenzwertes von n50 = 1,5 h–1 obligatorisch. Auch bei natürlich belüfteten Gebäuden wird der Dichtheitstest künftig, zumindest beim Ein- und Zweifamilienhaus, sicherlich zum Standard. Bei Nichteinhalten der bei Bauantragstellung zugrunde gelegten Luftdichtheit ist nachzubessern, ähnlich wie dies z.B. auch bei brandschutztechnischen Belangen der Fall ist.

1) 2) 3) 4)

5) 6) 7)

8) 9)

DIN 4108 Beiblatt 2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Wärmebrücken – Planungs- und Ausführungsbeispiele. März 2006. Mainka, G.W. und Paschen, H.: Wärmebrückenkatalog. Teubner-Verlag, Stuttgart (1986). Heindl, Krec, Panzhauser, Sigmund: Wärmebrücken. Springer-Verlag Wien (1987). Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. Bauverlag Wiesbaden, pdf-reprint der 3. durchgesehenen Auflage (1996) Zentrum für Umweltbewusstes Bauen e.V. Kassel, 2006. Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, pdf-reprint der 1. Auflage (1992) Zentrum für Umweltbewusstes Bauen e.V. Kassel, 2006. Hauser, G.; Schulze, H. und Stiegel, H.: Wärmetechnische Optimierung von Anschlussdetails bei Niedrigenergiehäusern und Erarbeitung von Standardlösungen. IRB-Verlag Stuttgart 1996. Hauser, G. und Stiegel, H.: Quantitative Darstellung der Wirkung von Wärmebrücken. IRB-Verlag Bauforschung für die Praxis, Band 31 Niedrigenergiehäuser unter Verwendung des Dämmstoffs Styropor. (1997). Hauser, G., Stiegel, H. und Haupt, W.: Wärmebrückenkatalog auf CD-ROM. Version 1.2.5., Zentrum für Umweltbewusstes Bauen e.V. Kassel, 2006. DIN 4108-7: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Luftdichtheit von Gebäuden, Anforderungen, Planungs- und Ausführungsempfehlungen sowie -beispiele. August 2001.

DVD 2122

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Bild 6.1.5-3. Vermaßtes Anschlussdetail mit Angabe der Baustofflegende sowie der Wärmedurchgangskoeffizienten und Temperaturfaktoren im Regelquerschnitt. 7)

Bild 6.1.5-4. Wärmebrückenverlustkoeffizienten für verschiedene Parametervariationen.7)

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2123 DVD

Der Lüftungswärmeverlust ergibt sich aus dem Ansatz HV =ρLcpLnV ρL cpL

= Dichte der Luft = spezifische Wärmekapazität der Luft ρLcpL = 0,34 Wh/(m3K) V = beheiztes Luftvolumen n = Luftwechsel(zahl)(rate) n = 0,7 h–1 bei freier Lüftung n = 0,6 h–1 bei freier Lüftung und Dichtheitsnachweis Bei Einsatz von lüftungstechnischen Anlagen wird der anzusetzende Luftwechsel abhängig vom Lüftungssystem festgelegt: n = nAnl(1– ηV) + nx nAnl = nachgewiesene Anlagenluftwechselrate nach DIN V 4701-10 ηV = Nutzungsfaktor des Luft/Luft-Wärmerückgewinnungssystems = zusätzlicher Luftwechsel (Infiltration) nx nx = 0,2 h–1 für Zu- und Abluftanlagen nx = 0,15 h–1 für Abluftanlagen Wird die energetische Wirkung einer Lüftungsanlage (Zu-/Abluftanlage) mit Wärmerückgewinnung über DIN V 4701-101) erfasst, ist ηV zu Null zu setzen. -3.4.3 Teilbeheizung Die räumliche Teilbeheizung wird dadurch berücksichtigt, dass die mittlere Raumtemperatur mit 19 °C in Ansatz gebracht wird. Die Energieeinsparung durch Nachtabschaltung wird in der Energieeinsparverordnung beim – Heizperiodenverfahren durch einen Faktor fNA von 0,95, mit dem die Gradtagzahl multipliziert wird, unabhängig von der Wärmespeicherfähigkeit der Baukonstruktion erfasst. – Monatsbilanzverfahren über ein detailliertes Berechnungsverfahren ermittelt, wobei die wirksame Wärmespeicherfähigkeit für • leichte Gebäude mit Cwirk,NA = 12 Wh/(m3K) · Ve • schwere Gebäudemit Cwirk,NA = 18 Wh/(m3K) · Ve (Ve beinhaltet das Bruttovolumen des Gebäudes) anzusetzen ist, falls nicht eine detaillierte Erfassung erfolgt. Bei der Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeit gem. des oben dargestellten Ansatzes der DIN V 4108-6 ist zu beachten, dass hier nur mit einer wirksamen Dicke der an die Raumluft angrenzenden Schichten von höchstens 3 cm gerechnet wird. -3.4.4 Ausnutzungsgrad Die Quantifizierung der nutzbaren solaren und internen Wärmegewinne erfolgt über einen Ausnutzungsgrad, der beim – Heizperiodenverfahren unabhängig von der Wärmespeicherfähigkeit der Baukonstruktion zu 0,95 festgelegt ist – beim Monatsbilanzverfahren vom Wärmegewinn/Wärmeverlust-Verhältnis abhängig ist. Dabei ist die wirksame Wärmespeicherfähigkeit für • leichte Gebäude mit Cwirk = 15 Wh/(m3K) · Ve • schwere Gebäudemit Cwirk = 50 Wh/(m3K) · Ve anzusetzen.

1)

DIN V 4701-10: Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung. August 2003 und DIN V 4701-10/A1. Dezember 2006.

DVD 2124

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Eine genauere Ermittlung der Wärmespeicherfähigkeit kann auch auf folgendem Wege gem. DIN V 4108-6 erfolgen: Cwirk =

∑i (c ρ d A ) i

i

i

i

mit c [Wh/(kg K)] spez. Wärmekapazität Rohdichte ρ [kg/m3] d [m] wirksamen Schichtdicke 2 A [m ] Bauteilfläche Die Summation erfolgt über alle Bauteilflächen des Gebäudes, die mit der Raumluft in Berührung kommen, wobei nur die wirksamen Schichtdicken di berücksichtigt werden. Zur Bestimmung der wirksamen Schichtdicken gelten folgende Regelungen: – bei Schichten mit einer Wärmeleitfähigkeit λi ≥ 0,1 W/(mK) • die einseitig an Raumluft grenzen: Aufsummierung aller Schichten bis zu einer max. Gesamtdicke von di,max = 0,10 m; • die beidseitig an die Raumluft grenzen (Innenbauteile): halbe Bauteildicke bei einer Schicht, wenn die Dicke ≤20 cm ist oder höchstens 10 cm, wenn die Dicke >20 cm ist. Bei mehreren Schichten: Vorgehensweise wie zuvor beschrieben, allerdings beidseitig angewendet. – bei raumseitig vor Wärmedämmschichten (z.B. Estrich auf einer Wärmedämmschicht) liegenden Schichten mit einer Wärmeleitfähigkeit λi ≥ 0,1 W/(mK) dürfen nur die Dicken der Schichten bis max. 10 cm in Ansatz gebracht werden. Als Wärmedämmschicht gelten Baustoffe mit Wärmeleitfähigkeiten λi > 0,1 W/(mK) und einem Wärmedurchlasswiderstand Ri > 0,25 m2 K/W. Bei Außenbauteilen wird die Fläche Ai über Außenmaße (Bruttofläche) und bei Innenbauteilen über die Innenmaße (Nettofläche) bestimmt. Für eine detailliertere Betrachtung sind Hinweise in DIN EN 137861) enthalten. -3.4.5 Lüftungstechnik Die Berechnung des Lüftungswärmebedarfs erfolgt im Nachweisverfahren der EnEV unter Berücksichtigung einer evtl. vorhandenen Lüftungstechnik. Hierbei sind grundsätzlich zwei Einflüsse auf den Lüftungswärmebedarf zu unterscheiden. Je nach Lüftungstechnik wird zum einen der rechnerische Luftwechsel gegenüber dem Fall der natürlichen Lüftung geringer angesetzt (dies entspricht z.B. dem Bonusfaktor 0,95 für Abluftanlagen in der WSchVO ’95). Zum anderen wird bei Einsatz einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung der Lüftungswärmeverlust weiter reduziert. Die Rechenverfahren der DIN EN 832 bzw. der DIN V 4108-6 sehen vor, dass die Wirkung der Lüftungstechnik, wie bislang auch, in einem reduzierten Lüftungswärmebedarf berücksichtigt wird. Alternativ kann der Lüftungswärmebedarf ohne Anrechnung des Lüftungssystems ermittelt werden. Die energetische Wirkung der Anlage wird dann in einer Aufwandszahl erfasst, die gem. DIN V 4701-10 zu ermitteln ist. Der veränderte Ausnutzungsgrad der solaren und internen Wärmegewinne wird über Korrekturfaktoren beschrieben.

-3.5

Trinkwasserwärmebedarf

Der Trinkwasserwärmebedarf – in DIN V 4108-6 mit QW in DIN V 4701-10 mit Qtw bezeichnet – wird gem. EnEV mit 12,5 kWh/(m2a) pauschal vorgegeben. Dieser Wärmebedarf entspricht einem täglichen Warmwasserbedarf von 23 Litern pro Person bei 50 °C Wassertemperatur. Unterschiedliche Belegungsdichten in Ein- bzw. Mehrfamilienhäusern, nach denen z.B. in 2) differenziert wird, finden im Nachweisverfahren aus Gründen der Vereinfachung keine Berücksichtigung.

1) 2)

DIN EN ISO 13786: Wärmetechnisches Verhalten von Bauteilen – Dynamisch-thermische Kenngrößen – Berechnungsverfahren (April 2008). Hauser, G. und Hausladen, G.: Energiekennzahl zur Beschreibung des Heizenergiebedarfs von Wohngebäuden. Hsg.: Gesellschaft für Rationelle Energieverwendung e.V., Berlin. EnergiepaßService Hauser & Hausladen GmbH, Baunatal 1991.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

-3.6

2125 DVD

Berechnung des Jahresprimärenergiebedarfs für Wohngebäude

-3.6.1 Berechnungsansatz Die Rechenvorschriften im Rahmen von DIN V 4701-10 sehen vor, dass Verluste der Anlagentechnik und Wärmegewinne aus der Umwelt zusammengefasst werden und die Beschreibung der energetischen Effizienz des Gesamtanlagensystems über Aufwandszahlen erfolgt. Die Aufwandszahl stellt das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen dar und ist somit der Kehrwert des Nutzungsgrades, der bislang in der Anlagentechnik hauptsächlich Verwendung fand. Tafel 6.1.5-4

Primärenergiefaktoren nach DIN V 4701-10 und EnEV.

Energieträger1

1 2 3 4

Primärenergie-Faktorennicht erneuerbarer Anteil

Brennstoffe2

Heizöl EL Erdgas H Flüssiggas Steinkohle Braunkohle Holz

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

Nah/ Fernwärme aus KWK3

fossiler Brennstoff erneuerbarer Brennstoff

0,7 0

Nah/Fernwärme aus Heizwerken

fossiler Brennstoff erneuerbarer Brennstoff

1,3 0,1

Strom

Strom-Mix

2,74

Umweltenergie (z.B. Solarenergie, Umgebungswärme) wird mit einem Primärenergiefaktor fp = 0 berechnet. Bezugsgröße Endenergie: unterer Heizwert Hu Angaben sind typisch für durchschnittliche Nah-/Fernwärme mit einem Anteil der KWK von 70% Bei Einsatz von Speicherheizsystemen beträgt der Wert 2,0

Unter Berücksichtigung von Primärenergiefaktoren gem. Tafel 6.1.5-4 wird je nach Anlagentechnik und eingesetzten Energieträger eine Anlagen-Aufwandszahl gebildet. Multipliziert mit der Summe aus Heizwärme- und Warmwasserwärmebedarf resultiert die Zielgröße, Jahres-Primärenergiebedarf QP. QP = (Qh + QW)eP Qh = Jahres-Heizwärmebedarf QW = Jahres-Warmwasserwärmebedarf eP = Anlagen-Aufwandszahl Eine einfache Möglichkeit zur Ermittlung der Anlagen-Aufwandszahl bietet das sog. Diagrammverfahren gem. DIN V 4701-10. Für ein spezifiziertes Anlagensystem (Heizung, Lüftung und Trinkwarmwasserbereitung) wird die Anlagen-Aufwandszahl in Abhängigkeit von der Gebäudenutzfläche und dem Jahres-Heizwärmebedarf in einem Diagramm und dazugehörigen Tabellenwerten dargestellt. Ein Beispiel hierzu ist in Bild 6.1.5-5 aufgenommen. Neben der Anlagen-Aufwandszahl wird in diesem Verfahren auch der Endenergiebedarf in Abhängigkeit von den genannten Größen in Diagrammen aufgetragen.

DVD 2126

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Bild 6.1.5-5. Beispielhafte Auftragung der Anlagen-Aufwandszahl ep in Abhängigkeit von der beheizten Gebäudenutzfläche und dem Jahres-Heizwärmebedarf qh.

Im Beiblatt 1 der DIN V 4701-101) (Diagramme und Planungshilfen für ausgewählte Anlagensysteme mit Standardkomponenten) sind auf Basis des Diagrammverfahrens die Daten weiterer 71 Musteranlagen zusammengestellt. Die rechnerische Bestimmung der Anlagen-Aufwandszahl und des Endenergiebedarfs kann über das sog. Tabellenverfahren erfolgen. Anhand der Kenndaten von Standardprodukten, die in einem Anhang der DIN V 4701-10 aufgenommen sind, erfolgt die Berechnung nach einem einfachen Schema und führt zu Ergebnissen, die einem unteren energetischen Niveau entsprechen. Hinweis: Gem. DIN V 4108-6 und EnEV wird der Jahres-Wärme- bzw. Energiebedarf allgemein mit dem Formelzeichen Q [kWh/a] abgekürzt. Q′ [kWh/(m3a)] kennzeichnet den volumenbezogenen, Q″ [kWh/(m2a)] den flächenbezogenen Jahres-Wärme- bzw. Energiebedarf. In DIN 4701-10 wird der flächenbezogene Jahres-Wärme- bzw. Energiebedarf mit q [kWh/(m2a)] bezeichnet. Alternativ kann das ausführliche Rechenverfahren der Norm herangezogen werden. Die Anwendung dieses Verfahrens bietet sich insbesondere dann an, wenn z.B. Herstellerdaten des Wärmeerzeugers oder detaillierte Kenntnisse über Rohrleitungsführung und -länge zur Verfügung stehen. Die Berechnungen führen in der Regel zu günstigeren Anlagen-Aufwandszahlen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Rechenverfahren zu „mischen“, d.h. es kann z.B. die Erzeugeraufwandszahl nach dem ausführlichen Rechenverfahren bestimmt werden, und dieser Wert wird im Tabellenverfahren eingesetzt. -3.6.2 Anlagentechnische Einflussgrößen Die Anlagen-Aufwandszahl kennzeichnet die energetische Effizienz der gesamten Energieversorgungskette, deren Bilanzanteile für die Heizung in Bild 6.1.5-6 schematisch dargestellt sind. Die technischen Verluste des Heizsystems setzen sich zusammen aus Übergabeverlusten im Raum Qce (Heizflächenanordnung, Regelungstechnik), Verteilverlusten Qd (Rohrleitungsführung und -dämmung, Temperatur des Heizmediums), Speicherverlusten Qs (Aufstellort, Speicherdämmung) und Erzeugungsverlusten Qg (Aufstellort, Gerätetechnik). Aus dem Bild ist ersichtlich, dass auch die benötigte Hilfsenergie (Pumpen, Regelung, usw.) in die Betrachtung einbezogen wird. Die Verlustanteile für Lüftung (Bild 6.1.5-7) und Trinkwarmwasserbereitung (Bild 6.1.5-8), die in die Bestimmung der Anlagen-Aufwandszahl einfließen, werden analog zu der zuvor beschriebenen Vorgehensweise erfasst.

1)

DIN V 4701-10 Beiblatt 1: Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen – Teil 10: Diagramme und Planungshilfen für ausgewählte Anlagensysteme mit Standardkomponenten. Februar 2007.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

Bild 6.1.5-6. Bilanzierungsanteile Heizungsanlage.y

Bild 6.1.5-7. Bilanzierungsanteile Lüftungsanlage.

2127 DVD

DVD 2128

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Bild 6.1.5-8. Bilanzierungsanteile Warmwasserbereitung.

-3.7

Beispielhafte Variationen baulicher und anlagentechnischer Ausführungen

Um die baupraktischen Auswirkungen der Anforderungen und Möglichkeiten zur Erfüllung der EnEV aufzuzeigen, werden zwei Beispielgebäude betrachtet. Es handelt sich hierbei um ein freistehendes Einfamilienhaus (Tafel 6.1.5-5) und ein als Zweispänner ausgeführtes Mehrfamilienhaus (Tafel 6.1.5-6).

Tafel 6.1.5-5

Für die Variationen betrachtetes freistehendes Einfamilienhaus

Gebäudedaten freistehendes Einfamilienhaus Fensterflächenanteil Fassade Nord 15%, Süd 35%, Ost/West 20% natürliche Lüftung (Fensterlüftung) mit Nachweis der Dichtheit Ausführung der Wärmebrücken gemäß DIN 4108, Beiblatt 2 Gebäudegeometrie Ve = 459 m3, A/Ve = 0,85 m–1, AN = 147 m2 Anlagentechnik Zentralheizung (Niedertemperaturkessel 55/45 °C) mit kombinierter Trinkwassererwärmung

Anforderung gemäß EnEV HT',max = 0,48 W/(m2K) qP,max = 125,3 kWh/(m2a) bzw. = 132,7 kWh/(m2a) bei überwiegend elektrischer Warmwasserbereitung

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007 Tafel 6.1.5-6

2129 DVD

Für die Variationen betrachtetes Mehrfamilienhaus

Gebäudedaten Wohngebäude 3-geschossig (Zweispänner) Fensterflächenanteil je Fassade 25% natürliche Lüftung (Fensterlüftung) mit Nachweis der Dichtheit Ausführung der Wärmebrücken gemäß Beiblatt 2 der DIN 4108 Gebäudegeometrie Ve = 4158 m3, A/Ve = 0,46 m–1, AN = 1331 m2 Anlagentechnik Zentralheizung (Niedertemperaturkessel 55/45°C) mit kombinierter Trinkwassererwärmung

Anforderung gemäß EnEV HT',max = 0,63 W/(m2K) qP,max = 87,1 kWh/(m2a) bzw. = 103,4 kWh/(m2a) bei überwiegend elektrischer Warmwasserbereitung

Für die Gebäude erfolgen Variantenbildungen im Bereich baulicher und anlagentechnischer Maßnahmen. Zur Einhaltung des jeweiligen maximal zulässigen – Primärenergiebedarfs beziehungsweise des – spezifischen Transmissionswärmeverlustes werden die Wärmedurchgangskoeffizienten der Außenwände, des Daches und der Kellerdecke beispielhaft angepasst. Die Darstellungen in Bild 6.1.5-9 und Bild 6.1.5-10 zeigen die Bilanzanteile am JahresPrimärenergiebedarf für das Ein- und Mehrfamilienhaus. Aufgetragen sind die Wärmeverluste infolge Transmission durch Außenbauteile, Lüftungs- und Warmwasserwärmebedarf, anlagentechnische Verluste und Primärenergieumwandlung. Diese Verluste sind als positive Bilanzanteile in den Bildern wiedergegeben. Interne und solare Wärmegewinne sowie regenerative Energieanteile sind als negative Bilanzanteile links der NullAchse aufgetragen. Die positiv dargestellten Verluste abzüglich der negativ eingetragenen Gewinne repräsentieren den Primärenergiebedarf.

DVD 2130

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Bild 6.1.5-9. Grafische Darstellung der Bilanzanteile am Jahres-Primärenergiebedarf für das in Tafel 6.1.5-5 dargestellte Einfamilienhaus bei unterschiedlichen baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen.

Bild 6.1.5-10. Grafische Darstellung der Bilanzanteile am Jahres-Primärenergiebedarf für das in Tafel 6.1.5-6 dargestellte Mehrfamilienhaus bei unterschiedlichen baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2131 DVD

Die sich aus einer Variante ergebenden geänderten Bilanzanteile am Jahres-Primärenergiebedarf sind in Bild 6.1.5-9 und Bild 6.1.5-10 durch Umrandung hervorgehoben und in Tafel 6.1.5-8 und Tafel 6.1.5-7 unterlegt. Die jeweils greifende Anforderung – Primärenergiebedarf oder spezifischer Transmissionswärmeverlust – ist fett gedruckt. Tafel 6.1.5-7

Ausführungsbeispiele für das in Tafel 6.1.5-6 dargestellte Mehrfamilienhaus bei unterschiedlichen baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen

Variante

ΔUWB n [h–1] [W/(m2K)]

UW/g

UAW

UD

UG

HT'

[kWh/(m2K)]

eP (–)

qE

qP

[kWh/(m2a)]

0 Ausgangsfall

0,6

0.05

1,4/0,58

0,30 0,27 0,48 0,46 1,45

77,6

86,9

1 ohne Dichtheitsprüfung

0,7

0,05

1,4/0,58

0,23 0,21 0,33 0,40 1,45

77,5

86,7

2 Wärmebrücken Standard

0,6

0,10

1,4/0,58

0,25 0,21 0,35 0,46 1,45

77,6

86,9

3 Wärmebrücken detailliert

0,6

0,02

1,4/0,58

0,36 0,27 0,55 0,46 1,45

77,6

86,9

4 Brennwerttechnik

0,6

0,05

1,4/0,58

0,41 0,27 0,54 0,51 1,35

77,6

86,9

5 BW-Kessel, dez. elektr. Trinkwassererwärm.

0,6

0,05

1,4/0,58

0,41 0,27 0,56 0,51 1,59

71,0

102,7 86,8

6 Brennwert-Kombikessel

0,6

0,05

1,4/0,58

0,52 0,37 0,56 0,58 1,22

77,8

7 BW-Kessel, Lüftungsanlage

0,6

0,05

1,4/0,58

0,54 0,44 0,56 0,60 1,18

74,7

86,4

8 BW-Kessel, Solaranlage

0,6

0,05

1,4/0,58

0,54 0,44 0,56 0,60 1,18

76,8

86,7

9 Sole/Wasser-Wärmepumpe

0,6

0,05

1,4/0,58

0,56 0,50 0,59

22,9

61,9

Tafel 6.1.5-8

0,63 0,81

Ausführungsbeispiele für das in Tafel 6.1.5-5 dargestellte Einfamilienhaus bei unterschiedlichen baulichen und anlagentechnischen Randbedingungen

Variante

n ΔUWB [h–1] [W/(m2K)]

UW/g

UAW

UD

UG

[kWh/(m2K)]

HT'

eP (–)

qE

qP

[kWh/(m2a)]

0 Ausgangsfall

0,6

0.05

1,4/0,58

0,23 0,21 0,35 0,38 1,60 108,2

124,2

1 ohne Dichtheitsprüfung

0,7

0,05

1,4/0,58

0,20 0,19 0,21 0,35 1,60 108,2

124,1

2 Wärmebrücken Standard

0,6

0,10

1,4/0,58

0,17 0,15 0,21 0,38 1,60 108,3

124,3

3 Wärmebrücken detailliert

0,6

0,02

1,4/0,58

0,31 0,24 0,35 0,38 1,60 108,2

124,2

4 Brennwerttechnik

0,6

0,05

1,4/0,58

0,35 0,22 0,36 0,41 1,48 108,2

124,2

5 BW-Kessel, dez. elektr. Trinkwassererwärm.

0,6

0,05

1,4/0,58

0,50 0,24 0,38 0,46 1,34 109,8

124,6

6 Brennwert-Kombikessel

0,6

0,05

1,4/0,58

0,50 0,24 0,50

0,48 1,26 106,2

120,5

7 BW-Kessel, Lüftungsanlage

0,6

0,05

1,4/0,58

0,42 0,27 0,50 0,46 1,33 105,2

123,6

8 BW-Kessel, Solaranlage

0,6

0,05

1,4/0,58

0,50 0,24 0,50

0,48 1,25 103,5

119,7

9 Sole/Wasser-Wärmepumpe

0,6

0,05

1,4/0,58

0,50 0,24 0,50

0,48 0,89

85,0

31,5

Bauliche Randbedingungen Auf der baulichen Seite wird für den Grundfall angenommen, dass die Gebäude bei natürlicher Lüftung den Anforderungen an die Gebäudedichtheit genügen, was durch eine Dichtheitsprüfung nachgewiesen wird. In der ersten Variante wird demgegenüber auf die Dichtheitsprüfung verzichtet und somit ein erhöhter Luftwechsel von 0,7 h-1 angesetzt. Die Berücksichtigung der Wärmebrücken erfolgt im Grundfall pauschal, wobei der Bonus einer Halbierung – für Ausführungen vergleichbar zum Beiblatt 2 der DIN 4108 – in Ansatz gebracht wird. In Variante 2 ist dies nicht der Fall, d.h. es wird pauschal mit ΔUWB = 0,10 W/(m2K) gerechnet. Eine detaillierte Berechnung der Wärmebrückeneinflüsse mittels Wärmebrückenverlustkoeffizienten (Ψ-Werte) kann z.B. zu einem Wert von ΔUWB = 0,02 W/(m2K) führen, wie in Variante 3 dargestellt. Bei allen Varianten gilt, dass für die Gebäude eine schwere Bauweise angenommen wird und eine Nachtabschaltung erfolgt. Als Berechnungsverfahren wird die Monatsbilanz nach DIN V 4108-6 zugrunde gelegt.

DVD 2132

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Anlagentechnische Randbedingungen Im Grundfall sind die Gebäude mit einer Zentralheizung (Niedertemperaturkessel, Spreizung 55/45 °C) mit kombinierter Trinkwassererwärmung ausgestattet. Der Wärmeerzeuger und ein indirekt beheizter Speicher sind außerhalb der thermischen Hülle aufgestellt. Die horizontale Verteilung des Trinkwarmwassers (mit Zirkulation) und des Warmwassers für die Raumwärme erfolgt beim Mehrfamilienhaus ebenfalls außerhalb, beim Einfamilienhaus innerhalb der thermischen Hülle. Die vertikalen Verteilstränge werden in beiden Fällen innenliegend angeordnet. Die Heizflächen sind mit Thermostatventilen ausgestattet (Auslegungsproportionalbereich 1 Kelvin). Für die Varianten 4 bis 8 wird der Einsatz eines Brennwertkessels (55/45 °C) zugrunde gelegt. Die Aufstellung im unbeheizten Bereich, der indirekt beheizte Speicher und die Lage der Verteilleitungen bleiben, von der expliziten Nennung in der Variantenbeschreibung abgesehen, unverändert. Für die Variante 5 wird im Fall des Einfamilienhauses eine optimierte Trinkwassererwärmung vorgesehen, wobei der indirekt beheizte Speicher in den beheizten Bereich verlegt und auf Zirkulation verzichtet wird. Beim Mehrfamilienhaus steht Variante 5 für eine dezentrale elektrische Trinkwassererwärmung mittels eines Durchlauferhitzers in Kombination mit einem Elektro-Kleinspeicher (ein Raum, mehrere Zapfstellen). Der Brennwert-Kombikessel (Variante 6) ist wohnungszentral platziert, auch die Verteilung erfolgt innerhalb des beheizten Bereichs. Bei Variante 7 wird eine zentrale Lüftungsanlage mit 60% Wärmerückgewinnung (DC-Ventilatoren) ohne Nachheizung ergänzt. Die Verlegung der Verteilleitungen erfolgt innerhalb der thermischen Hülle. Für Variante 8 ist eine solare Trinkwassererwärmung mittels eines Flachkollektors vorgesehen, Speicher und Verteilleitungen sind wie in den Vergleichsfällen unbeheizt angeordnet (mit Zirkulation). In der letzten Variante wird der Wärmeerzeuger durch eine Sole/Wasser-Wärmepumpe ersetzt und die Spreizung auf 35/28 °C reduziert. Die Fußbodenheizung ist mit Einzelraumregelung ausgestattet. Ergebnisse Bei unveränderter Anlagentechnik gegenüber dem Ausgangsfall führen die Variationen in den Fällen 1 bis 3 dazu, dass der Wärmeschutz der Außenbauteile eine Verschärfung (Variante 1 und 2) bzw. Entlastung (Variante 3) erfährt. Durch Einsatz der Brennwerttechnik statt Niedertemperaturtechnik werden die Erzeugungsverluste reduziert (Variante 4). Eine Reduktion der Verteilverluste wird beim Einfamilienhaus (Variante 5) durch die Aufstellung des Warmwasserspeichers im beheizten Bereich erreicht. Für die Variante 5, beim Mehrfamilienhaus, ist ein höherer Jahres-Primärenergiebedarf zulässig, da hier eine dezentral elektrische Trinkwassererwärmung (Elektrodurchlauferhitzer) zum Einsatz kommt. Der Vergleich mit Variante 4 zeigt, dass hinsichtlich der Anteile der Wärmeverluste über Außenbauteile praktisch gleiche Werte vorliegen. Dies kann auch Tafel 6.1.5-7 entnommen werden. Kommen Kombikessel zum Einsatz (Heizung und Warmwasserbereitung kombiniert, Aufstellung im beheizten Bereich) führt dies beim Einfamilienhaus dazu, dass als Anforderung der spezifische auf die wärmeübertragende Umfassungsfläche bezogene Transmissionswärmeverlust greift. Der Einsatz eines Brennwertkessels und einer Lüftungsanlage in Variante 7 führt gegenüber dem Ausgangsfall zu einem reduzierten Anteil bei der Wärmeerzeugung der Lüftung. Der erhöhte Anteil der Primärenergieumwandlung resultiert aus dem Strombedarf der Lüftungsanlage. Bei Verwendung einer solaren Trinkwassererwärmung, fließt ein Anteil regenerativer Wärmegewinne in die Bilanz ein. Dies gilt ebenfalls bei Einsatz einer Sole/Wasser-Wärmepumpe. Bei der letztgenannten Variante tritt ein hoher Anteil der Primärenergieumwandlungsverluste auf, der durch Nutzung regenerativer Energie kompensiert wird. In diesem Fall greift die Zusatzanforderung an den baulichen Wärmeschutz bei beiden Gebäuden. Die Beispiele sollen aufzeigen, welche Möglichkeiten der Kompensation zwischen baulichen Wärmeschutz und Anlagentechnik im Rahmen des Nachweisverfahrens der Energieeinsparverordnung möglich sind. Es ist davon auszugehen, dass bei Einsatz sehr effizienter Anlagentechnik (Varianten 6 bis 9), der auch mit höheren Investitionskosten verbunden ist, gleichzeitig ein besserer baulicher Wärmeschutz eingesetzt wird, sodass insgesamt in praktischen Ausführungen die Anforderungen der Energieeinsparverordnung bei solchen Fällen deutlich unterschritten werden können. Insgesamt zeigt sich, dass die Anforderungen der Verordnung mit heute in der Praxis üblichen Konstruktionen, Baustoffen und Anlagentechniken umsetzbar sind. Bei der Festlegung der einzelnen Einflussgrößen ist zu berücksichtigen, dass bauliche Maßnahmen langlebiger sind als die meisten anlagentechnischen. Darüber hinaus sind bauliche Veränderungen im Nachhinein meist wesentlich aufwändiger als anlagentech-

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2133 DVD

nische. Im Einzelfall ist objektspezifisch durch Variantenbildungen das günstigste Ergebnis zu ermitteln. Ausgewogene Lösungen im anlagentechnischen und baulichen Bereich stellen sich in der Regel am günstigsten dar.

-3.8

Einflussgrößen auf den Primärenergiebedarf von Wohngebäuden

Am Beispiel eines Einfamilienhauses soll aufgezeigt werden, wie sich unterschiedliche bauliche, anlagentechnische und nutzungsbedingte Einflüsse auf die Höhe des Jahre-Primärenergiebedarfs auswirken. In Tafel 6.1.5-9 sind die Varianten der verschiedenen Einflussgrößen dargestellt. Der Ausgangsfall entspricht hinsichtlich der Randbedingungen dem Niveau der Energieeinsparverordnung und verursacht einen Primärenergiebedarf von 125,3 kWh/(m2a). Tafel 6.1.5-9

Zugrunde gelegte Varianten für die Berechnungen des Jahres-Primärenergiebedarfs eines Einfamilienhauses.

Einflussgröße

Ausgangsfall

Varianten

UAW/UD/UG/ UW(g)[W/ (m2K)]/[–]

0,35 / 0,22 / 0,36 / 1,4 (0,58)

0,21 / 0,18 / 0,28 / 1,4 (0,58) (Verschlechterung Wärmeschutz)

0,53 / 0,24 / 0,5 / 1,4 (0,58) (Verbesserung Wärmeschutz)

ΔUWB [W/(m2K)]

0,05

0 (Wärmebrücken ideal)

0,1 (Wärmebrücken Standard)

n [h–1]

0,6

0,7 (keine Dichtheitsprüfung)

–

Speicherfähigkeit

schwere Bauweise

leichte Bauweise

–

Heizung und Warmwasserbereitung

Brennwertsystem mit zentraler WWB, Verteilung beheizt

Niedertemperatursystem mit zentraler WWB, Verteilung beheizt

Brennwertsystem mit zentraler WWB, Verteilung unbeheizt

Lüftung

natürliche Lüftung

Lüftungsanlage mit WRG

–

mittlere Raumtemperatur [°C]

19

17

21

Nachtabschaltung

mit

ohne

–

Standort

Referenzstandort (EnEV)

Freiburg

Hof

Bauliche Einflüsse Wird der bauliche Wärmeschutz gem. den Zahlenwerten in Tafel 6.1.5-9 verbessert, ergibt sich eine Bedarfsreduktion um rd. 12 kWh/(m2a). Wärmedurchgangskoeffizienten, die in etwa dem Anforderungsniveau der Wärmeschutzverordnung ’95 entsprechen, führen zu einer Erhöhung des Primärenergiebedarfs um rd. 12 kWh/(m2a). Mit der Umsetzung optimierter Anschlussdetails können Wärmebrückenverluste reduziert werden. Aus einem Wert ΔUWB = 0 W/(m2K) resultiert der Jahres-Primärenergiebedarf von rd. 115 kWh/(m2a). Infolge schlechter Wärmebrückenausführungen ΔUWB = 0,1 W/(m2K)) steigt der zuletzt genannte Wert um ca. 11 kWh/(m2a) an.

DVD 2134

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Bild 6.1.5-11. Jahres-Primärenergiebedarf eines Einfamilienhauses bei Variation unterschiedlicher baulicher Einfußgrößen. Varianten gem. Tafel 6.1.5-9.

Wird eine ausreichende Gebäudedichtheit, die nach DIN 4108-7 gefordert ist, nicht erreicht, ergibt sich mit einem Luftwechsel von n = 0,7 h–1 ein Jahres-Primärenergiebedarf von 131,6 kWh/(m2a). Der Einfluss der Bauweise (schwer/leicht), ausgedrückt durch die Wärmespeicherfähigkeit, liegt bei etwa 2%. Anlagentechnische Einflüsse Beim Einsatz eines Niedertemperatur-Heizsystems ergibt sich aufgrund der größeren Erzeuger-Aufwandszahl eine Erhöhung des Jahres-Primärenergiebedarfs gegenüber dem Ausgangsfall von rd. 7 kWh/(m2a). Werden die Rohrleitungen nicht wie im Ausgangsfall im beheizten, sondern im nicht beheizten Bereich geführt, liegt der Jahres-Primärenergiebedarf bei 129,9 kWh/(m2a).

Bild 6.1.5-12. Jahres-Primärenergiebedarf eines Einfamilienhauses bei Variation unterschiedlicher anlagentechnischer Einfußgrößen. Varianten gem. Tafel 6.1.5-9.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2135 DVD

Bild 6.1.5-13. Jahres-Primärenergiebedarf eines Einfamilienhauses bei Variation unterschiedlicher nutzungsbedingter Einfußgrößen. Varianten gem. Tafel 6.1.5-9.

Eine Reduktion des Primärenergiebedarfs um rd. 13 kWh/(m2a) wird erreicht, wenn eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung (Wärmerückgewinnungsgrad 80%) vorgesehen ist. Nutzungsbedingte Einflüsse Die Energieeinsparverordnung setzt als mittlere Raumlufttemperatur einen Wert von 19 °C an. Hierbei ist die räumliche Teilbeheizung berücksichtigt, d.h. es wird davon ausgegangen, dass nicht alle Räume eines Gebäudes auf normale Raumlufttemperaturen beheizt werden. Setzt man bei der Berechnung eine Raumlufttemperatur von durchschnittlich 17°C an, liegt der Jahres-Primärenergiebedarf bei 107,8 kWh/(m2a). Bei einer um 2 K erhöhten Raumlufttemperatur von 21 °C erhöht sich auch der Bedarf und zwar um rd. 18kWh/(m2a). Wird gegenüber dem Ausgangsfall keine Nachtabschaltung betrieben, entsteht ein Mehrbedarf von ca. 6%. Die Berücksichtigung standortspezifischer Klimadaten führt für Freiburg (Referenzort für die Region 12 gem. DIN 4108-6) zu einer Reduktion des Jahres-Primärenergiebedarfs von rd. 20 kWh/(m2a). Unter Zugrundelegung der Klimadaten des Referenzortes für die Region 10 (Hof) nimmt der Bedarf auf 143,9 kWh/(m2a) zu.

-3.9

Ausführungsempfehlungen

Auf der Basis der dargestellten Berechnungsansätze und Beispiele, lassen sich für den Umgang mit der Energieeinsparverordnung Handlungs- und Ausführungsempfehlungen ableiten. Einbeziehung baulicher und anlagentechnischer Aspekte im früheren Planungsstadium Die heute noch oftmals praktizierte Vorgehensweise, den Anlagenplaner bzw. den ausführenden Fachbetrieb nach Festlegung der wärmeschutztechnischen Planung oder gar nach der Ausführung einzubeziehen, wird künftig nicht mehr möglich sein. Da abhängig von den Bestimmungen in einzelnen Bundesländern der EnEV-Nachweis mit dem Bauantrag eingereicht werden muss, ist es erforderlich, zumindest die Eckdaten für die bauliche und anlagentechnische Ausführung in einen frühen Planungsstadium zu fixieren. Im Rahmen des rechnerischen Nachweises wird für die Ermittlung des Jahres-Heizwärmebedarfs sicherlich der größte Zeit- und Arbeitsaufwand – wie bisher – bei der Bestimmung des beheizten Gebäudevolumens, der wärmeübertragenden Hüllfläche und der Wärmedurchgangskoeffizienten liegen. Die detaillierten Ansätze des Monatsbilanzverfahrens werden über geeignete Software leicht zu behandeln sein. Da das Monatsbilanzverfahren i.d.R. zu günstigeren Ergebnissen als das vereinfachte Verfahren

DVD 2136

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

(Periodenbilanz) führt, erscheint das etwas aufwändigere Verfahren grundsätzlich empfehlenswert. Wärmebrücken Die bekannten Zusammenhänge, dass bei verbessertem Wärmeschutzniveau die Wärmeverlust über Wärmebrücken zunehmen, werden im Nachweisverfahren der EnEV berücksichtigt. Bei der Berechnung der Transmissionswärmeverluste werden die Wärmebrückeneffekte über Wärmebrückenkorrekturwerte ΔUWB erfasst. Im vereinfachten Nachweisverfahren ist ΔUWB = 0,05 W/(m2K) als Standardwert vorgegeben. Auch im ausführlichen Nachweisverfahren (Monatsbilanz) sollte über Einhaltung der Empfehlungen gem. DIN 4108, Beiblatt 2, dieser Wert als Mindeststandard angestrebt werden. Liegen für die in Rahmen des Nachweises verwendeten Baukonstruktionen Lösungen für Wärmebrückendetails vor, so kann eine Optimierung über die detaillierte Ermittlung von ΔUWB erfolgen. Wie das Beispiel in Abschn. 8 zeigt, lassen sich mit der detaillierten Planung erhebliche Verbesserungen erreichen. Als Planungshilfsmittel kann hierbei der Wärmebrückenkatalog1) herangezogen werden, in dem die Empfehlungen gem. DIN 4108, Beiblatt 2 und darüber hinaus weitere Anschlusslösungen aufgenommen sind. Luftdichtheit Die Anforderungswerte an die Luftdichtheit der Gebäudehülle sind in DIN 4108-7 genannt – Gebäude mit natürlicher Lüftung: n50 ≤ 3,0 h–1 – Gebäude mit mechanischer Lüftung: n50 ≤ 1,5 h–1 Die EnEV schreibt vor, dass bei Einsatz einer mechanischen Lüftungsanlage eine Dichtheitsprüfung durchgeführt werden muss. Wird bei natürlich gelüfteten Gebäuden – diese Form der Lüftung wird in nächster Zukunft noch die am häufigsten anzutreffende sein – eine Dichtheitsprüfung durchgeführt, und der genannte Anforderungswert eingehalten, darf im Nachweisverfahren ein Bonus in Ansatz gebracht werden. Mit den Kosten für eine Messung nach dem Blower Door-Verfahren von rd. EUR 300 für ein Einfamilienhaus und rd. EUR 600 für ein Mehrfamilienhaus mit 6–8 Wohneinheiten, stellt sich der Nachweis über die Einhaltung der Dichtheitsanforderungen als wirtschaftlich sehr günstige Option für die Verbesserung des Wärmeschutzes dar. Es ist davon auszugehen, dass die Dichtheitsprüfung in den nächsten Jahren bei den meisten Bauvorhaben Anwendung findet. Dies nicht nur im Hinblick auf die energetischen Aspekte sondern auch als Qualitätsnachweis für eine Konstruktion, die weniger bauschadensanfällig ist und keine Zugerscheinungen auftreten lässt. In DIN 4108-7 sind über die genannten Anforderungswerte hinaus eine große Anzahl von Beispielen aufgeführt, die als Planungs- und Ausführungsempfehlungen herangezogen werden können. Grundsätzlich erscheint es sinnvoll, bei der Auswahl von Materialien (Folien, Klebebänder, Manschetten, ...) auf Paketlösungen von Herstellern zurückzugreifen. Hiermit sollte weitgehend sichergestellt sein, dass die verwendeten Produkte aufeinander abgestimmt sind und somit eine lang andauernde Dichtheit gewährleisten. Anlagentechnik Die heutzutage am häufigsten eingesetzte Anlagentechnik zur Gebäudebeheizung, die Pumpen-Warmwasserheizung, bietet auch in der nächsten Zukunft ein großes Optimierungspotenzial. Im wesentlichen wird dies durch den Einsatz effizienter Wärmeerzeuger (Brennwertsysteme), optimierter Rohrleitungsführung (möglichst kurz und im beheizten Bereich geführt) und die Wahl des Aufstellortes von Wärmeerzeuger sowie evtl. vorhandenem Warmwasserspeicher (möglichst im beheizten Bereich) zu erschließen sein. Über solche, aus den Rechenansätzen resultierende Erkenntnisse hinaus, ist es empfehlenswert, konkrete Produkt-Kennwerte im Nachweis zu berücksichtigen. Die StandardWerte in DIN V 4701-10 orientieren sich am unteren energetischen Durchschnitt der Marktniveaus und führen somit zu ungünstigeren Ergebnissen. Im Stadium der Vorplanung kann es sich allerdings auch als durchaus sinnvoll erweisen, bei der Berechnung zunächst die Norm-Werte heranzuziehen, um so „auf der sichern Seite“ zu liegen. DIN EN 832 1)

Hauser, G. und Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag Wiesbaden, 1992.

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

-3.10

2137 DVD

Anforderungen für Nichtwohngebäude

Die Anforderungen an neu zu errichtende Nichtwohngebäude werden über ein so genanntes Referenzverfahren formuliert. Hierbei wird für das neu zu errichtende Gebäude mit seiner vorgesehenen, tatsächlichen Geometrie und Ausrichtung mit einer vorgegebenen Referenzausführung des baulichen Wärmeschutzes und sonstigen Kennwerten der Gebäudehülle sowie einer Referenzanlagentechnik der Jahres-Primärenergiebedarf ermittelt und als Maximalwert für das tatsächlich zu errichtende Gebäude definiert. Dieser maximal zulässige Jahres-Primärenergiebedarf ist mit der tatsächlichen Gebäudeausführung einzuhalten. Zur Referenzausführung zählen – der Wärmeschutz der Gebäudehülle mit ergänzenden thermischen Kennwerten und – die Anlagentechnik für Heizung, Kühlung, Warmwasserbereitung, Raumlufttechnik und Beleuchtung. Die Anforderungen an den einzuhaltenden Wärmeschutz der Gebäudehülle (HT’) und die Berücksichtigung der Aspekte Prüfung alternativer Energieversorgungssysteme, Wärmebrücken, Luftdichtheit, Mindestluftwechsel sowie sommerlicher Wärmeschutz sind bei Nichtwohngebäuden prinzipiell wie bei Wohngebäuden in der EnEV 2007 behandelt. Dies gilt auch für Änderungen und Nachrüstungen im Bestand.

-3.11

Berechnungsverfahren für Nichtwohngebäude

Die Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs für Nichtwohngebäude im Rahmen der EnEV erfolgt auf Basis der DIN V 185991). Die Berechnungen erlauben die Beurteilung aller Energiemengen, die zur bestimmungsgemäßen Heizung, Warmwasserbereitung, raumlufttechnischen Konditionierung und Beleuchtung von Gebäuden notwendig sind. Dabei berücksichtigt DIN V 18599 auch die gegenseitige Beeinflussung von Energieströmen und die daraus resultierenden planerischen Konsequenzen. DIN V 18599 besteht aus 10 Teilen mit nachfolgenden Bezeichnungen: Teil 1: Allgemeine Bilanzierungsverfahren, Begriffe, Zonierung und Bewertung der Energieträger Teil 2 Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen von Gebäudezonen Teil 3 Nutzenergiebedarf für die energetische Luftaufbereitung Teil 4: Nutz- und Endenergiebedarf für Beleuchtung Teil 5: Endenergiebedarf von Heizsystemen Teil 6: Endenergiebedarf von Wohnungslüftungsanlagen und Luftheizungsanlagen für den Wohnungsbau Teil 7: Endenergiebedarf von Raumlufttechnik- und Klimakältesystemen für den Nichtwohnungsbau Teil 8: Nutz- und Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungssystemen Teil 9: End- und Primärenergiebedarf von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten Im Teil 1 sind die Bilanzierungsregeln beschrieben und die Schnittstellen zu den anderen Teilen der Norm definiert. Darüber hinaus sind die Zonierungsregeln (Aufteilung eines Gebäudes in Zonen aufgrund unterschiedlicher Nutzungen oder anlagentechnischer Eigenschaften) und die Primärenergiefaktoren festgelegt. Die Teile 2 bis 4 beschäftigen sich mit der Ermittlung der Nutzenergie für konditionierte Gebäudeteile. Hierbei wird unterschieden zwischen dem Energiebedarf der in Nutzungszonen entsteht, um hierin die gewünschten thermischen und visuellen Randbedingungen sicherzustellen und dem Energiebedarf, der für die Luftaufbereitung notwendig ist, um die Zuluft von Außenluftbedingungen auf Zuluftbedingungen zu konditionieren. Hierin sind auch Prozesse wie Be- und Entfeuchtung enthalten. Die Nutzenergie berücksichtigt nicht die Effizienz der Anlagentechnik, sondern gibt Auskunft über den Bedarf an Energie, den ein Gebäude bei vorgegebenen Nutzungsbedingungen erfordert. In den Teilen 4 bis 8 sind die Regeln für die Ermittlung der Energieeffizienz der Anlagentechnik für Beleuchtung, Heizung, Lüftung, Kühlung und Warmwasser definiert. Im 1)

DIN V 18599:2007-02: Energetische Bewertung von Gebäuden. Berechnung des Nutz-, End_ und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung.

DVD 2138

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

Teil 9 wird beschrieben, wie die Energieaufwendungen in multifunktionalen Generatoren, wie z.B. Blockheizkraftwerken, primärenergetisch zu bewerten sind. Angaben über die Randbedingungen für unterschiedliche Nutzungen in Gebäuden finden sich im Teil 10 sowohl als standardisierte Nutzungsprofile für die Erstellung des Energieausweises als auch als typische Bandbreiten für die Energieberatung.

-3.12

Beispielrechnungen für Nichtwohngebäude

Für 3 Beispielgebäude in Bild 10/1 – ein Bürogebäude, eine Schule und ein Hotel - wird der aus den Referenzanforderungen der Energieeinsparverordnung resultierende JahresPrimärenergiebedarf mittels eines Berechnungsprogramms des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik1) bestimmt. Neben der Vorgabe der Referenzwerte für die Ausführung der Gebäudehülle und der Anlagentechnik sind bei den jeweiligen Gebäuden folgende Annahmen getroffen: – Bürogebäude: Fensterflächenanteil 50 %; Außenjalousie in Ost-/ West- und Südorientierung (gtot = 0,06); leichte Ausführung; Blendschutz vorhanden; keine Warmwasserbereitung (Berücksichtigung der Bagatellgrenze gem. DIN V 18599-10); Zonen mit Kühlung (RLT und Raumkühlung) ca. 20% der Gesamtfläche; Zonen mit freier Lüftung ca. 70% der Gesamtfläche; Zonen mit Lüftungsanlage ca. 10% der Gesamtfläche. – Schule: Fensterflächenanteil 40 %; Außenjalousie in Ost-/ West- und Südorientierung (gtot = 0,06); leichte Ausführung; zentrale Warmwasserbereitung; Zonen mit freier Lüftung ca. 95% der Gesamtfläche; Zonen mit Lüftungsanlage ca. 5 % der Gesamtfläche. – Hotel: Fensterflächenanteil 60 %; Außenjalousie in Ost-/ West- und Südorientierung (gtot = 0,06); leichte Ausführung; zentrale Warmwasserbereitung; Zonen mit Kühlung (RLT und Raumkühlung) ca. 65 % der Gesamtfläche; Zonen mit Lüftungsanlage ca. 35% der Gesamtfläche. Die Anteile des Jahres-Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung (Raum und RLT), Warmwasser, Beleuchtung, Lufttransport und Hilfsenergie (Heizung und Kühlung) sind für die 3 Beispielgebäude in Bild 10/2 grafisch wiedergegeben. Der größte Heizenergiebedarf tritt aufgrund des vergleichsweise hohen A/Ve-Verhältnisses und der reinen Fensterlüftung (keine Wärmerückgewinnung) beim Schulgebäude auf. Der Jahres-Primärenergiebedarf für Beleuchtung ist beim Bürogebäude am größten; hier liegen die höchsten Anforderungen an die Beleuchtungsstärke vor. Beim Hotel resultiert aus dem hohen Wärmebedarf für Trinkwarmwasser ein entsprechend hoher Primärenergiebedarf. Die raumlufttechnischen Einrichtungen (Lüftung/Kühlung) beim Hotel und Bürogebäude führen zu Anteilen des Jahres-Primärenergiebedarfs von rd. 70 bzw. 25 kWh/(m2a).

Bürogebäude

Schule

Hotel

Bild 6.1.5-14 Gebäudeformen und -abmessungen der Beispielgebäude.

1)

Höttges, K. und Erhorn, H.: Entwicklung und Validierung eines DIN V 18599 Berechnungsprogramms. Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Stuttgart, 2005, (http://www.ibp.fhg.de/wt/ normen.html).

6.1.5 Energieeinsparverordnungen EnEV 2002, 2004 und 2007

2139 DVD

Bild 6.1.5-15 Jahres-Primärenergiebedarf für die Beispielgebäude mit zugrunde gelegter ReferenzBau- und -Anlagentechnik.

-3.13

Vereinfachtes Nachweisverfahren für Nichtwohngebäude

Durch die Aufteilung eines Gebäudes in Nutzungszonen wird ein Nachweisverfahren gemäß Energieeinsparverordnung, das auf DIN V 18599 verweist, deutlich umfangreicher, als im bisherigen Verfahren. Hinzu kommt, dass z. B. im Beleuchtungsbereich die einzelnen Nutzungszonen aufgrund des Einsatzes unterschiedlicher Techniken nochmals weiter in Bereiche untergliedert werden können, bzw. müssen. Vor diesem Hintergrund ist neben der ausführlichen Vorgehensweise nach DIN V 18599 für Nichtwohngebäude im Rahmen der Energieeinsparverordnung ein alternatives „vereinfachtes Verfahren“ aufgenommen, welches auf der Grundlage pauschaler Annahmen ebenfalls den Nachweis der Einhaltung des festgeschriebenen Anforderungsniveaus ermöglicht. Basis für die Berechnungen bildet dabei ein „1-Zonen-Modell“, bei dem die Hauptnutzung des Gebäudes die anzusetzenden Nutzungsrandbedingungen bestimmt. Der Anwendungsbereich für das vereinfachte Verfahren berücksichtigt die Gebäudetypen „Bürogebäude“, „Geschäftshäuser (Bürogebäude mit Verkaufseinrichtung; Bürogebäude mit Restaurant)“, „Schulen und Kindergärten“ sowie „Hotels (mit einfacher Ausstattung)“. Dabei sind Grenzen hinsichtlich der Anwendung des vereinfachten Verfahrens über den Flächenanteil der Hauptnutzung und der Verkehrsflächen (die Summe der Flächen aus Hauptnutzung und Verkehrsfläche muss mindestens 2/3 der gesamten Nettogrundfläche des Gebäudes betragen) und die Ausführung anlagentechnischer Komponenten für Heizung, Kühlung, Lüftung und Beleuchtung vorgegeben. Um eine Berechnung „auf der sicheren Seite“ zu gewährleisten, ist der Jahres-Primärenergiebedarf für das zu errichtende Gebäude und das Referenzgebäude um 10% höher anzusetzen als der Wert, der aus der jeweiligen Berechnung resultiert. Eine Verschärfung der Anforderungen gegenüber dem ausführlichen Nachweis ist somit nicht gegeben.

DVD 2140

6.1.6

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

DIN EN 832 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden Berechnung des Heizenergiebedarfs von Wohngebäuden1)

Im Unterschied zur Energieeinsparverordnung2) EnEV (s. Abschn. 6.1.5 s. S. 2108) dient das in dieser europäischen Norm dargestellte Berechnungsverfahren nicht zum Nachweis von Energiesparforderungen, sondern primär zur Ermittlung eines verbrauchsorientierten Heizenergiebedarfs, um in der Planungsphase Hinweise über die Auswirkungen bestimmter Energiesparmaßnahmen zu erhalten. Auf der Grundlage des ermittelten Heizenergiebedarfs können auch die wirtschaftlichen Auswirkungen solcher Maßnahmen abgeschätzt werden, da nutzungsbedingte Eingangsdaten zugrunde gelegt werden können, die nicht, wie in der EnEV, normiert sind. Das europäische Rechenverfahren basiert auf der Energiebilanz unter stationären Randbedingungen, wobei durch Verwendung eines Nutzungsgrades der gebäudeinternen und solarbedingten Wärmegewinne auch die thermisch-dynamischen Eigenschaften eines Gebäudes mitberücksichtigt werden. Die Norm gilt für folgende Anwendungsfälle: – als Planungsinstrument zur Optimierung des energetischen Verhaltens eines Gebäudes; Basisdaten für Wirtschaftlichkeitsrechnungen – zur Beurteilung der Erfüllung von energetischen Anforderungen für Wohngebäude falls national angewendet (Die Energieeinsparverordnung macht die Rechenmethode nach DIN EN 832 zur Grundlage für den Energieeinsparnachweis nach der EnEV.) – zur Ermittlung eines allgemein anerkannten Kennwertes für das energetische Verhalten eines Gebäudes – zur Bewertung des energetischen Verhaltens eines bestehenden Gebäudes bei geplanten Energiesparmaßnahmen – zuletzt zur Vorhersage des zukünftigen Energiebedarfs für repräsentative Gebäude des Baubestandes Bezüglich des Anwendungsbereiches ist vermerkt, dass diese Norm ein vereinfachtes Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Heizenergiebedarfs für die Raumheizung in Wohngebäuden beschreibt. Dieses Verfahren enthält die Berechnung: – des Wärmeverlustes eines Gebäudes, das auf eine konstante Soll-Innentemperatur beheizt wird – des zur Aufrechterhaltung der festgelegten Soll-Innentemperaturen benötigten Heizwärmebedarfs – des für das Heizungssystem eines Gebäudes zur Raumheizung benötigten jährlichen Heizenergiebedarfs unter Einbeziehung der Jahresnutzungsgrade von Heizungssystemen Das europäische Verfahren kann ein- oder mehrzonig für verschiedene Soll-Innentemperaturen der Zonen angewendet werden. Der Berechnungszeitraum kann entweder eine bestimmte Heizperiode (ohne sommerliche Heizung) oder der monatliche Zeitraum sein. Die monatliche Berechnung ist das normale Rechenverfahren, das genauere Resultate liefert, verbunden mit dem Vorteil, dass die Heizperiode sich automatisch an das Wärmedämmvermögen des Gebäudes anpaßt. Korrekte Ergebnisse werden über einen Jahreszeitraum mit dem Monatsbilanzverfahren erhalten, wobei die Ergebnisse für die einzelnen Monate nahe dem Ende oder dem Beginn der Heizperiode mit großen relativen Fehlern behaftet sein können. Bild 6.1.6-1 zeigt die schematische Darstellung der für die Berechnung zugrunde gelegten Energiebilanz eines Gebäudes.

1) 2)

Erstbearbeitung von Prof. Dr.-Ing. Hans Werner, München, für die 68. Auflage, Ergänzungen in Folgeauflagen. Die Energieeinsparverordnung ist im Februar 2002 rechtskräftig geworden und ersetzt die Wärmeschutzverordnung (s. Abschn. 6.1.5 s. S. 2108).

6.1.6 DIN EN 832 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden

2141 DVD

Bild 6.1.6-1. Schematische Darstellung der Energiebilanz eines Gebäudes nach DIN EN 832*) *) DIN EN 832: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung des Heizenergiebedarfs – Wohngebäude

Auf der Basis dieser Energiebilanz wird der Heizwärmebedarf QH, das ist der dem Gebäude über die Heizung in einer bestimmten Zeitspanne zugeführte Wärmebetrag, gemäß folgender Gleichung ermittelt: QH = ΣM (Ql,M – ηM (Qsol,M + Qi,M) Die Summierung erfolgt über die einzelnen Monate (M) des Jahres soweit die monatlichen Heizwärmebedarfswerte positiv sind. Eventuell, infolge der Wärmebilanz, sich rechnerisch ergebende negative Werte in den Übergangs- und Sommermonaten bleiben unberücksichtigt. Die einzelnen Größen haben folgende Bedeutung: Ql,M = monatlicher Wärmeverlust (l = losses) über die Gebäudehülle; ηM = monatlicher Ausnutzungsgrad der solaren und internen Wärmegewinne für Heizzwecke; Qsol,M = monatliche solare Wärmegewinne; Qi,M = monatliche interne Wärmegewinne. Wärmeverluste Die Wärmeverluste werden mit Hilfe der folgenden Beziehung ermittelt, wobei hier die übrigen angesprochenen Normen zur Anwendung kommen: QV,M = H (ϑi – ϑa) tM mit H als dem in der neuen DIN EN ISO 137891) definiertem temperaturspezifischen Wärmeverlust; ϑi und ϑa sind die Innen- und Außentemperatur mit tM als der Zeit des Monats. In DIN EN 832 werden drei Anteile des spezifischen Wärmeverlustes, wie folgt, berücksichtigt: H = HT + H V HV = der temperaturspezifische Lüftungswärmeverlust mit · · HV = V ρ cp,L bei freier Lüftung wobei V den Luftvolumenstrom darstellt; bei mechanischen Lüftungssystemen wird noch ein zusätzlicher Luftvolumenstrom berücksichtigt.

1)

DIN EN ISO E 13789:1997-07: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Spezifischer Transmissionswärmeverlust.

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6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

In den temperaturspezifischen Transmissionswärmeverlusten können auch noch die zusätzlichen Wärmeverluste infolge zweidimensionaler Wärmebrückeneffekte gemäß DIN EN ISO 10211-21) berücksichtigt werden, so dass für HT gilt: HT = Σ (bi ki Ai) + Σ Ψ li+ Ls Dabei ist: bi ein Reduktionsfaktor, der eine gegenüber der Außenluft erniedrigte Temperaturdifferenz berücksichtigt (bei Wärmeverlusten in unbeheizte Räume, DIN EN ISO 13789) k der Wärmedurchgangskoeffizient eines Außenbauteils i A die Fläche des betreffenden Außenbauteils i Ψ der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient (im deutschen Sprachgebrauch auch mit Wärmebrückenverlustkoeffizient bezeichnet) der zweidimensionalen Wärmebrücken i gemäß DIN EN ISO 1021-2 l die Länge der jeweiligen zweidimensionalen Wärmebrücke i Ls thermische Leitwert des Transmissionswärmeverlusts in das Erdreich nach DIN EN ISO 13370 2) a) Solare Wärmegewinne Die in das Gebäude gelangenden solaren Wärmegewinne Qsol über Fenster, Wintergärten, transparenter Wärmedämmsysteme und Trombewänden werden mittels umfangreicher Berechnungen in bestimmten Anhängen der Norm ermittelt. Für Fenster ergeben sich die Solargewinne folgendermaßen: Qsol = Σj Σi fs,j,i Ij gj,i AF,j,i Dabei bedeuten: fs,j,i durch Verschattung, Rahmen und Sonnenschutz bedingte Minderungsfaktoren; in DIN EN 832 werden Hinweise bestimmter Verschattungssituationen gegeben Ij durchschnittliche orientierungsabhängige Strahlungsangebote in der Heizperiode; in der neuen DIN V 4108-6 „Heizwärmebedarf“ 3) sind zukünftig die für Deutschland geltenden Strahlungsangebote für verschiedene Regionen ersichtlich gi Gesamtenergiedurchlassgrade der Verglasungen i; AF,i,j Fensterflächen i der Orientierung j. b) Interne Wärmegewinne Die monatlichen internen Wärmegewinne Qi werden gemäß folgender Beziehung bestimmt: Qi,M = Φi,M tM Soweit keine genaueren Angaben vorliegen, kann man für Wohngebäude von einer durchschnittlichen inneren Wärmeleistung von 5 W/m2 Nutzfl. ausgehen. c) Ausnutzungsgrad der Sonneneinstrahlung und der internen Wärmegewinne für Heizzwecke Wieviel Sonne und interne Wärmegewinne letztendlich für Heizzwecke genutzt werden kann, hängt vom sog. „Ausnutzungsgrad“ η ab, der in DIN EN 832 als Funktion einer wirksamen Wärmespeicherkapazität dargestellt wird, deren Darstellung in der Norm DIN EN ISO 13786 4) in ausführlicher Weise erfolgt. In Anwendung der Norm DIN EN 832 wird für die wirksame Wärmespeicherung für direkte Sonneneinstrahlung folgender Ansatz zugrunde gelegt: C = Σ dw,i ρi ci Ai

1)

2) 3) 4)

DIN EN ISO 10211-2: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Wärmebrücken im Hochbau – Längenbezogener Wärmedurchgangskoeffizient – Vereinfachtes Berechnungsverfahren und Rechenwerte. DIN EN ISO 13370: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Wärmeübertragung über das Erdreich. DIN V 4108-6:2003-10: Berechnung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden. DIN EN ISO 13786: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Dynamisch-Thermische Eigenschaften – Rechenwerte.

6.1.6 DIN EN 832 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden

2143 DVD

mit dw,i = 10 cm als der wirksamen Schichtdicke des Bauteils i. Die Summation erfolgt über alle Bauteile, die mit der Innenluft in Berührung stehen, also insbesondere mit den Innenbauteilen. Somit wird der Ausnutzungsgrad η der internen Wärmegewinne und der in das Gebäude gelangenden Sonneneinstrahlung für Heizzwecke folgendermaßen ermittelt: a 1–γ η = --------------------- falls γ ≠ 1 a+1 1–γ a η = ------------ falls γ = 1 a+1 wobei a = a0 + τ/τ0 und γ = (Qsol + Qi)/QV das Wärmegewinn-/Verlustverhältnis des Gebäudes für den entsprechenden Betrachtungszeitraum ist. Bei monatlicher Rechnung ergibt sich für a0 und τ0: a0 = l; τ0 = 16 h. Die Zeitkonstante τ ergibt sich aus der wirksamen Wärmekapazität C und den temperaturspezifischen Wärmeverlusten H gemäß folgender Beziehung: τ = C/H Einen grundsätzlichen Verlauf der monatlichen Ausnutzungsgrade in Abhängigkeit der monatlichen Wärmegewinn-/Verlustverhältnisse ist aus Bild 6.1.6-2 zu ersehen.

Bild 6.1.6-2. Typische monatliche Ausnutzungsgrade η in Abhängigkeit des Wärmegewinn-/Verlustverhältnisses eines Gebäudes*) *) Werner, H.: Jahresheizwärmebedarf – Bezug zwischen Wärmeschutzverordnung und DIN V 4108-6, Bundesbaublatt H. 3, 1995, S.174ff.

Einen etwas anderen Einfluß hat die wirksame Wärmekapazität eines Gebäudes, wenn eine Temperaturabsenkung durch Heizungsabsenkung oder -abschaltung durchgeführt wird; auch diese Auswirkung kann in DIN EN 832 berücksichtigt werden und ist in DIN EN ISO 13786 näher erläutert. d) Heizenergiebedarf Vom Heizwärmebedarf QH zum Heinzenergiebedarf Q – also der Energiemenge, die die Heizung zur Erzeugung des Heizwärmebedarfs benötigt – gelangt man mit Hilfe des Jahresheizungsnutzungsgrades ηh, der über diverse Teilverluste der Heizung mit Hilfe einer noch fertigzustellenden Norm des CEN/TC 228 quantifiziert werden muss. Solange diese Norm noch nicht vorliegt, könnte mit einem angenommenen Wert für ηh gerechnet werden, der bei konventionellen Heizungen i.A. zwischen 0,8 und 0,9 liegt. Für den Heizenergiebedarf Q ergibt sich dann: Q = QH/η h Im Zusammenhang mit der DIN EN 832 sei darauf hingewiesen, dass für Deutschland bereits der Gebrauch dieser Norm mit der DIN-Vornorm (DIN V 4108-6)1) interpretiert wird. Diese aus normungsrechtlichen Gründen als Vornorm geführte Norm stellt die Basis der in der neuen Energieeinsparverordnung (EnEV) verwendete Rechenmethode dar, 1)

DIN V 4108-6: Berechnung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden.

DVD 2144

6. Anhang / 6.1 Deutsche bundes- und landesgesetzliche Regelungen

wobei Randbedingungen für den deutschen Energieeinsparnachweis dort genauer festgelegt sind. Die PC-Programme EUROSAN1) und EUROESV2) ermitteln den Heizwärmebedarf nach DIN EN 832 bzw. DIN V 4108-6 und den Heizenergiebedarf bzw. den Primärenergiebedarf nach DIN V 47012) und liefern auch Aussagen zur Wirtschaftlichkeit verschiedener Energiesparmaßnahmen. Solche Programme dienen zur Optimierung von Energiesparmaßnahmen bereits in der Planungsphase von Gebäuden.

1)

2)

Werner, H.: Jahresheizwärmebedarf – Bezug zwischen Wärmeschutzverordnung und DIN V 4108-6, Bundesbaublatt H. 3, 1995, S. 176 (Angaben zu den PC-Programmen: Prof. Dr.-Ing. H. Werner FH München, FB Bauingenieurwesen). www.wernerbauphysik.de DIN V 4701-10: Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen.

2145 DVD

6.2

Europäische Regelungen

Auf Basis des Vertrages zur Gründung der Europäischen Gemeinschaft vom 25.3. 1957 in der Fassung des Vertrages über die Europäische Union vom 7.2. 1992 (ABl. EG Nr. C 191 vom 29.7. 1992), zuletzt geändert (24.6. 1994 / 1.1. 1995) durch die Beitritte Österreichs, Finnlands und Schwedens (ABl. EG Nr. C 241 vom 29.8. 1994 / ABl. EG Nr. L 1 vom 1.1. 1995) sind u.a. verschiedene Richtlinien, die für die Branche der Heizungs-, Lüftungs- und Klima-, Warmwasser- und Kältetechnik von Bedeutung sein können, erlassen. Nachfolgend werden einige dieser EG-(EU-)Regelungen zitiert. a) Richtlinie 98/34/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 22. Juni 1998 über ein Informationsverfahren auf dem Gebiet der Normen und technischen Vorschriften (ABl. EG Nr. L 204 vom 21.7. 1988, S. 37) b) Richtlinie des Rates vom 21. Dezember 1988 zur Angleichung der Rechts- und Verwaltungsvorschriften der Mitgliedstaaten über Bauprodukte (89/106/EWG) (ABl. EG Nr. L 40 vom 11.2. 1989, S. 12), geändert durch RL 93/68/EWG vom 22. Juli 1993 (ABl. EG Nr. L 220 vom 30.8. 1993, S. 1) c) Entscheidung der Kommission vom 9. September 1994 zur Durchführung von Artikel 20 der Richtlinie 89/106/EWG über Bauprodukte (94/611/EG) (ABl. EG Nr. L 241 vom 16.9. 1994, S. 25) d) Entscheidung der Kommission über das Verfahren zur Bescheinigung der Konformität von Bauprodukten gemäß Artikel 20 Absatz 2 der Richlinie 89/107/EWG • Entscheidung 95/467/EG vom 24. Oktober 1995 (ABl. EG Nr. L 268 v. 10. 11. 1995, S. 29) betreffend – Schornsteine, Abgasleitungen und spezielle Produkte, Gipsprodukte, Strukturelle Lagerungen – • Entscheidung 96/577/EG vom 24. Juni 1996 (ABl. EG Nr. L 254 v. 8. 10. 1996, S. 44) betreffend – Ortsfeste Brandbekämpfungssysteme – • Entscheidung 97/161/EG vom 17. Februar 1997 (ABl. EG Nr. L 62 v. 4. 3. 1997, S. 41) betreffend – Metalldübel zur Verwendung in Beton zur Befestigung von leichten Systemen – • Entscheidung 97/177/EG vom 17. Februar 1997 (ABl. EG Nr. L 73 v. 14. 3. 1997, S.24) betreffend – Injektionsdübel aus Metall zur Verwendung in Mauerwerk – • Entscheidung 1999/91/EG vom 25. Januar 1999 (ABl. EG Nr. L 29 v. 3. 2. 1999, S. 44) betreffend – Wärmedämmprodukte – • Entscheidung 1999/454/EG vom 22. Juni 1999 (ABl. EG Nr. L 178 v. 14. 7. 1999, S.56) betreffend – Brandschutzabschottungen und Brandschutzbekleidungen – • Entscheidung 1999/471/EG vom 29. Juni 1999 (ABl. EG Nr. L 184 v. 17. 7. 1999, S.37) betreffend – Raumerwärmungsanlagen – • Entscheidung 1999/472/EG vom 1. Juli 1999 (ABl. EG Nr. L 184 v. 17. 7. 1999, S. 42) betreffend – Rohre, Behälter und Zubehörteile, die nicht mit Trinkwasser in Berührung kommen – e) Beschluss der Kommission vom 17. Januar 1994 über die gemeinsamen Verfahrensregeln für die europäischen technischen Zulassungen (94/23/EG) (ABl. EG Nr. L 17 v. 20. 1. 1994, S. 34)

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6. Anhang / 6.3 Deutsche, europäische und internationale Normung

6.3

Deutsche, europäische und internationale Normung

6.3.1

Definitionen1)2)

Eine Norm ist nach europäisch und international weitgehend anerkannter Definition eine „technische Spezifikation bzw. ein anderes, der Öffentlichkeit zugängliches Dokument, das in Zusammenarbeit mit allen interessierten Kreisen und mit deren Konsens oder allgemeiner Billigung aufgestellt wird, sich auf die vereinten Ergebnisse von Wissenschaft, Technik und Erfahrung stützt, den größten Nutzen der Allgemeinheit zum Ziel hat und von einem qualifizierten Gremium auf nationaler, regionaler oder internationaler Ebene angenommen wurde“. Die Normen stehen jedermann zur Anwendung frei. Eine Anwendungspflicht kann sich aus Rechts- oder Verwaltungsvorschriften, Verträgen oder aus sonstigen Rechtsgrundlagen ergeben. Festlegungen in Normen gelten aufgrund ihres Zustandekommens als fachgerecht. Sie basieren auf „anerkannten Regeln der Technik“ oder sollen sich als solche einführen. Die Normen bilden einen Maßstab für einwandfreies technisches Verhalten. Die nationalen Träger der Normenorganisation in den an den Europäischen Normen (EN) beteiligten 19 europäischen Ländern (EU: Deutschland, Frankreich, Italien, Großbritannien, Spanien, Belgien, Griechenland, Niederlande, Portugal, Dänemark, Irland, Luxemburg, Finnland, Österreich, Schweden; EFTA: Schweiz, Norwegen, Island, Tschechische Republik) sind vergleichbar: I.d.R. hervorgegangen aus Berufsverbänden, Teilnahmemöglichkeit für alle Betroffenen, Anerkennung der Dokumente durch staatliche Stellen als nationale Normen, zentrale Einrichtungen (im Gegensatz zu USA und Kanada mit einigen hundert Organisationen jeweils für einen Sektor u.a.m.). Träger der Normenorganisation: Deutschland: DIN Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin DKE Deutsche Elektrotechnische Kommission im DIN und VDE, Frankfurt In Deutschland werden die Normblätter in den Normenausschüssen (NA) des DIN beraten und zunächst als Normentwürfe, später nach Verwertung aller Einsprüche als endgültige Normen veröffentlicht. Normungsanträge bearbeiten der Normenausschuß Heiz- und Raumlufttechnik (NHRS) und der Normenausschuß Maschinenbau (NAM), Fachbereich Lufttechn. Anlagen, im DIN, 10787 Berlin 30, Burggrafenstraße 6. Europa (18 Länder): CEN Europäisches Komitee für Normung, Brüssel (s. auch www.cenorm.be). CENELEC Europäisches Komitee für Elektrotechnische Normung, Brüssel CEN/CENELEC haben gemäß Beschluss der EU-Regierungen zur Vollendung des Binnenmarktes im EU- (und EFTA-)Bereich und zum Abbau der techn. Handelshemmnisse gemeinsame Regeln zu erstellen (Harmonisierung von technischen Regeln). Diese werden in einem gewichteten Abstimmungsverhältnis beschlossen. Falls ISO-Normen bestehen, sind diese zu übernehmen, notfalls zu vervollständigen. Kommt CEN zu eigenen Ergebnissen, sollen diese bei ISO eingebracht werden. Vom DIN bereits abgestimmte und übernommene europäische oder internationale Normen werden entsprechend kenntlich gemacht (z.B. DIN EN, DIN IEC, DIN ISO). Zusammenstellung der ISO- und CEN-Arbeitsgruppen s. Abschn. 6.6.3 s. S. 2186. Jede Europäische Norm muss von jedem CEN/CENELEC-Mitglied in das eigene Normenwerk übernommen werden und zwar durch Veröffentlichung entweder eines identischen Textes oder einer Anerkennungsnotiz. Die Übernahme hat innerhalb einer bestimmten, vom Technischen Büro festgelegten Frist zu erfolgen, die üblicherweise 1)

2)

Nicolas, F., und Repussard, J.: Gemeinsame Normen für die Unternehmen; Herausg.: Kommission der Europäischen Gemeinschaften, Luxemburg 1988. Rechentin, U.: Übersicht und Probleme der europäischen Normung in der Technischen Gebäudeausrüstung, Gesundheits-Ingenieur, 1993, Heft4, S.173–228. DIN Deutsches Institut für Normung e.V.: Europäische Normung, Berlin

6.3.2 Zugang zu DIN-Normen und anderen technischen Regeln

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sechs Monate ab dem Verfügbarkeitsdatum beträgt, aber im Interesse der Wirtschaft so kurz wie möglich sein muss. Mit der Übernahme einer EN ist die Verpflichtung verbunden, vorhandene nationale Normen zurückzuziehen, die dasselbe Thema haben. Das Technische Büro darf hierfür eine längere Frist gewähren. Das ist dort angebracht, wo ein allmählicher Übergang zu der europäischen Lösung erforderlich ist oder in Fällen, wo es sinnvoll ist, nicht jede einzelne Norm, sondern ganze Pakete miteinander verflochtener und voneinander abhängiger Normen (z.B. im Bauwesen) in die nationalen Normenwerke zu übernehmen. International (135 Länder, Stand 2000): ISO Internationale Normenorganisation, Genf (s. auch www.iso.ch)IEC Internationale Elektrotechnische Kommission, Genf DIN und DEK sind (ebenso wie die übrigen europäischen Träger) Mitglieder der europäischen und internationalen Normenorganisationen. Stufen und Ergebnisse von Normungsarbeiten: Eine Norm ist das herausragende Ergebnis nationaler, europäischer oder internationaler Normungsarbeit. Eine Deutsche Norm ist eine vom DIN Deutsches Institut für Normung e.V. herausgegebene DIN-Norm. Eine Auswahlnorm stellt einen Auszug aus einer anderen Norm dar. Eine Übersichtsnorm stellt Festlegungen aus mehreren Normen zusammen. Eine Vornorm (V) ist das Ergebnis von Normungsarbeit, das z.B. wegen noch vorhandener Vorbehalte o.ä. zunächst nicht als Norm herausgegeben wird. Ein Beiblatt (Bbl) enthält weitergehende Informationen zur Norm. Ein Norm-Entwurf (E), meist als Gelbdruck, stellt das der Öffentlichkeit zur Stellungnahme vorgelegte vorläufige Ergebnis der Normarbeit dar (Entwurf Europäische Norm = prEN).

6.3.2

Zugang zu DIN-Normen1) und anderen technischen Regeln

Die vom DIN (www.din.de) herausgegebenen und vom Beuth-Verlag vertriebenen DIN-Normen sind im jährlich erscheinenden DIN-Katalog nach den ICS-Sachgruppen geordnet (ICS = International Classification for Standards). Sie können an ca. 50 DINAuslegestellen in Deutschland und an ca. 80 Auslegestellen weltweit eingesehen werden. Kostenfreie Übersicht über die Auslegestellen kann über DIN angefordert werden. Der Zugang zum DIN-Katalog (www.din-katalog.de) ist i.d.R. über die Auslegestellen gegeben, ansonsten nicht kostenfrei elektronisch. Der DIN-Katalog, nach ICS-Sachgruppen gegliedert, listet z.B. zur Sachgruppe ICS91.140.10 Heizungsanlagen über 300 Dokumente (DIN-Normen, EWG-Entscheidungen, AGFW-, AMEV-, DVGW-, RAL-, VDI-, VDMA-, VdTÜV-, ZVH-, ZVSHK-Richtlinien sowie diverse Verordnungen zum Thema Heizung) auf, zur Sachgruppe 91.140.30 Belüftungs- und Klimaanlagen ca. 200 Dokumente. Um sich über bestehende DIN-Normen und andere technische Regeln zu informieren (Existenz, Norm-Nummer, Bezeichnung, Gültigkeitszeitpunkt) kann unter www.din.de kostenfrei mit Stichworteingabe oder Eingabe der DIN-Norm recherchiert und ggf. bestellt werden. In früheren Recknagel-Ausgaben wurden an dieser Stelle zu verschiedenen Sachgruppen auszugsweise DIN-Normen zitiert. Da inzwischen das Recherchieren im Internet weitgehend Allgemeingut geworden ist, werden mit Verweis auf die elektronischen Möglichkeiten hier keine DIN-Normen mehr auszugsweise zitiert.

1)

Die in den Abschnitten 1–5 mit Erlaubnis des DIN wiedergegebenen Norm-Inhalte sollten bei Verwendung hinsichtlich evtl. Norm-Neuerscheinungen überprüft werden. (Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstr. 6, 10787 Berlin, www.beuth.de) „Wiedergegeben mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. Maßgebend für das Anwenden der DIN-Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin, erhältlich ist.“

DVD 2148

6.4

6. Anhang / 6.4 Regeln und Richtlinien verschiedener Institutionen

Regeln und Richtlinien verschiedener Institutionen1)

ATV-DVWK Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Zu beziehen von ATV-DVWK, Theodor-Heuss-Allee 17, 53773 Hennef, www.atv-dvwk.de Arbeitsblatt ATV-A115: Einleiten von nicht häuslichem Abwasser in eine öffentliche Abwasseranlage, 10.94. Merkblatt ATV-A251: Kondensat aus Brennwertkesseln, 11.98. Merkblatt ATV-DVWK-M 706: Kraftwerke und Energieversorgungsbetriebe, Blatt 1: Abwasser, das bei der Wasseraufbereitung entsteht, 6.00 Merkblatt ATV-M 706: Kraftwerke und Energieversorgungsbetriebe, Blatt 2: Abwasser, das beim Betrieb von Kühlsystemen anfällt, 4.97 Arbeitsgemeinschaft für Wärme und Heizkraftwirtschaft – AGFW – e.V. bei dem Verband der Elektrizitätswirtschaft e.V. (Zu beziehen von Verlags- und Wirtsch.-Ges. der Elektrizitätswerke mbH, Postfach 700947, 60559 Frankfurt/M.) Wärmemessung und Wärmeabrechnung, AGFW, 3., erweiterte Ausgabe 1991 Richtlinien für die Fertigkeitsberechnung von Fernwärmeleitungen, AGFW, 1. Ausgabe 1989 Bau von Fernwärmenetzen – Technische Richtlinien – AGFW, 5. Ausgabe 1993 Fernwärmeversorgung aus Heizwerken – Planung, Bau und Betrieb – AGFW, 2., grundlegend überarbeitete Ausgabe 1984 Hausanschlüsse an Fernwärmenetze – Technische Richtlinien – AGFW, 4. Ausgabe 1986 Anforderungen an Wärmemeßgeräte, AGFW, 2. Ausgabe 1979 Verordnung über Allgemeine Bedingungen für die Versorgung mit Fernwärme (AVB Fernwärme V) Begriffe der Fernwärmewirtschaft, 5. Ausgabe 1981 Arbeitskreis Maschinen und Elektrotechnik, staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV) (Zu beziehen von der Druckerei Seidl, Postfach 301448, 53194 Bonn, und Bernhard GmbH, Weyersbusch 8, 42929 Wermelskirchen) Bedienen von Heizungsanlagen, 1983. Bedienen von RLT-Anlagen in öffentl. Gebäuden, 1988. Empfehlungen zur Sicherstellung sparsamer Energieverwendung, 1979. Heizungsbau – 86, Planung und Ausführung von Heizungs- und Warmwasser-Erwärmungsanlagen für öffentliche Gebäude. 23.2.87. RLT-Anlagen-Bau-93, Hinweise zur Planung und Ausführung von RLT-Anlagen für öffentliche Gebäude, 1993. Heizbetrieb 86, Hinweise für den Betrieb von Anlagen zur Beheizung und Wassererwärmung in öffentlichen Gebäuden. 1986. Heizbetrieb; Beginn und Ende des Heizbetriebs. 1986. Planung und Ausführung von firmenneutralen Datenübertragungssystemen (FND), 5 Teile, 1988/90. Hinweise für die Innenraumbeleuchtung in öffentl. Gebäuden, 1984. Sonnenschutzeinrichtungen in öffentlichen Gebäuden, 1981. Wartung 85 Vertragsmuster für Wartung, Inspektion, kleine Instandsetzungsarbeiten, 1986. Hinweise zur Planung und Ausführung von RLT-Anlagen für öffentl. Gebäude. 1983. Einbau von Meßgeräten zum Erfassen des Energie- und Medienverbrauchs, 1979.

1)

Für die Schweiz ist beim VSHL, Olgastraße 6, Zürich, eine Übersicht erhältlich.

2149 DVD Hinweise zur Ermittlung des Personalbedarfs für die Betriebsführung der TGA in öffentlichen Verwaltungen, 1993. Energieverbrauchserfassung und Grundlagen zur Auswertung für öffentliche Gebäude, 1992. ARGEBAU Arbeitsgemeinschaft der für das Bau-, Wohnungs- und Siedlungswesen zuständigen Minister der LänderARGEBAU-Geschäftsstelle, Görresstraße 13, 53113 Bonn Musterbauordnung – MBO Fassung Juni 1996 Muster-Feuerungsverordnung – Fassung Februar 1995 Bundesverband Gebäude- und Energietechnik Deutschland Rathausallee 6, 53757 St. Augustin (www.wasserwaermeluft.de) Richtlinien für den Kachelofenbau. 5. 96 CECOMAF, Frankfurt/Main und Paris Sekretariat bei VDMA, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt/M. CECOMAF-Dokumente Nr. (Auswahl) GT 2-001 87 CECOMAF-Terminologie GT 3-001 8. 63 Nennkälteleistung eines Verdichters -002 11. 64 Toleranzen und Meßfehler -005 10. 74 Wasserkühlsätze mit Hubkolbenverdichter -006 i. V. Wärmepumpen GT 4-001 9. 72 bis 004 (bis 10. 74). Einstufige hermetische und halbhermetische Motorverdichter GT 4-008 10. 85 Hermet. und halbherm. Motorverdichter, Luftschall-Messung GT 6-001 1982 Ventilator-Luftkühler, Definitionen, Prüfverfahren CEN, Europäisches Komitee für Normung; s. Abschn. 6.6.3 s. S. 2186. Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Kennedyallee 40, 53175 Bonn (www.dfg.de) Technische Regeln für gefährliche Arbeitsstoffe (TRgA 900): MAK-Werte. Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV) Pfaffenwaldring 10, 70569 Stuttgart (www.dkv.org) Kältemaschinenregeln. 7. Aufl. Karlsruhe, Verlag Müller 1981. 125 S. Kältetechnische Arbeitsmappe. Karlsruhe, Verlag Müller 1990. Forschungsberichte. Statusberichte. DKV aktuell. Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN) Burggrafenstraße 4–7, 10787 Berlin (www.din.de, www.dinkatalog.de), siehe auch Abschnitt 6.3.2 s. S. 2147. VOB-Verdingungsordnung für Bauleistungen. Teil A, B, C. Im Auftrag des Deutschen Verdingungsausschusses für Bauleistungen. Hrsg. vom Deutschen Normenausschuß Berlin. Teil A: Vergabe. DIN 1960. 12.92. Teil B: Vertragsbedingungen. DIN 1961. 5.96. Teil C: Allgemeine Technische Vorschriften, d.s. 57 DIN-Normen (DIN 18299ff.), 9.88 bis 5.96. VOL-Verdingungsordnung für Leistungen. 24. Aufl. Düsseldorf, Werner-Verlag 8.93. Standard-Leistungsbuch (Textvorlagen für Bauleistungsbeschreibungen) 040 Heizungs- und zentrale Brauchwassererwärmungsanlagen (02.95) 042 Gas- und Wasserinstallationsarbeiten, – Leitungen und Armaturen (03.96) 043 Druckrohrleitungen für Gas, Wasser und Abwasser (09.83) 044 Abwasserinstallationsarbeiten (01.94) 045 Gas-, Wasser-, Abwasserinstallation, – Einrichtungsgegenstände (05.94) 046 , – Betriebseinrichtungen (11.93) 047 Wärmedämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen (08.85) 067 Zentrale Leittechnik für betriebstechn. Anlagen in Gebäuden (ZLT-G) (10.78) 070 Regelung u. Steuerung für heiz-, RLT- u. sanitärtechn. Anlagen (12.80)

DVD 2150

6. Anhang / 6.4 Regeln und Richtlinien verschiedener Institutionen

074 RLT-Anlagen, -Zentralgeräte und deren Bauelemente (05.94) 075 , – Luftverteilsysteme und deren Bauelemente (09.81) 077 , – Schutzräume (02.81) 078 , – Kälteanlage (04.89) RAL Deutsches Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung e.V. Siegburger Str. 39, 53757 St. Augustin, www.RAL.de. Bezug RAL-Druckschriften: Beuth-Verlag, Berlin (www.beuth.de) RAL-Farben (s. auch www.RAL-Colours.de) RAL CLASSIC Farbsammlung mit 210 RAL-Farben RAL DESIGN Farbsystem mit 1688 RAL-Farben RAL-Testate RAL TG Grundlagen von RAL-Testaten auf Anfrage über den RAL RAL-Gütezeichen RAG GZ 512 1.97 Kachelöfen, Gütesicherung RAG GZ 652 10.02 Raumlufttechnische Geräte, Gütesicherung RAL-RG 611/1 8.79 Feuerschutzabschlüsse, Gütesicherung RAL-RG 616 Standortgefertigte Tanks, Gütesicherung RAL-RG 616 B 2.68 Innenbeschichtung von standortgefertigten Tanks nach RAL-RG 616, Güte- und Prüfbestimmungen RAL-RG 641/1 1.00 Kupferrohr, Gütesicherung RAL-GZ 963/1 4.97 Systemzusammenstellung von Flächenheizungen, Gütesicherung RAL-GZ 963/2 1.98 Systemzusammenstellung von Flächenkühlungen, Gütesicherung RAL-GZ 965 7.99 Planung und Bauausführung von Häusern in Niedrigenergiebauweise, Gütesicherung RAL-GZ 998 2.02 Lagerbehälter, Gütesicherung Umweltzeichen (s. auch www.blauer-engel.de) Umweltzeichen-Richtlinie, Ausgabe 1991 Umweltzeichen, Produktanforderungen, Zeichenanwender und Produkte, Ausgabe 8.01 RAL UZ 9 6.02 Emissionsarme Ölzerstäubungsbrenner RAL UZ 39 6.02 Gas-Spezialheizkessel RAL UZ 40 6.02 Kombiwasserheizer und Umlaufwasserheizer für gasförmige Brennstoffe RAL UZ46 6.02 Ölbrenner-Kessel-Kombination (Units) Deutscher Verband für Schweißtechnik e.V. Zu beziehen: DVS-Verlag GmbH, Postfach 101965, 40010 Düsseldorf (www.dvs-verlag.de) DVS-Merkblätter u. Richtlinien DVS 705 12.87 Stumpfnähte und Kehlnähte. DVS 1201 10.90 Absaugung an Schweißarbeitsplätzen. DVS 1902 12.87 und Schweißen in Hausinstallationen, 2 Blätter. 1.88. DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e.V. Technisch-wissenschaftlicher Verein, Postfach 140362, 53058 Bonn (www.dvgw.de) Verzeichnis des DVGW-Regelwerks s. Homepage (Regelwerke sind einsehbar und herunterzuladen) Eurovent, Frankfurt/Main und Paris Deutsches Sekretariat beim VDMA, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt/M. Eurovent-Dokumente Nr. (Auswahl) 0/1 1978 Symbole und Einheiten 1/1 1985 Ventilatoren, Terminologie 1/2 1985 Runde Flansche von Ventilatoren

2151 DVD 1/3 1984 Sicherheitstechnische Anforderungen bei Ventilatoren 2/1 1986 Luftverteilung: Terminologie 2/2 1983 Leckverlust in Luftverteilungssystemen aus Blech 2/3 1977 Blechkanäle, Norm für Abmessungen 2/4 1983 –, Norm für Formstücke 2/5 1985 Wasserdurchlaß von Wetterschutzgittern 3/1 1970 Abnahmeversuche an Trocknern 4/1 1974 Prüfregeln für Entstauber 4/2 1976 Verkaufsbedingungen für industrielle Entstauber 4/3 1994 Prüfregeln für Entstauber 4/4 1976 Flammen-Photometrische Prüfung von Filtern 4/5 1992 Prüfung von Luftfiltern (ASHRAE-Verfahren, DIN 24185 Teil 1) 4/6 1978 Leitfaden für den Betrieb von Entstaubungsanlagen 4/7 1978 Bestimmung der Korngrößenverteilung von Staub 4/8 1985 Leckprüfung von Schwebstoffiltern 5/1 1971 Heißluftgeneratoren, Terminologie 5/2 1968 Luftheizer 5/3 1973 Warmlufterzeuger, Blendenmessung 5/4 1976 –, Netzmessung 5/5 1974 –, indirekte Prüfung 5/6 1977 Mischwarmlufterzeuger 6/1 1972 Ventilator-Konvektoren: Terminologie 6/2 1973 Induktionsgeräte: Terminologie 6/3 1975 Thermisches Prüfverfahren an Ventilator-Konvektoren 6/4 1974 Thermisches Prüfverfahren an Induktionsgeräten 6/5 1981 Sicherheitsbestimmungen von Klimageräten 6/6 1983 Kompaktklimageräte 6/7 1983 Wartungsrichtlinien für lufttechnische Anlagen 6/8 1983 Brandschutz bei Klimaanlagen in verschiedenen Ländern 6/9 1984 Klimageräte und -Anlagen, Bildzeichen 7/1 1972 Lufterhitzer und Luftkühler, Richtlinien 7/2 1977 Nachweis der Garantieleistung für Wärmeaustauscher 7/3 1977 Lufterhitzer und Kühler, Leistungsversuche 8/0 1981 Akustik, Terminologie 8/1 1979 Akustische Messungen im Freifeld 8/2 1979 Akustische Messungen an Ventilator-Konvektoren 8/3 1979 Akustische Messungen an Induktionsgeräten 8/4 1993 Akustische Messungen an Raumklimageräten im Hallraum 9/1 1986 Kühltürme 10/1 1986 Wärmerückgewinner, Terminologie 10/2 1983 –, Prüfmethoden 10/3 1986 –, Energieeinsparung, typische Methoden Fachverband Heiz- und Kochgeräte-Industrie (HKI), Frankfurt a.M. Stresemannallee 19, 60596 Frankfurt/M. (www.hki-online.de) Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften, Bonn (HVBG) Postfach 2043, 53757 St. Augustin (www.hvbg.de) Unfallverhütungsvorschriften (über www.hvbg.de/bgvr oder von Carl Heymanns Verlag, Luxemburgerstraße 449, 5000 Köln 41) BGR 121 7. 97 Regeln für Sicherheit und Gesundheitsschutz an Arbeitsplätzen mit Arbeitsplatzlüftung BGV A1 3. 00 Allgemeine Vorschriften BGV A2 1. 97 Elektrische Anlagen und Betriebsmittel BGV A8 5. 95 Sicherheits- und Gesundheitschutzkennzeichnung am Arbeitsplatz BGV B3 1. 97 Lärm BGV D2 1. 97 Arbeiten an Gasleitungen BGR 500 Kap. 2.35 10/04 Kälteanlagen, Wärmepumpen, Kühleinrichtungen BGV D24 1. 97 Trockner für Beschichtungsstoffe BGV D25 1. 97 Verarbeiten von Beschichtungsstoffen

DVD 2152

6. Anhang / 6.4 Regeln und Richtlinien verschiedener Institutionen

BGV D36 1. 97 Leitern und Tritte VBG 16 4. 96 Verdichter Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) Kolonnenstraße 30L, 10829 Berlin (www.dibt.de)Anstalt des öffentlichen Rechts für einheitliche Bearbeitung bautechnischer Aufgaben, insbesondere Zulassungen, Normung, Güteüberwachung, Typengenehmigung. 11. 77 Brandschutzklappen 1. 84 Anforderungen an Lüftungsanlagen – Musterentwurf 12. 76 Rauchauslöseeinrichtungen 11. 77 Rauchschutzklappen 11. 77 Lüftungsleitungen (ZTA) 5. 75 Heizräume (ZTA) International Organisation for Standardisation (ISO); s. Abschn. 6.6.3 s. S. 2186. PTB-Prüfregeln, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Postfach 3345, 38023 Braunschweig (www.ptb.de) Verzeichnis der PTB-Prüfregeln s. Selbstdarstellung in der Homepage Verband der Technischen Überwachungs-Vereine (VdTÜV) Kurfürstenstraße 56, 45138 Essen(Zu beziehen von Verlag TÜV Rheinland GmbH, Postfach 903060, 5000 Köln 90) TCh 1466 9. 87 Füll-, Ergänzungs- und Umwälzwasser in Heißwasserheizungsanlage (zurückgezogen) Druckbehälterverordnung mit allgemeiner Verwaltungsvorschrift (4.80). Enthält technische Regeln für Druckbehälter (TRB) mit Flüssigkeiten, Gasen oder Dämpfen, abhängig vom Druck-Inhalt-Produkt. Sie ersetzen teilweise die bisher gültigen ADMerkblätter (Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter). TRB 001 bis 010 5.83 bis Allgemeines, Erläuterung zu Begriffen der 5. 85 Druckbeh.-VO TRB 100 7. 80 Werkstoffe; TRB 200 Herstellung; TRB 300 Berechnung TRB 401 bis 404 11. 83 bis Ausrüstung der Druckbehälter, Kennzeichnung; Öff9. 95 nungen; etc. TRB 500 bis 533 12. 83 bis Prüfrichtlinien 9. 93 TRB 600ff 12. 87 Aufstellung von Druckbehältern TRB 700 11. 83 Betrieb von Druckbehältern TRB 801 2. 84 Besondere Druckbehälter nach Anhang II zu § 12 Druckbeh.-VO TRB 851ff 1. 84 Einrichtung zum Abfüllen von Druckgasen aus Druckbehältern AD Merk1. 95 Sicherheitseinrichtung gegen Drucküberschreitung; blattA1 Bestsicherungen A2 11. 93 –, Sicherheitsventile Dampfkesselverordnung und Allgemeine Verwaltungsvorschriften vom 26.01.1981 Technische Regeln für Dampfkessel (TRD). Aufgestellt vom Deutschen Dampfkessel- und Druckgefäß-Ausschuß (DDA) und veröffentlicht im Bundesarbeitsblatt. Derzeitiger Stand der sicherheitstechnischen Anforderungen mit zahlreichen Blättern über Werkstoffe, Rohre, Schrauben usw., darunter: TRD 001 11. 93 Aufbau und Anwendung der TRD mit Anlage 1 u. 2 (12.87 u. 2.87): Übersicht, Normen und Merkblätter TRD 100 5. 91 Allgemeine Grundsätze für Werkstoffe TRD 300 8. 94 Festigkeitsberechnung von Dampfkesseln TRD 401 5. 95 Ausrüstung für Dampferzeuger der Gruppe IV TRD 402 4. 92 Dampfkessel mit Heißwassererzeuger der Gruppe IV TRD 403 6. 84 Aufstellung Hochdruck-Dampfkessel der Gruppe IV

2153 DVD TRD 411 TRD 412 TRD 413 TRD 414 TRD 421 TRD 500 TRD 504 TRD 511 TRD 601 TRD 602

5. 95 5. 95 5. 95 5. 95 5. 82 6. 83 4. 80 6. 83 4. 80 5. 82

Ölfeuerungen an Dampfkesseln Gasfeuerungen an Dampfkesseln Kohlenstaubfeuerungen an Dampfkesseln Holzfeuerfeuerungen an Dampfkesseln Sicherheitseinrichtung gegen Druck, Gr. I, III, IV Prüfung von Dampfkesseln – Allgemeines Abnahmeprüfung Prüfung von Dampfkesseln, Gr. I, II, III bis 10. 93. Betrieb der Dampfkesselanlagen, 3 Blätter Eingeschränkte Beaufsichtigung bei Hochdruckanlagen, 2 Bl. TRD 603 7. 81 Zeitweiliger Betrieb bei Hochdruckanlagen, BOB, 2 Blätter TRD 604 8. 90 Bl. 2, Heißwassererzeuger ohne ständige Beaufsichtigung (Gr. IV) TRD 701 5. 88 Niederdruckdampferzeuger (Gruppe II) TRD 702 8. 90 Niederdruckheißwassererzeuger (Gruppe II) TRD 721 5. 82 Sicherheitsventile für Dampfkessel der Gruppe II TRD 801 5. 90 Kleindampfkessel für Dampfkessel der Gruppe I SR-Öl 5. 76 (ersetzt durch TRD 4118. 90) SR-Gas 5. 76 (ersetzt durch TRD 4128. 90) Die Regeln der Technik für Dampfkessel und Druckbehälter werden nicht als DIN-Normen herausgegeben, sie stützen sich jedoch weitgehend auf diese. Herausgeber: VdTÜV. Veröffentlichung im Bundesarbeitsblatt. Bezug: Beuth-Verlag. Technische Regeln für brennbare Flüssigkeiten (TRbF), C. Heymanns-Verlag, Luxemburgerstraße 449, 50939 Köln Sie enthalten sicherheitstechnische Anforderungen an Werkstoffe, Herstellung, Transport, Aufstellung, Lagerung brennbarer Flüssigkeiten und werden zeitweise ergänzt. TRbF 001, Anl. 1, 3. 88: Übersicht über den Stand der TRbF (B.Arb.Bl. 1988. Nr. 3. S.59/62) Technische Regeln für Gashochdruckleitungen, TRGL 8.78 bis 11.85 TRGL 001, Anl. 1, 1. 87: Übersicht über den Stand der TRGL (B.Arb.Bl. 1987. Nr.1. S.75/76) Sie enthalten Anforderungen an Rohrleitungen, Pumpen, Stationen. Ständige Veröffentlichungen im Bundesarbeitsblatt. Verordnung über Anlagen zur Lagerung, Abfüllung und Beförderung (VO über brennbare Flüssigkeiten zu Lande – VbF). Bundesvorschrift BFV vom 27.2.80 und 2.5.82 (B.Ges.Bl.) Verband der Elektrizitätswirtschaft – VDEW – e.V. Stresemannallee 23, 60596 Frankfurt/M. Mit den VDEW-Fachverbänden – Arbeitsgemeinschaft für Wärme und Heizkraftwirtschaft – AGFW – e.V. (www.agfw.de) – Fachverband für Energie-Marketing und -Anwendung (HEA) e.V. (www.hea.de) Verband Deutscher Elektrotechniker (VDE) VDE Verlag GmbH, Bismarckstraße 33, 10625 Berlin (www.vde-verlag.de) DIN VDE0100 05.73 Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000V DIN VDE0116 10.89 Elektrische Ausrüstung von Feuerungsanlagen. DIN VDE0146 03.80 Errichten von Elektrofilteranlagen. DIN VDE0165 02.91 Errichten elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen. DIN VDE0510 01.77 (+7 Blätter): VDE-Bestimmung für Akkumulatoren und Batterie-Anlagen.

DVD 2154

6. Anhang / 6.4 Regeln und Richtlinien verschiedener Institutionen

Verein Deutscher Ingenieure (VDI) Postfach 101139, 40002 Düsseldorf (www.vdi.de) VDI-Regeln und VDI-Richtlinien können in der monatsaktuellen VDI-Datenbank mit Stichwort oder Richtliniennummer gefunden werden (www.vdi-richtlinie.de), VDI-Berichte im VDI-Literaturverzeichnis des VDI-Verlags (www.vdi-verlag.de). Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA), Frankfurt a.M. Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt/M. (www.vdma.de) VDMA-Einheitsblätter 24168 4. 75 Luftdurchlässe, Messung des Luftstroms nach der Nullmethode 24169 12. 83 T.1. Lufttechnische Anlagen; Bauliche Explosionsschutzmaßnahmen an Ventilatoren; Richtlinien für Ventilatoren zur Förderung von brennbare Gase, Dämpfe oder Nebel enthaltender Atmosphäre 6. 90 T.2. –, Richtlinien für Ventilatoren zur Förderung von brennbare Stäube enthaltener Atmosphäre 24175 2. 80 Dachzentraleinheiten; Anforderungen an das Gehäuse 24176 1. 90 Inspektion von lufttechnischen und anderen technischen Ausrüstungen in Gebäuden 24178 08. 89 Holzfeuerungsanlagen; T.1: Begriffe; T.2: Emissionsvorbis 02. 98 schriften, Holzbrennstoff-Gruppen; T.3: Betrieb und Wartung; Sicherheitsanforderungen 24179 4. 85 T.1. Absauganlagen für Holzstaub und -späne; Wartung 10. 88 T.2. –, Anforderungen für Ausführung und Betrieb 24186 04. 86 Leistungsprogramm für die Wartung von lufttechnischen bis 09. 96 und anderen technischen Ausrüstungen in Gebäuden, 5 Teile: T. 0: Übersicht; T. 1: Lufttechnik; T. 2: Heiztechnik; T. 3: Kältetechnik; T. 4: MSR und Gebäudeautomation; T. 5: Elektrotechnik; T. 31: Elektrische Hauswärmepumpen 4.86 24191 3. 87 Dienstleistungen für MSR-Einrichtungen in Heiz- und RLTAnlagen 24243 05. 94 Emissionsminderung von Kältemitteln aus Kälteanlagen – insbesondere FCKW T. 1: Einführung; T. 2: Konstruktion, Planung; T. 3: Montage, Inbetriebsetzen; T. 4: Wartung, Instandsetzung, Entsorgung; T.5: Fachausbildung, -Ausrüstung, Betriebsanleitung 24772 3. 91 Sensoren zur Messung der Raumluftqualität in Innenräumen Technische Organisation von Sachverständigen e.V. (TOS) Verein Selbständiger Revisionsingenieure e.V. (VSR) Geschäftsstelle: Fischerweg 408, 18069 Rostock (www.tos-ev.de) VSR-Prüfrichtlinie 201 Prüfung von lufttechnischen Anlagen in Garagen 202 Prüfung von CO-Warnanlagen in Garagen 205 Prüfung von lufttechnischen Anlagen in Krankenhäusern 207 Prüfung von RLT-Anlagen in Sonderbauten 210 Prüfung von Brandschutzklappen 301 Prüfung elektrischer Anlagen in Waren- und Geschäftshäusern 302 Prüfung von elektrischen Anlagen in Garagen 303 Prüfung von Brandmeldeanlagen 304 Prüfung der elektrischen Anlagen in Versammlungsstätten 305 Prüfung von elektrischen Anlagen in Krankenhäusern und Sanatorien

ZVH Zentralverband Heizungskomponenten e.V. Hochstraße 115, 58095 Hagen Postfach 1020, 58010 Hagen Tel. 02331/2008-43/-44, Fax 02331/2008-45

2155 DVD ZVH-Richtlinie 12.02 12.93 30.03 13.04

4.93 12.86

12.05

12.92

21.09

7.88

31.06 71.07

10.92 10.90

31.08

10.97

Auslegung von Membran-Druckausdehnungsgefäßen nach DIN 4807 Teil 2 (Entwurf) und Teil 3 Abgestimmter Schornstein und seine Ergänzungsbauelemente Brennwertkessel für Erd- oder Flüssiggas; Aufstellungs- und Montagerichtlinie mit Bauantrags- und Genehmigungshinweisen; Abgasleitung, Kondensatentsorgung VMD-Info; Membran-Druckausdehnungsgefäße MAG in Trinkwasseranlagen/Trinkwassererwärmungsanlagen Korrosions- und Frostsicherung von wärmetechnischen Anlagen mit Wasserzusätzen Sanierung/Querschnittsverminderung an Hausschornsteinen ChH-Positivliste; Wasserzusätze in wärmetechnischen Anlagen; Verträglichkeit mit Elastomeren Blitzschutz und Erdung an Hausschornsteinen

DVD 2156

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

6.5

Bücher und Zeitschriften der Heizungsund Klimatechnik

6.5.1

Grundlagen

-1

Meteorologie

Aydinli, S.: Berechnung der Solarenergie und des Tageslichtes. Fortschr.-Berichte VDIZ. Reihe 6. Nr. 79. Felkel, H., u. H. Herbsthofer: Klimadaten von Österreich. Fachverband der Masch.- und Stahlbauind. Wien 1978. Flemming, G.: Einführung in die Angewandte Meteorologie. Berlin, Akademie-Verlag 1991. 168 S., 49 Abb., 14 Tab. Heyer, E.: Witterung und Klima. 3. Aufl. 1975. 474 S. Möller, F.: Einführung in die Meteorologie. Hochschultaschenbuch Bd. 276/288. Mannheim 1973. Quenzel, K.-H.: Meteorologische Daten. Zürich, Forster-Verl. 1969. 79 S. Scharnow, U.: Wetterkunde. 3. Aufl. 1973. 408 S. Scherhag, R.: Klimatologie. 7. Aufl. 1973. 168 S. Schreiber, D.: Meteorologie. Verl. Brockmeyer 1975. 100 S.

-2

Hygiene (thermische Behaglichkeit/Wärmephysiologie)

Alt, C., u. F. Weber: Reinhaltung der Luft. Karlsruhe, Müller-Verl. 1973. 128 S. Andjulovici, A. u. E.: Wirtschaftliche Verwirklichung der Wärmebehaglichkeit in Gebäuden, Eigenverlag 1990, München. Baum, F.: Praxis des Umweltschutzes. München, Oldenbourg-Verl. 1979. 451 S. Dix, H. M.: Environment Pollution. New York, Wiley-Verl. 1981. 286 S. Fanger, P. O.: Thermal Comfort. Kopenhagen, Danish Technical Press 1970. 244 S. Flury, Zernik: Schädliche Gase. Springer-Verl. 1979. Fodor, G. F.: Schädliche Dämpfe. Düsseldorf, VDI-Verlag 1972. 167 S. Glück, B.: Wärmetechnisches Raummodell – Gekoppelte Berechnungen und wärmephysiologische Untersuchungen. Heidelberg: C. F. Müller Verlag, Hüthig GmbH 1997, ISBN 3-7880-7615-1 Glück, B.: Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 696 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 14, Teil 1) Grandjean, E.: Wohnphysiologie. Zürich, Verl. Artemis u. Winkler 1973. 372 S. Hentschel, H.-J.: Licht und Beleuchtung. Heidelberg, Hüthig-Verl. 2. Aufl. 1982. 342 S. Israel, H. u. G. W.: Spurenstoffe in der Atmosphäre. Stuttgart, Wissenschaftl. Verlag 1973. 116 S. Kühn, R.: Gefährliche Gase. München, Ecomed-Verl. 1980. 295 S. Loewer, H.: Umwelteinflüsse auf das Wohlbefinden des Menschen. Mannheim, Inst. f. Klimatologie, 70 S. Löwisch, E.: Umweltschutz. München, Oldenbourg-Verlag 1974. 160 S. Perkins, H. C.: Air Pollution. Düsseldorf, McGraw Hill 1974. 407 S. Priller, M.: Hygiene in lufttechnischen Anlagen. C.F. Müller-Verlag 2000, 250 S. Reinders, H.: Bau und Klima. Kaarst, Niederrhein-Verlag 1974. 82 S. Schultz, H., u. H.-G. Vogt: Grundzüge des praktischen Strahlungsschutzes. München, Verl. Thiemig 1977. 231 S. Seidel, K. u.a.: Legionellen, Stuttgart, Gustav Fischer Verlag 1987. 169 S.

6.5.1 Grundlagen

2157 DVD

Stief, E.: Luftreinhaltung. Berlin, VEB-Verlag 1978. 140 S. Therhaag, L.: Kompendium der Arbeitsmedizin. Köln, Verlag TÜV Rheinland 1982. Tomany, P. T.: Air Pollution. New York, Am. Elsevier Publ. Co. 1975. 475 S. VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft, Katalog der Quellen für die Luftverunreinigung. Bände mit etwa 200 Richtlinien. VDI-Verlag, Düsseldorf 1959 bis 1989. Wenzel H. G., u. C. Picharski: Klima und Arbeit. Bayerisches Staatsministerium für Arbeit und Sozialordnung 1981. Windisch, K.: Wärmephysiologie in Glück, B.: Strahlungsheizung – Theorie und Praxis. Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1981; Karlsruhe: Verlag C.F. Müller, ISBN 3-78807157-5

-3

Wärmetechnik

Agst, J.: Die Brennstoffe. Moers 1978. 227 S. Baehr, H. D.: Thermodynamik. 4. Aufl. Springer-Verlag 1978. 440 S. Berliner, P.: Psychrometrie. Karlsruhe, Verl. Müller 1979. 170 S. Bogoslovskij, V. N.: Wärmetechn. Grundlagen der Heizungs- und Lüftungstechnik. (Aus dem Russischen.) Bauverlag Wiesbaden 1982. 312 S. Bosnjakovic, Fr.: Technische Thermodynamik. Teil I: 6. Aufl. 1972, 586 S. Teil II: 5. Aufl. 1971, 493 S. Dresden, Verlag Steinkopff. Bossel, H., u.a.: Energie richtig genutzt. Karlsruhe, Verl. Müller 1976. 224 S. Brandt, F.: Brennstoffe und Verbrennungsrechnung. Essen, Vulkan-Verl. 1981. 254 S. Bukau, F.: Der Kreisprozeß der Heizwärmepumpe. Berlin, Marhold 1978. 56 S. Caemmer, W., u. R. Neumann: Wärmeschutz im Hochbau. 1983. 208 S. Cerbe-Hoffmann: Einführung in die Wärmelehre. 6. Aufl. Braunschweig, Verlag Westermann 1982. 370 S. Dietzel, F.: Technische Wärmelehre. Würzburg, Verl. Vogel 1976. 154 S. Doering, E., u. H. Schedwill: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 2. Aufl. Stuttgart, Verl. Teubner 1982. 348 S. Elsner, N.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. Berlin, Akademie-Verlag 1973. 660 S. Gaswärme-Institut: Gas-Verbrennung-Wärme. II. 100 Arbeitsblätter. Essen, VulkanVerlag 1973. Glück, B.: Strahlungsheizung – Theorie und Praxis. Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1981; Karlsruhe: Verlag C.F. Müller, ISBN 3-7880-7157-5 Glück, B.: Zustands- und Stoffwerte; Verbrennungsrechnung (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1991, 2. überarbeitete und erweiterte Auflage, ISBN 3-345-00487-9 Glück, B.: Wärmeübertragung; Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990, 2. Auflage, ISBN 3-345-00426-7 Glück, B.: Wärmetechnisches Raummodell – Gekoppelte Berechnungen und wärmephysiologische Untersuchungen. Heidelberg: C.F. Müller Verlag, Hüthig GmbH 1997, ISBN 3-7880-71615-1. Glück, B.: Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung. Hamburg: Rud. Otto-Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 696 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 14, Teil 1) Glück, B.: Thermische Bauteilaktivierung – Nutzen von Umweltenergie und Kapillarrohren. Heidelberg: C.F. Müller Verlag, Hüthig GmbH 1999, ISBN 3-7880-7674-7 und Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 213 Seiten) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 9) Glück, B.: Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten (Bericht Nr. 77). Bietigheim-Bissingen: Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. 2003 Glück, B.: Wärmespeicher als mediendurchströmter Festkörper. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 223 Seiten plus Rechenprogramm und Test-

DVD 2158

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

beispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“, Projekt 14, Teil 3) Gösele, K., u. W. Schüle: Schall, Wärme, Feuchtigkeit. 8. Aufl. Berlin, Bauverlag 1985. 284 S. Grigull, U., u. H. Sandner: Wärmeleitung. Springer-Verlag 1979. 158 S. Günther, R.: Verbrennung und Feuerungen. Springer-Verlag 1974. 432 S. Haeder, W., u. F. Pannier: Physik der Heizungs- und Lüftungstechnik. Berlin, Marhold, 3. Aufl. 1970. 226 S. Handbuch der Gasversorgungstechnik. München, R. Oldenbourg Verlag 1984. 801 S. Handbuch der Gasverwendungstechnik. München, R. Oldenbourg Verlag 1987. 1370 S. Hauffe, K., u.a.: Adsorption. Berlin, Verlag de Gruyter 1974. 190 S. Hausen, H.: Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom. 2. Aufl. Springer-Verl. 1976. 429 S. Hell, F.: Grundlagen der Wärmeübertragung. 3. Aufl. Düsseldorf, VDI-Verlag 1982. 290S. Kalide, W.: Kraftanlagen und Energiewirtschaft. München, Hanser-Verlag 1974. 152 S. Maschek, H. J.: Grundlagen der Wärme- und Stoffübertragung. Leipzig, VEB-Verl. 1979. 264 S. Meyer, G., u. E. Schiffner: Technische Thermodynamik. Berlin, VEB-Verl. 1980. 392 S. Müller, K. J.: Thermische Strömungsmaschinen. Springer-Verl. 1978. 273 S. Netz, H.: Betriebstaschenbuch Wärme. Gräfelfing, Verlag Resch 2. Aufl. 1983, 304 S. Puschmann, E.: Grundzüge der technischen Wärmelehre. 24. Aufl. Leipzig, FachbuchVerl. 1975. 394 S. Raznjevic, K.: Thermodynamische Tabellen. Düsseldorf, VDI-Verl. 1977. 245 S. Schlünder, E. U., u.a.: Heat Exchanger Design Handbook. Düsseldorf, VDI-Verl. 1982. 5Teile, 2080 S. Schmidt, E., Stephan u. Mayinger: Technischen Thermodynamik. Bd. I: 11. Aufl., Springer-Verlag 1975, 428 S. Bd. 2: 1977, 338 S. Schuster, F.: Verbrennungslehre. München, Oldenbourg-Verlag 1970. 278 S. Seiffert, K.: Wasserdampfdiffusion im Bauwesen. 2. Aufl. Bauverlag Berlin 1974. 214 S. Seiffert, K.: Wärmeschutz. Gräfelfing, Verl. Resch 1976. 230 S. Speidel, K.: Wasserdampfdiffusion in der Baupraxis. Berlin, Ernst u. Sohn 1980. 91 S. Stupperich, F. R.: Wärmeschutz im Hochbau. Karlsruhe, Verl. Müller 1979. 284 S. Taschenbuch Erdgas. München, R. Oldenbourg Verlag 2. Auflage 1970. 1152 S. Thiel, G.: Die Auslegung von Gas-Dampf-Gemisch-Kühlern am Beispiel des Feuchtluftkühlers. Diss. Aachen 1971. 135 S. Traupel, W.: Grundlagen der Thermodynamik. Karlsruhe, Verl. Braun 1971. 256 S. VDI-Arbeitsmappe Heiztechnik, Raumlufttechnik, Sanitärtechnik. 6.Aufl. 1984. Ca. 200 Blätter. VDI-Wärmeatlas. 5. Aufl. Düsseldorf, VDI-Verlag 1988. Ca. 840 S. Wagner, W.: Wärmeträgertechnik. 4. Aufl. Gräfelfing, Verl. Resch 1986. Wärmetechnische Arbeitsmappe. 13. Aufl. Düsseldorf, VDI-Verl. 1988. 258 S. Wasserdampftafeln. Hrsg. von Scheffler, Straub, Grigull. Springer-Verl. 1981. 74 S. Weber, G.H.: Thermodynamik in der Klima-, Heizungs-, Kältetechnik. C.F. Müller-Verlag 1997, 282 S. Whitacker, S.: Fundamental Principles of Heat Transfer. England, Pergamon Press 1977. 576 S. Winter, F. W.: Technische Wärmelehre, 9. Aufl. Essen, Girardet-Verlag 1975. 436 S.

-4

Strömungslehre

Albring, W.: Angewandte Strömungslehre. 4. Aufl. Dresden, Verlag Steinkopff 1970. 461 S. Becker, E.: Technische Strömungslehre. 5. Aufl. Stuttgart, Verlag Teubner 1982. 160 S.

6.5.1 Grundlagen

2159 DVD

Bohl, W.: Technische Strömungslehre. Würzburg, Vogel-Verl. 1980. 286 S. Detzer, R.: Verhalten runder Luftfreistrahlen. Diss. Stuttgart 1972. Eck, B.: Technische Strömungslehre. Springer-Verlag. 8. Aufl. Bd. 1: 1978, 242 S. Bd. 2: 1981, 222 S. Gersten, K.: Einführung in die Strömungsmechanik. Düsseldorf, Bertelsmann-Verlag 1974. 200 S. Glück, B.: Druckverlusttabellen – Wasserheizungsanlagen. Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1978 Glück, B.: Hydrodynamische und gasdynamische Rohrströmung; Druckverluste (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: Verlag für Bauwesen 1988, ISBN 3-34500222-1 Idel’chick, I. E.: Handbook of Hydraulic Resistance. Moskau 1960. Engl. Ausg. 1966. 515 S. Jogwich, A.: Strömungslehre. Essen, Girardet-Verlag 1974. 463 S. Kalide, W.: Einführung in die technische Strömungslehre. München, Hanser-Verlag. 3.Aufl. 1971. 207 S. Richter, H.: Rohrhydraulik. 5. Aufl. Berlin, Springer-Verlag 1970. 420 S. Schlichting, H.: Grenzschicht-Theorie. Karlsruhe, Verlag G. Braun. Vogt, J.-D.: Strömungslehre. Berlin, Verlag de Gruyter. 1980. 544 S. Wagner, W.: Praktische Strömungstechnik. Gräfelfing, Verl. Resch 1976. 120 S.

-5

Akustik

Bohny u.a.: Lärmschutz in der Praxis. München, R. Oldenbourg Verlag 1986. 561 S. Brockmeyer, H.: Akustik für den Lüftungs- und Klimaingenieur. 2. Aufl. Karlsruhe, Verlag Müller 1978. 136 S. Cremer, L.: Vorlesungen über technische Akustik. Springer-Verlag 1971. 334 S. Furrer, W.: Raum- und Bauakustik, Lärmabwehr. 3. Aufl. Stuttgart, Birkhäuser 1972. 260 S. Gösele, K., u. W. Schüle: Schall–Wärme–Feuchtigkeit. 4. Aufl. Berlin, Bauverlag 1976. 280 S. Gösele, K.: Lärmminderung. Karlsruhe, Verlag Müller 1974. 144 S. Heckl, M., u. H. A. Müller: Taschenbuch der Technische Akustik. Springer-Verlag 1975. 536 S. Kurtze, G., Schmidt u. Westphal: Physik und Technik der Lärmbekämpfung. Karlsruhe, Verlag Braun 1975. 576 S. Mahlbacher, Th.: Praxis der Messung und Berechnung von Schallpegeln. Karlsruhe, Verlag Müller 1980. 40 S. Schick, A.: Schallbewertung. Grundlagen der Lärmforschung. Berlin, Heidelberg, New York, Springer-Verlag 1990. 192 S. Schmidt, H.: Schalltechnisches Taschenbuch. 4. Aufl. Düsseldorf, VDI-Verlag 1989. 540 S.

-6

Meßtechnik

Adunka, F.: Wärmemengenmessung. Essen, Vulkan-Verl. 1984. Ca. 264 S. Birkle, M.: Meßtechnik für den Immissionsschutz. München, R. Oldenbourg Verlag 1979. 181 S. Bonfig, K. W.: Technische Durchflußmessung. 2. Aufl. 1986. Essen, Vulkan-Verlag. 232 S. Bretschi, I.: Intellegente Meßsysteme zur Automatisierung technischer Prozesse. München, R. Oldenbourg Verlag 1979. 277 S. Goettling, D. R., u. F. H. Kuppler: Heizkostenverteilung. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 114 S. Henning, F.: Temperaturmessung. 3. Aufl. Springer-Verlag 1977. 388 S.

DVD 2160

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Jüttemann, H.: Einführungen in das elektrische Messen nichtelektrischer Größen. VDIVerlag 2. Auflage 1988. Hampel, A.: Wärmekostenabrechnung. München, Pfriemer-Verl. 1981. 160 S. Handbuch der industriellen Meßtechnik. Hrsg. von P. Profos. Essen, Vulkan-Verlag 1973. 784 S. Hart, H.: Einführung in die Meßtechnik. Wiesbaden, Verl. Vieweg 1978. 432 S. Kappmeyer, E.: Gas- und Heizkostenabrechnung, Stuttgart, Krämer Verl. 1983. 83 S. Körtvelyessy, L.: Thermoelement-Praxis. Essen, Vulkan-Verl. 1987. 498 S. Lieneweg, F.: Handbuch der technischen Temperaturmessung. Braunschweig, Verlag Vieweg 1976. 482 S. Lintorf, H.: Technische Temperaturmessungen, 4. Auflage. Essen, Girardet-Verlag 1970. 208 S. Lutz, H.: Wärmezähler von A bis Z, Gräfelfing, Reschverlag. Merz, L.: Grundkurs der Meßtechnik. 2 Bde. München, Oldenbourg-Verl. 1977/80. Niebuhr, I.: Physikalische Meßtechnik. Bd.1: Aufnehmer und Anpasser. 168 S. Bd.2: Meßprinzipien und Meßverfahren. 155 S. München, R. Oldenbourg Verlag, 2. Aufl. 1980. Paul, J.: Thermische Anemometersonden. Diss. Essen 1981. Profos, P.: Handbuch der industriellen Meßtechnik. 3. Aufl. Essen, Vulkan-Verlag 1988. 296 S. Profos, P.: Kompendium der Grundlagen der Meßtechnik. Essen, Vulkan-Verlag 2. Aufl. 1978. 920 S. Strohrmann, G.: Einführung in die Meßtechnik im Chemiebetrieb. München, R. Oldenbourg Verlag. 4. Aufl. 1987. 361 S.

-7

Regelungstechnik

Andreas, U., A. Winter u. D. Wolff: Regelung heiztechnischer Anlagen. Düsseldorf, VDIVerlag 1985. 240 S. Arbeitskreis der Dozenten für Regelungstechnik: Regelungstechnik in der Versorgungstechnik. 3. Aufl. Karlsruhe, Müller-Verl. 1988. 480 S. Birck, H., u. R. Swik: Mikroprozessoren u. Mikrorechner. München, Oldenbourg-Verlag 2.Aufl. 1983. 283 S. Bitter, H.: Thermostatventile. Kissing, Weka-Verl. 1982. 205 S. Dorf, R. C.: Modern Control Systems. 1974. 411 S. Jablonowski, H.: Individuelle Raumtemperaturregelung durch thermostatische Heizkörperventile. München, Pfriemer-Verlag 1974. 90 S. Junker, B.: Klimaregelung. München, Oldenbourg-Verlag 2. Aufl. 1984. 240 S. Haines, R. W.: Control Systems for Heating Ventilating and Air Conditioning. 2. Aufl. New York, Verlag Reinhold 1976. 248 S. Knabe, G.: Gebäudeautomation. Berlin, Verlag für Bauwesen 1992. 338 S. Knabe, G.: Gebäudeautomation. Verlag Bauwesen 1992, 1. Aufl., 352 S. Masuch, J.: Analytische Untersuchungen zum regeldynamischen Temperaturverhalten von Räumen. Düsseldorf, VDI-Verl. 1973. 32 S. Merz, L.: Grundkurs der Regelungstechnik. 8. Aufl. München, Oldenbourg-Verlag 1985. 293 S. Pippig, G.: Arbeitsblätter Regelung und elektrische Steuerung, Heizung, Lüftung, Klimatechnik. Düsseldorf, Krammer-Verlag 1974. 61 Arbeitsblätter. Piwinger, F., u.a.: Stellgeräte und Armaturen für strömende Stoffe. Düsseldorf, VDIVerlag 1971. 270 S. Profos, P.: Atlas des Feuchte- und Temperatur-Übertragensverhaltens klimatisierter Räume. T. H. Zürich 1972. 106 S., 53 Arbeitsblätter. Samal, E.: Grundriß der praktischen Regelungstechnik. München, Oldenbourg-Verlag Bd.I: 14. Aufl. 1985. 563 S., Bd. II: 1970. 396 S. Schäfer, O.: Grundlagen der selbst. Regelung. 7. Aufl., München, Verlag Resch 1974. 238 S.

6.5.1 Grundlagen

2161 DVD

Schrowang, H.: Einführung in die Heizungs-Regeltechnik. Arnsberg, Strobel-Verlag. 3. Aufl. 1973. 288 S. Schrowang, H.: Regelungstechnik für Heizungs- und Lüftungsbauer. Düsseldorf, Krammer-Verl. 1976. 300 S. Schrowang, H.: Grundlagen der pneumatischen Regelung. Düsseldorf, Verl. Krammer 1978. 224 S. Weber, F.: Messen, Regeln und Steuern in der Lüftungs- und Klimatechnik. 2. Aufl. Düsseldorf, VDI-Verl. 1973. 159 S. Würstlin, D.: Das Regeln heizungs-, lüftungs- und haustechnischer Anlagen. Düsseldorf, VDI-Verlag 1974. 107 S. Zeitz, K. H.: Regelungen mit Zwei- und Dreipunktreglern. München, R. Oldenbourg Verlag 1986. 153 S.

-8

Energie (siehe auch Abschnitt 6.5.1-12, Bauphysik)

Anhaltszahlen für die Wärmewirtschaft. Hrsg. vom Verein Deutscher Eisenhüttenleute. Düsseldorf 1968. 6. Aufl. 601 S. Auracher, H.: Exergie. Karlsruhe, Verl. Müller. 1980. 70 S. Baumann, Kappmeyer, Muser: Anforderungen des Energieeinsparungsgesetzes, WEKAVerlag, Kissing 1978 und Ergänzungen. Corino, Carsten: Energy Law in Germany, Verlag C. H. Beck Cube, H. L. von (Hrsg.): Handbuch der Energiespartechniken. Karlsruhe, Verl. Müller. Bd.1. Grundlagen 1983. Ca. 300 S. Bd. 2. Spartechnik 1983. 416 S. Bd. 3. Regenerative Energie 1983. Ca. 280 S. DIW (Dt. Inst. f. Wirtschaftsforsch.): Erneuerbare Energiequellen. München, Oldenbourg-Verl. 1987. 410 S. Energieeinsatz in der Industrie, RWE-Anwendungstechnik, Essen 1981. Fricke, J., u. W. L. Borst: Energie. München, Oldenbourg-Verlag 2. Aufl. 1984. 494 S. Gemper, B.: Energieversorgung. München, Verl. Vahlen 1981. 282 S. Gygax, P.: Sonnenenergie in Theorie und Praxis I. 3. Aufl. Karlsruhe.Verl. Müller 1980. 79 S. Hau, E.: Windkraftanlagen, Berlin, Springer-Verl. 1988. 685 S. Hilscher, G.: Energie im Überfluß. Hameln, Verl. Sponholtz. 1981. 205 S. Heinrich, H.-J.: Energieeinsparung mit technischen Informationssystemen. Grafenau1/ Württbg. Expert-Verl. 1982. 169 S. Horn, M./DIW: Perspektiven der Weltenergieversorgung. München, Oldenbourg-Verl. 1988. 116 S. Jäger, F., u.a.: Photovoltaik. Karlsruhe, Verl. Müller 1985. 160 S. Jagnow, K., St. Horschler u. D. Wolff: Die neue Energieeinsparverordnung 2002. Fachverlag Deutscher Wirtschaftsdienst, Köln 2002. Jarras, L.: Windenergie, Berlin, Springer-Verl. 1981. 272 S. Kloss, R.: Planung von Biogasanlagen nach techn. wirtschaftl. Kriterien. München, Oldenbourg-Verl. 1986. 286 S. Kreibrich, R.: Rationelle Energie durch dezentrale Wärme-Kraft-Kopplung, München. Oldenbourg-Verl. 1979. 87 S. Kremers, W., u.a.: Neue Wege der Energieversorgung. Braunschweig, Vieweg-Verl. 1982. 246 S. Michaelis, H.: Existenzfrage: Energie. Düsseldorf, Econ-Verl. 1980. 299 S. Molly, J.-P.: Windenergie. Karlsruhe, Verl. Müller 1978. 138 S. Moog, W.: Betriebliches Energie-Handbuch. Ludwigshafen, Kiehl-Verl. 1983. 431 S. Münch, E., u.a.: Tatsachen über Kernenergie. Essen, Verlag Girardet 1980. 300 S. Piller, W., u. M. Rudolph: Kraft-Wärme-Kopplung. Frankfurt/Main. VDEW-Verlag 1984. 212 S.

DVD 2162

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Rationelle Energieversorgung in der Industrie. Tagung Essen 1981. Düsseldorf, VDIVerl. 1981. 133 S. Schäfer, H.: Struktur und Analyse des Energieverbrauchs in der BRD. München, Verl. Resch 1980. 207 S. Schaefer, H.: Nutzung regenerativer Energiequellen, Düsseldorf, VDI-Verl. 1987. 48 S. Spiegel-Dokumentation: Energiebewußtsein und Energieeinsparung bei privaten Hausbesitzern. Hamburg, Spiegel-Verl. 1981. 160 S. VDMA: Maßnahmen zur Energieeinsparung im Betrieb. Frankfurt, Maschinenbau-Verl. 1983. Winkler, J.-P.: Sonnenenergie II. 2. Aufl. Karlsruhe. Verl. Müller 1979. 171 S.

-9

Umweltschutz

Baum, F.: Praxis des Umweltschutzes. München, Oldenbourg-Verl. 1979. 452 S. Baum, F.: Luftreinhaltung in der Praxis, München, Oldenbourg-Verl. 1988. 1170 S. Davids, P., u. M. Lange: Die Großfeuerungsanlagen-Verordnung. Düsseldorf, VDI-Verl. 1984. 321 S. Davids, P., u. M. Lange: Die TA Luft 1986, Technischer Kommentar, VDI-Verlag 1986, ca. 400 S. Dreyhaupt, F.-J.: VDI-Taschenlexikon Immissionsschutz. VDI-Verlag 1996. 385 S. Feldhaus, G.: Bundes-Immissionsgesetz. C.F. Müller-Verlag1999. 653 S. Feldhaus, G., u. H.D. Hansen: Bundes-Immissionsschutzgesetz. C.F. Müller-Verlag 1997, 646 S. Gerold, F., u.a.: Handbuch zur Erstellung von Emissionserklärungen. Berlin, Erich Schmidt Verl. 1983. 608 S. Informatik im Umweltschutz. München, R. Oldenbourg Verlag 1986. 440 S. Kalmbach, S., u.a.: Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft und Verordnung über Großfeuerungsanlagen. Berlin, E. Schmidt Verl. 1983. 184 S. Thomas, J., u.a.: Immissionsschutzwegweiser. E. Schmidt Verl. 1983, 632 S. Umweltbundesamt: Materialien zum Immissionsschutzbericht 1977. E. Schmidt Verl., Berlin 1977. Umweltbundesamt: Luftreinhaltung ’81, Entwicklung–Stand–Tendenzen. E. Schmidt Verl., Berlin 1981. 620 S. Umweltbundesamt: Lärmbekämpfung ’81, Entwicklung–Stand–Tendenzen. E. Schmidt Verl. 1981. 335 S. VDMA-Kompendium: Umweltschutz: Gesetze, Verordnungen, Richtlinien. Frankfurt/ M., Maschinenbau Verlag GmbH 1983. 206 S. Witte, U.: Taschenbuch der Dampferzeugertechnik, 24. Aufl. Essen, Vulkan-Verl. 1984. 260 S.

-10

Korrosions- und Steinschutz

-11

Kosten- und Wirtschaftlichkeitsrechnung

-12

Bauphysik

Ali, S., N.K. Bansal, G. Hauser, G. Minke, A. Misra, K. Mukerji, R. Muthu Kumar, P. Reutter, M.R. Sharma u. S. Singh: Climatic Zones and Rural Housing in India. Kernforschungsanlage Jülich GmbH 1988. Bansal, N.K., G. Hauser u. G. Minke: Passiv Building Design. A Handbook of Natural Climatic Control. Elsevier Science B.V., Amsterdam/London/New York/Tokyo 1994. Böhmer, H.: k-Werte alter Bauteile. RKW-Verlag Eschborn, 3., völlig überarb. Auflage 1999. Bauphysik, Berichte aus Forschung und Praxis. Festschrift zum 60. Geburtstag von Karl Gertis. Hrsg.: Hauser, Universität Kassel, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 1998.

6.5.2 Heizungstechnik

2163 DVD

Bauphysik Kalender. Hrsg.: Cziesielski, Verlag Ernst & Sohn, 1. Jahrgang, Berlin 2001. Eichler/Arndt: Bautechnischer Wärme- und Feuchtigkeitsschutz. VEB Verlag für Bauwesen, 2. Auflage, Berlin 1989. Gertis/Mehra/Veres/Kießl: Bauphysikalische Aufgabensammlung mit Lösungen. B.G. Teubner, Stuttgart 1996. Glück, B.: Wärmetechnischer Vergleich ausgewählter Bautechniken und Betriebsweisen von Wohnbauten. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 330 Seiten plus Ergänzung 14 Seiten) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 14, Teil 2) Glück, B.: Wärmetechnisches Raummodell – Gekoppelte Berechnungen und wärmephysiologische Untersuchungen. Heidelberg: C.F. Müller Verlag, Hüthig GmbH 1997, ISBN 3-7880-7615-1 Glück, B.: Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2005 (E-Book, 593 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 14, Teil 1) Glück, B.: Wärmespeicher als mediendurchströmter Festkörper. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 223 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“, Projekt 14, Teil 3) Gösele/Schüle/Künzel: Schall.Wärme.Feuchte. Bauverlag, 11., völlig neu überarb. Auflage, Wiesbaden 1997. Hauser, G. u. H. Stiegl: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. Bauverlag, 2., durchges. Auflage 1993, 3., durchges. Auflage 1996, Wiesbaden 1990. Hauser, G. u. H. Stiegl: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Bauverlag, Wiesbaden 1992. Hauser, G., F. Otto u. H. Stiegl: Einfluß von Baustoff und Baukonstruktion auf den Wärmeschutz von Gebäuden – Jahres-Heizwärmebedarf und sommerliches Wärmeverhalten. Bundesverband Porenbetonindustrie e.V., 2., überarb. Fassung Sept. 1997, Wiesbaden Sept. 1995. Hauser, G. u. H. Stiegl: Quantitative Darstellung der Wirkung von Wärmebrücken. IRBVerlag Bauforschung für die Praxis, Band 31 Niedrigenergiehäuser unter Verwendung des Dämmstoffes Styropor, 1997. Häupl, P.: Bauphysik – Klima Wärme Feuchte Schall, 2007, Verlag Ernst & Sohn, Berlin Hohmann/Setzer: Bauphysikalische Formeln und Tabellen. Werner Verlag, 3., überarb. Auflage, Düsseldorf 1997. Liersch: Bauphysik kompakt, Wärme- und Feuchteschutz. Bauwerk-Verlag, 1. Auflage, Berlin 2001. Lutz/Jenisch/Klopfer/Freymuth/Krampf/Petzold: Lehrbuch der Bauphysik. B.G. Teubner, 4., neubearb. u. erw. Auflage, Stuttgart 1997. RWE Energie: Bauhandbuch. RWE Energie Aktiengesellschaft, 12. Ausgabe, Essen 1998. Schild/Casselmann/Dahmen/Pohlenz: Bauphysik Planung und Anwendung. Vieweg Verlag, 4., neubearb. Auflage, Braunschweig 1990. Usemann/Gralle: Bauphysik: Problemstellungen, Aufgaben und Lösungen. Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart 1997. Zürcher: Bauphysik. VDF Verlag der Fachvereine an den Schweizerischen Hochschulen und Techniken, erw. Probeausgabe Studienjahr 1988/89, Zürich 1988.

-13

6.5.2

Planung bis Instandhaltung

Heizungstechnik

Appold, K.: Fachkenntnisse Zentralheizungs- und Lüftungsbauer. 15. Aufl. Hamburg, Verlag Handwerk und Technik 1987. 266 S. Arbeitskreis der Dozenten für Heizungstechnik: Heizungstechnik. Bd. 1: Dimensionierung von Wasserheizungen. 1977. 196 S., Bd. 2: Druckhaltung, Wärmeübertragung.

DVD 2164

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

1980. 232 S. Bd. 4: Projektierung von Warmwasserheizungen. 1985. 406 S. Die Warmwasserheizung 2. Aufl. 1988. 232 S. München, Oldenbourg-Verl. ASHRAE-HANDBOOKS, ASHRAE Publication Sales, Tullic Circle NE, Atlanta Georgia 30329, in BRD: Promotor-Verlag, Karlsruhe. Refrigeration 1986. Equipment 1986. HVAC Systems and Applications 1987. Fundamentals 1989. ASH: Heizungstechnik in der Praxis. Schweiz. Aktionsgemeinschaft Sparsamer Heizen. Kreuzlingen (Schweiz) 1982. 146 S. Bach, H., u. S. Hesslinger: Warmwasser-Fußbodenheizung. Karlsruhe, Verl. Müller, 3. Aufl. 1981. 96 S. Bach, H. (Hrsg.), u.a.: Niedertemperaturheizung. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 258 S. Beedgen, O.: Öl- und Gasfeuerungstechnik. Düsseldorf, Werner-Verl. 2. Aufl. 1983. 632 S. Böhme, H.: Berechnung von Warmwasserheizungen. 3. Aufl. München, Pfriemer-Verl. 1982. 188 S. Bogoslowskij, V. N.: Wärmetechn. Grundlagen der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. Berlin, VEB-Verl. 1982. 384 S. Brenner, L.: Optimierung von Heizungsanlagen. Aarau, AT-Verl. 1982. 100 S. Brenner, L.: Moderne Wärmeerzeuger. Karlsruhe, Verl. Müller 1982. 165 S. Breton, O. u. R. Eberhard: Handbuch der Gasverwendungstechnik, München, Oldenbourg-Verl. 1987. 1987 S. Buch, A.: Fernwärme. Gräfelfing, Resch-Verl. 1983. 174 S. Buderus-Handbuch der Heizungs- und Klimatechnik. VDI, Kommissionsverlag, Düsseldorf 1975. 964 S. Burkhardt, W.: Projektierung von Warmwasserheizungen. München, R. Oldenbourg Verlag 1985. 406 S. Cerbe, G., u.a.: Grundlagen der Gastechnik. München, Hanser-Verl. 1981. 424 S. Daniels, K.: Haustechnische Anlagen. Düsseldorf, VDI-Verl., 1976, 311 S. Drexler, H.: Blockheizkraftwerke Bd. 2. Karslruhe, Verl. Müller 1981. 120 S. Eisenschink, A.: Falsch geheizt ist halb gestorben. 3. Aufl. München, Verl. Hirthammer 1981. 304 S. Eisenschink, A.: Der Heizratgeber. Gräfelfing, Resch-Verl. 2. Aufl. 1984. 152 S. Fernwärmeversorgung aus Heizwerken. Hrsg. vom VDEW, Frankfurt/M. 2. Aufl. 1981. 256 S. Fördergesellschaft Technischen Aufbau (FTA); Gräfelfing, Verl. Resch.Blockheizkraftwerke 1982. 60 S. Wärmepumpen zur Hausheizung 1981. 150 S. Gabanyi, P.: Planung von Fußbodenheizungen. Düsseldorf, Krammer-Verl., 2.Aufl. 1981. 92 S. Glück, B.: Druckverlusttabellen – Wasserheizungsanlagen. Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1978 Glück, B.: Hydrodynamische und gasdynamische Rohrströmung; Druckverluste (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1988, ISBN 3-34500222-1 Glück, B.: Strahlungsheizung – Theorie und Praxis. Berlin: VEB-Verlag für Bauwesen 1981; Karlsruhe: Verlag C.F. Müller, ISBN 3-7880-7157-5 Glück, B.: Heizwassernetze für Wohn- und Industriegebiete. Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1985 und Frankfurt/M: Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke mbH 1985, ISBN 3-8022-0095-0 Glück, B.: Zustands- und Stoffwerte; Verbrennungsrechnung (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1991, 2., überarbeitete und erweiterte Auflage, ISBN 3-345-00487-9 Glück, B.: Wärmeübertragung; Wärmeabgabe von Raumheizflächen und Rohren (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990, 2. Auflage, ISBN 3-345-00426-7 Glück, B.: Sicherheitsventile (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: Verlag für Bauwesen 1990, ISBN 3-345-00515-8

6.5.2 Heizungstechnik

2165 DVD

Glück, B.: Wärmetechnisches Raummodell – Gekoppelte Berechnungen und wärmephysiologische Untersuchungen. Heidelberg: C.F. Müller Verlag, Hüthig GmbH 1997, ISBN 3-7880-7615-1 Glück, B.: Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 696 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 14, Teil 1) Glück, B.: Thermische Bauteilaktivierung – Nutzen von Umweltenergie und Kapillarrohren. Heidelberg: C.F. Müller Verlag, Hüthig GmbH 1999, ISBN 3-7880-7674-7 und Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 213 Seiten) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 9) Glück, B.: Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten (Bericht Nr. 77). Bietigheim-Bissingen: Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. 2003 Glück, B.: Wärmespeicher als mediendurchströmter Festkörper. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 223 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“, Projekt 14, Teil 3) Goettling, D., u. F. Kuppler: Heizkostenverteilung. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 114 S. Hakansson, K.: Handbuch der Fernwärmepraxis. 3. Aufl. Essen, Vulkan-Verl. 1986. 1013 S. Hausladen, G.: Handbuch der Schornsteintechnik. München, Oldenbourg-Verl. 1988. 280 S. Hein, K.: Blockheizkraftwerke. Karlsruhe, Verl. Müller. Ki-extra 7. 2. Aufl. 1980. 85 S. Heinemann, K.-I., u. J. Höppner: Kommentar zu den DVGW-TRGI 1986, Technische Regeln für Gas-Installationen. Stuttgart, Gentner Verlag 1987. 214 S. Heizerkursus. Hrsg. vom VDI. 4. Aufl. Düsseldorf, VDI-Verlag 1974. Homonnay, G.: Fernheizungen. Karlsruhe, Verl. Müller 1977. 229 S. Ihle, C.: Pumpen-Warmwasserheizung. 3. Aufl. Düsseldorf. Werner-Verl. 1979. 416 S. Ihle, C., u. A. Botz: Heizungstechnik. 5. Aufl. Schroedel-Verl. 1984. 368 S. Jablonowski, H.: Thermostatventil-Praxis. Meßtechnik – Regelung – Montage. Berlin/ Wiesbaden, Udo Pfriemer Buchverlag in der Bauverlag GmbH 1987. 160 S. Jüttemann, H.: Elektrisch Heizen und Klimatisieren. 2. Aufl. Düsseldorf, VDI-Verl. 1979. 401 S. Junkers-Handbuch der Gas-Zentralheizung. Junkers & Co., Wernau. 3. Aufl. 1979, ca. 180 S. Kirst, T.: Heizungstechnik, Grundwissen, Darmstadt, Technik-Tabellen-Verl., 2. Aufl. 1985, 348 S. Haendly, Bach u.a.: Prinzipstudie Niedertemperaturheizung I und II. Karlsruhe, Verl. Müller. Ki-extra 8. 1979. 200 S. Ki-extra 9. 1979. 132 S. Heiztechnik. DIN-Normen, Gesetze, Technische Regeln und Verordnungen. BeuthVerlag 1997. 3. Aufl. Hell, F.: Rationelle Heiztechnik, Düsseldorf, VDI-Verl. 1989, ca. 300 S. HVCA-Year Book 1980. 32. Aufl. HVCA-Publ. 10 King Str. Penrith, Cumbria. Höppner, J., u. E. Postenrieder: Abgasanlagen für moderne Feuerstätten. Stuttgart, Gentner-Verl. 2. Auflage 1985. 118 S. Klien, J., u. W. Gabler: Praxis Kraft-Wärme-Kopplung Bd. 2. Dokumentation Blockheizkraftwerke. Karlsruhe, Verlag C.F. Müller 1991. 560 S. Klien, J.: Praxis Kraft-Wärme-Kopplung Bd. 3. Planungshilfe Blockheizkraftwerke. Karlsruhe, Verlag C.F. Müller 1991. 120 S. Kollmar, A., u. W. Liese: Die Strahlungsheizung. 4. Aufl. München, Oldenbourg-Verlag 1957. 562 S. Kraft, G.: Niedertemperaturheizungen. Berlin, VEB-Verl. 1980. ca. 200 S. Kraft, G.: Lehrbuch der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik. 1. Bd. 1981. 4. Aufl. 1984. Ca. 368 S. 2.Bd. 4. Aufl. 1984. Ca. 352 S. Berlin, VEB-Verlag. Kraft, G.: Niedertemperaturheizungen. Ost-Berlin, VEB-Verl. 1980. 115 S.

DVD 2166

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Krupp, Heizungs-Handbuch. Hrsg. von G. Müller. 4. Aufl. Stuttgart, Kopf u. Co. 1975. 502 S. Kruse, C.-L.: Korrosion in der Sanitär- und Heizungstechnik. Düsseldorf, KrammerVerlag 1991. 170 S., zahlr. Abb. Kübler, Th.: Infrarot-Heizungstechnik für Großräume. Essen, Vulkan-Verlag 2001, 216 S. Laakso, H.: Handbuch der Technischen Gebäudeausrüstung. Düsseldorf, VDI-Verlag 1976. 372 S. Lenz, H.: Heizung–Klima–Lüftung. Stuttgart, Verl. Koch 1977. 88 S. Loewer, H., u.a.: Heiztechnik in Alt- und Neubauten. 7031 Grafenau, Lexika-Verl. 1979. 234 S. Mackenzie-Kennedy: District Heating. Elmsford, N.Y., Pergamon Press 1979. 210 S. Madaus, C.: Kachelöfen. Stuttgart, Kopf-Verl. 1981. 104 S. Madaus, C.: Die Kachelofen-Warmluftheizung. Stuttgart, Kopf-Verl. 1983. 136 S. Marx, E.: Gasfeuerungsmontage. Stuttgart, Verl. Kopf 1983. 238 S. Marx, E.: Brennwerttechnik. Stuttgart, Verl. Kopf 1987, 48 S. Marx, E.: Fachkunde Ölfeuerungsmontage. Stuttgart, 2. Aufl. Verl. Kopf 1978. 320 S. Munser, H.: Fernwärmeversorgung. Leipzig, VEB-Verl. 2. Aufl. 1983. 413 S. Orth, D.: Niedertemperatur-Wärmeversorgung. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 176 S. Paech, W.: Heizungsberechnung mit programmierbaren Taschenrechnern. Düsseldorf, Krammer-Verl. 1979. 104 S. Pfestorf, K. H.: Kachelöfen. Wiesbaden, Bauverlag 1982. 296 S. Reeker, J., u. P. Kraneburg: Haustechnik–Heizung, Lüftung. Klimatechnik. Düsseldorf, Werner-Verl. 1979. 288 S. Reiche, Th., u. K. Thielebeule: In Sachen Heizung gut beraten. Wiesbaden, Bauverlag 1984. 139 S. Rietschel-Raiss: Heiz- und Klimatechnik. 15. Aufl. von W. Raiss. 1. Bd.: Grundlagen, Systeme, Ausführung. 1968. 409 S., 2. Bd.: Berechnung. 1970. 428 S., Springer-Verlag. Roos, H.: Hydraulik der Wasserheizung. München, R. Oldenbourg Verlag 1986. 230 S. Rudolf, H.: Jahrbuch der Gebäudetechnik, Düsseldorf, VDI-Verl. 1988. 584 S. Schlapmann, D.: Planung von Warmwasser-Fußbodenheizungen. Karlsruhe, Verl. Müller 1983. Ca. 120 S. Stamper u. Koral: Handbook of Air Conditioning, Heating and Ventilating. New York, Ind. Press 1979. 1420 S. Gebr. Sulzer AG: Kreiselpumpen-Handbuch. 2. Aufl. 1989. Essen, Vulkan-Verl. 341 S. Schrowang, H.: Elektrotechnik für Heizungs- und Lüftungsbauer. Düsseldorf, Krammer-Verlag 1972. 206 S. Stahlrohr-Handbuch. Bearbeitet von D. Schmidt. Essen, Vulkan-Verl. 9. Aufl. 1982. 684 S. Stohler, F., u. H. R. Jufer: Wirtschaftlich Heizen. AT-Verlag CH/Aarau, 1984. 223 S. Stohler, F., u. Stadelmann: Umweltschonend Heizen mit Gas. AT-Verl. CH/Aarau, 1986. 272 S. Swenson: Heating Technologie. Breton Publ., North Scituate 1983. 428 S. Usemann, K. W.: Dachheizzentralen. Düsseldorf, VDI-Verl. 1976. 153 S. Weise, E.: Strahlenheizung. Essen, Vulkan-Verl. 2. Aufl. 1973. 116 S. Wagner, W.: Wärmeträgertechnik mit organischen Flüssigkeiten. 4. Aufl., München, Verl. Resch 1986, ca. 500 S. Zierhut, H.: Heizungs- und Lüftungsanlagen. Stuttgart, Verl. Klett 1976. 268 S.

6.5.3

Lüftungs- und Klimatechnik

Air Conditioning and Refrigeration Institut: Air Conditioning and Refrigeration, Prentice-Hall, Englewood Cliffs N. Y. 1979. 863 S. Alden, J. L., u. J. M. Kane: Design of Industrial Exhaut Systems. 4. Aufl. New York, Int. Press 1970. 243 S.

6.5.3 Lüftungs- und Klimatechnik

2167 DVD

Arbeitskreis der Dozenten für Klimatechnik: Lehrbuch der Klimatechnik. Bd. 1: Grundlagen, 4. Aufl. 1989. 520 S., Bd. 2: Berechnung und Regelung, 2. Aufl. 1988. 459 S., Bd. 3: Bauelemente. 3. Aufl. Karlsruhe, Verl. Müller 1988. 480 S. ASHRAE-HANDBOOKS, ASHRAE Publication Sales, Tullic Circle NE, Atlanta Georgia 30329, in BRD: Promotor-Verlag, Karlsruhe. Refrigeration 1986. Equipment 1986. HVAC Systems and Applications 1987. Fundamentals 1989 (Neuauflagen im Vierjahresrhythmus). Baturin, W. W.: Lüftungsanlagen für Industriebauten. 2. Aufl. (Aus dem Russischen) Berlin, VEB-Verlag Technik 1959. 516 S. Baumgart, Hörner, Reeker (Hrsg.): Handbuch der Klimatechnik. C.F. Müller-Verlag 2000. 4. Aufl., 487 S. Bergmann/Ihle: Lüftung und Luftheizung. 3. Aufl. Düsseldorf, Werner-Verl. 1977. 228S. Berliner, P.: Klimatechnik. Würzburg, Vogel-Verlag, 2 Aufl. 1984, 184S. Berliner, P.: Kühltürme. Berlin, Springer-Verlag 1975. 189 S. BEW/VSHL (Hrsg.): Energierelevante Luftströmungen in Gebäuden, 1.Bd. 44 S., 2. Bd. 32 S., 3. Bd. 52 S., 4. Bd. 281 S., 5. Bd. 66 S., 6. Bd. 72 S., 7. Bd. 109 S., Zürich 1994, VSHL BMFT-Verbund-Vorhaben 01HK216: Gezielte Belüftung der Arbeitsbereiche in Produktionshallen zum Abbau der Schadstoffbelastung, Stuttgart 1992, ISSN 0943-013 X, 157 S. Bohl, W.: Ventilatoren. Würzburg, Vogel-Verl. 1983. 272 S. Bommes, Brockmeyer, Reinders: Lüftungstechnisches Taschenbuch. Düsseldorf, Niederrhein-Verl. 1976. 347 S. Bouwman, H., B.: Optimum Air Duct System Design. TNO Research Institute. Delft, Holland. 1982. Brendel, Th., und G. Güttner: Energieverbrauch von Klimaanlagen. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 88 S. Bunse, F., u. B. Gräff: Klimakursus. Düsseldorf, VDI-Verl. 1982. Ca. 250 S. von Cube, H. L., et al.: Wärmepumpen in staatlichen und kommunalen Bauten. Karlsruhe, Verl. Müller 1978, ca. 100 S. Daniels, K.: Die Hochdruckklimaanlagen. 3. Aufl. Düsseldorf, VBI-Verl. 1979. 286 S. Denzler, J. A.: Handbuch für Lüftungsmonteure, Denzler Engg. 1978. 191 S. Eck, B.: Ventilatoren. Springer-Verl. 1972. 5. Aufl. 576 S. Eichmann, R. A.: Grundlagen der Klimatechnik. Heidelberg, C. F. Müller Verlag 1998. 338 S. Eichmann, R.A.: Grundlagen der Klimatechnik. C.F. Müller-Verlag 1998. 338 S. Eichmann, R. A.: Klimatechnik – Arbeits- und Übungsbuch. Heidelberg, C. F. Müller Verlag 1997. 339 S. Glück, B.: Hydrodynamische und gasdynamische Rohrströmung; Druckverluste (Reihe: Bausteine der Heizungstechnik). Berlin: VEB Verlag für Bauwesen 1988, ISBN 3-34500222-1 Glück, B.: Vergleichsprozesse der Klimatechnik. Heidelberg: C.F. Müller-Verlag, Hüthig GmbH 1998, ISBN 3-7880-7643-7 Glück, B.: Wärmetechnisches Raummodell – Gekoppelte Berechnungen und wärmephysiologische Untersuchungen. Heidelberg: C.F. Müller Verlag, Hüthig GmbH 1997, ISBN 3-7880-7615-1 Glück, B.: Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 696 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 14, Teil 1) Glück, B.: Thermische Bauteilaktivierung – Nutzen von Umweltenergie und Kapillarrohren. Heidelberg: C.F. Müller-Verlag, Hüthig GmbH 1999, ISBN 3-7880-7674-7 und Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 213 Seiten) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 9) Glück, B.: Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten (Bericht Nr. 77). Bietigheim-Bissingen: Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. 2003 Hanel: Raumluftströmung. C.F. Müller-Verlag 1996. 178 S.

DVD 2168

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Hartmann, K.: Grundlagen der Kälte- und Klimatechnik. Stuttgart, Verl. Kopf 1979. 293 S. Hausladen, G. et al.: Einführung in die Bauklimatik, 2003, Verlag Ernst & Sohn, Berlin Heinrich, G., u. U. Franzke (Hrsg.): Sorptionsgestützte Klimatisierung. C.F. Müller-Verlag 1997. 356 S. Heinz, E.: Kontrollierte Wohnungslüftung (2000), ISBN 3-345-00648-0. Henne, E.: Luftbefeuchtung. 3. Aufl. Karlsruhe, Verl. Müller 1984. 187 S. Ihle, C.: Klimatechnik für Heizungsbauer. 2. Aufl. Düsseldorf, Werner-Verlag 1975. 280 S. Ihle, C.: Lüftung und Luftheizung. 4. Aufl. Düsseldorf, Werner-Verl. 1982. 304 S. Iselt, P., u. U. Arndt: Die andere Klimatechnik. C.F. Müller-Verlag 1999. 260 S. Iselt, P., u. U. Arndt: Grundlagen der Luftbefeuchtung. C.F. Müller-Verlag 1996. 204 S. Junker, B.: Klimaregelung. München, R. Oldenbourg Verlag, 2.Aufl. 1984. 239 S. Kirschner, K.: Klimatechnik in der Tierproduktion. Berlin, VEB-Verl. 1976. 132 S. Koschenz, M., u. B. Lehmann: Thermoaktive Bauteilsysteme. EMPA, CH-8600 Dübendorf 2000, 102 S. Lalden u. Kane: Design of Industrial Ventilation Systems. New York, Ind. Press 1982. 280 S. Lexis, J.: Ventilatoren in der Praxis. Stuttgart, Gentner-Verl. 1983. 276 S. Linden, G., u. Usemann, K.W.: Brandschutz in der Gebäudetechnik, Düsseldorf, VDIVerlag 1992. Loewer, H., u.a.: Kältetechnik in Klimaanlagen. Karlsruhe, Verl. Müller 1980. 203 S. Loewer, H., u.a.: Klimatechnik (Lehrgang). Karlsruhe, Verl. Müller 1982. 229 S. Loewer, H., u.a.: Lüftungstechnik. Karlsruhe, Verl. Müller 1980. 179 S. Mürmann, H.: Wohnungslüftung. Kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung. C.F. Müller-Verlag 1999. 4. Aufl., 210 S. Mürmann, H.: Wohnungslüftung. 2. Aufl. 1982. 168 S. Pielke, R.: Montage und Wartung von Lüftungs- und Klimaanlagen. 2. Aufl. Stuttgart, Verlag Gentner 1975. 192 S. Quenzel, K.-H.: Rauch- und Wärmeabzugsanlagen im Rahmen des vorbeugenden Brandschutzes. Verlag Office 1996. 200 S. Quenzel, K.-H.: Rauch- und Wärme-Abzugsanlagen im Rahmen des vorbeugenden Brandschutzes. 2. Aufl. Berlin, Office 213-Verlag, 1996. Quenzel, K.-H.: Vorbeugender Brandschutz in Raumlufttechnischen Anlagen. Berlin, Brain-Verl. 1990. 142 S. Rákóczy, T.: Kanalnetzberechnungen raumlufttechnischer Anlagen. Düsseldorf, VDIVerl. 1979. 113 S. Regenscheit, B.: Isotherme Luftstrahlen. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 210 S. Rötscher, H.: Grundlagen der Lüftungs- und Klimaanlagen. München, Hanser-Verl. 1982. 203 S. Rouvel, L.: Raumkonditionierung. Berlin, Springer-Verl. 1978. Schedwill (Hrsg.): Mollier – h,x-Diagramm: Feuchte Luft im gesetzlichen und technischen Einheitensystem. Kopiervorlage. C.F. Müller-Verlag. Sherrat, A. F. C.: Air Conditioning System Design for Buildings. London, My Graw-Hill 1984. 235 S. Steimle, F., u. H. Spengele: Das h,x-Diagramm für feuchte Luft. Stuttgart, Kopf u. Co. 1971. 65 S. Steinacher, H.: Theorie und Praxis der VVS-Anlagen. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 98 S. Weise, E.: Brandschutz bei Lüftungsanlagen. München, Verl. Pfriemer 1973/76. 155 S.

6.5.4

Wärmepumpen, Sonnenenergie, Wärmerückgewinnung u.a. (Umweltenergienutzung)

Absorptionswärmepumpen. Aktueller Bericht. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 76 S. (KiExtra 14).

6.5.4 Wärmepumpen, Sonnenenergie, Wärmerückgewinnung u.a. Auer, F.: Solare Brauchwassererwärmung im Haushalt. Karlsruhe, Verl. Müller. 1981. 52 S. Böttcher, C.: Die Gasmotor-Wärmepumpe. Karlsruhe, Verl. Müller 1981. 92 S. (Ki-Extra 16). Bukau, F.: Wärmepumpen-Technik. München, Oldenbourg-Verl. 1983. 335 S. von Cube, H. L., u. F. Steimle: Wärmepumpen. Düsseldorf, VDI-Verl. 1978. 305 S. von Cube, H. L., u. F. Steimle: Wärmepumpen in staatlichen und kommunalen Betrieben. Ki-extra 6. Karlsruhe, Verl. Müller 1978. 97 S. von Cube, H. L. (Hrsg.): Handbuch der Energiespartechniken. Bd. 1. Grundlagen. 1983. 342 S. Bd. 2. Fossile Energieträger. 1983. 416 S. Bd. 3. Regenerative Energien. 1983. 314 S. Daniels, K.: Sonnenenergie. Karlsruhe, Verl. Müller 1976. 82 S. Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie: Grundlagen der Solartechnik I. DGS München 1976. 312 S. (12 Vorträge).Heizen mit Sonne. Tagung Frankfurt/M. 1979. 141 S. Feist, W. (Hrsg.): Das Niedrigenergiehaus. Neuer Standard für energiebewußtes Bauen. C.F. Müller-Verlag 1998. 5. Aufl., 217 S. Fox, U.: Sonnenkollektoren. Thermische Solaranlagen. W. Kohlhammer Verlag 1998. 169S. FTA-Tagung Böblingen: Energie-Versorgungssysteme 1982. Fördergesellschaft Technischer Ausbau (FTA): Wärmepumpen zur Hausheizung. Gräfelfing, Resch-Verl. 1981. 170 S. Fördergesellschaft Technischer Ausbau (FTA): Wärmepumpen über 200 kW Leistung. Gräfelfing, Resch-Verl. 1982. 28 S. Fox, U.: Betriebskosten- und Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Düsseldorf, VDI-Verl. 1980. 215 S. Genath, B., u. K. Krammer: Sonnenstandsdiagramme. Düsseldorf, Krammer-Verl. 1979. 80 S. Glück, B.: Umweltschonende Raumheizung und -kühlung mit Kunststoff-Kapillarrohrmatten (Bericht Nr. 77). Bietigheim-Bissingen: Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. 2003 Glück, B.: Thermische Bauteilaktivierung – Nutzen von Umweltenergie und Kapillarrohren. Heidelberg: C.F. Müller-Verlag, Hüthig GmbH 1999, ISBN 3-7880-7674-7 und Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 213 Seiten) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“; Projekt 9) Glück, B.: Wärmespeicher als mediendurchströmter Festkörper. Hamburg: Rud. Otto Meyer-Umwelt-Stiftung 2006 (E-Book, 223 Seiten plus Rechenprogramm und Testbeispiele) http://www.rom-umwelt-stiftung.de/ (Rubrik „Arbeit bisher“, Projekt 14, Teil 3) Gößl, N.: Neue Technologien zum energiesparenden Bauen und Heizen. Kissing, WekaVerl. 1981. 540 S. Grallert, H.: Solarthermische Heizungssysteme, München, Oldenbourg-Verl. 1978. 216 S. Heilmaier, G.: Wärmepumpen in der Praxis. München, Pfriemer-Verl. 2. Aufl. 1981. 172 S. Heinrich, G., u.a.: Wärmepumpenanwendung in Industrie, Landwirtschaft, Gesellschafts- und Wohnungsbau. Berlin, VEB-Verl. 1982. 318 S. Hincke, H.: Gaswärmepumpen nach dem Kompressionsprinzip. Stuttgart, Verl. Krämer 1983. 120 S. Informationswerk Sonnenenergie. München, Pfriemer-Verl. 1977. 4 Bde. je ca. 80 S. Jahrbuch der Wärmerückgewinnung. Essen, Vulkan-Verl. 5. Ausg. 1984. 276 S. Jüttemann, H.: Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen. Karlsruhe, Verl. Müller. 3. Aufl. 1984. 275 S. Kalt, A.: Baustein Sonnenkollektor. Karlsruhe, Verl. Müller 1977. 120 S. Kirn, H., u. A. Hadenfeldt: Wärmepumpen. 3. Aufl. Karlsruhe, Verl. Müller 1979. 268 S. Kirn, H., u. A. Hadenfeldt: Wärmepumpen. Karlsruhe, C. F. Müller-Verlag Bd. 1: Grundlagen (Kirn). 1983. 259 S. Bd. 2: Anwendung (Kirn-Hadenfeldt). 1987. 257 S.

DVD

DVD 2170

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Bd. 3: Gas- und Dieselwärmepumpen (Jüttemann). 1981. 216 S. Bd. 4: Installation, Betrieb und Wartung (Eickenhorst). 1982. 131 S. Bd. 5: Wärmequellen und Wärmespeicher (Kirn). 1983. 196 S. Bd. 6: Absorptions-Wärmepumpen (Loewer). 1987. 222 S. Bd. 7: Wärmepumpen in der Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft. 1984. 214 S. Bd. 8: Warmwasserbereitung mit El.-Wärmepumpen (Hadenfeldt). 1983. 166 S. Krug, N., u. L. Groebert: Wärmepumpenheizung. Essen, Vulkan-Verl. 1983. 338 S. Lehner, G., u.a.: Solartechnik. Grafenau/Württ. Lexika-Verl. 1979. 178 S. Loewer, H., u.a.: Wirtschaftlicher Energieeinsatz bei Anlagen der Technischen Gebäudeausrüstung. Ki3-extra. Karlsruhe, Verl. Müller 1977. 251 S. Matare, H.F., u. P. Faber: Erneuerbare Energien. Erzeugung, Speicherung, Einsatzmöglichkeiten. Düsseldorf, VDI-Verlag 1993. 285 S. Mörlein, S.: Planung von Wärmepumpenanlagen. Düsseldorf, Krammer-Verl. 2.Aufl. 1980. 104 S. Richards, F., u. K. Michler. Wärmepumpen für die Raumheizung. Düsseldorf, VDI-Verl. 1982. 330 S. Sauer u. Howell: Heat Pump Systems. New York, Wiley u. Sons 1983. 721 S. Steemers, T. C.: Solar Energie Applications to Dwellings. Hingham, Ma. Kluwer Ac. Publ. 1984. 521 S. Stohler, F.: Alternativ-Heizsysteme. Aarau (Schweiz), AT-Verl. 1979. 180 S. Stoy, B.: Wunschenergie Sonne. Heidelberg, Energie-Verl. 3. Aufl. 1980. 686 S. Suttor (Hrsg.): Praxis der Kraft-Wärme-Kopplung. C.F. Müller-Verlag. Drei Ordner mit 3500 S. Suttor, W., u. A. Müller: Das Mini-Blockheizkraftwerk. C.F. Müller-Verlag 1999. 133 S. Treberspurg, M.: Neues Bauen mit der Sonne. Ansätze zu einer klimagerechten Architektur. Springer Verlag 1999. 2. Aufl., 269 S. Urbanek, A.: 50 deutsche Sonnenhäuser. 1979. 176 S. Wärmepumpen-Technologie. Essen, Vulkan-Verl. Herausgeber: F. Steimle. Bd. 1. Grundlagen. Tagung Essen 1977. 236 S. 2. Auflage 1980 Bd. 2. Antriebe. Tagung Essen 1978. 156 S. 2. Auflage 1980. Bd. 3. Grenzen. Tagung Dortmund 1980. 132 S. Bd. 4. Praxis. Tagung Timmendorfer Strand 1979. 154 S. Bd. 5. Elektrische Wärmepumpe. Tagung Düsseldorf 1981. 152 S. Bd. 6. Gaswärmepumpen-Anlagen. Tagung Nürnberg 1981. 116 S. Bd. 7. Gaswärmepumpen in Industrie und Gewerbe. 1982. 76 S. Bd. 8. Wärmerückgewinn und Abwärmeverwertung. 1983. 390 S. Bd. 9. Warmwasser-Wärmepumpen. 1983. 76 S. Weik, H., etal.: Sonnenenergie in der Baupraxis. Solar-Architektur und Solar-Technik – Grundlagen und Anwendungen. Ehingen b. Böblingen, expert verlag 1990. 196 S. Winkler, J. P., u. P. Gygax: Sonnenenergie in Theorie und Praxis. 2 Bde.: 55 u. 139 S. Karlsruhe, Verl. Müller 1979/80. Zoog, M.: Wärmewasserbereitung mit Sonnenenergie. Stuttgart, Verl. Techn. Rundschau 1977. 100 S.

6.5.5

Kalt- und Warmwasser

Alden, J. L.: Design of Industrial Exhaust Systems. 4. Aufl. New York, Industrial Press 1970. 243 S. Babcock Handbuch Wasser, Brands, H. J. u. a. 6. Aufl., Essen, Vulkan-Verlag 1982, 336 S. Baturin, W. W.: Lüftungsanlagen für Industriebauten. 2. Aufl. (Aus dem Russischen). Berlin, VEB-Verlag Technik 1959. 516 S. Bösch, K.: Warmwasserversorgung 1976. 96 S. Bösch und Fux: Warmwasserversorgung heute, Stuttgart, AT-Verlag, 1984. Dalla Valle, J. N.: Exhaust Hoods. 2. Aufl. New York, Industrial Press 1952. 146 S. Dittes, W., u.a.: Arbeitsplatzluftreinhaltung – Schadstoffserfassungseinrichtungen in der Fertigungstechnik. Bremerhaven, Wirtschaftsverlag NW, 1985. 386S.

6.5.6 Kältetechnik

2171 DVD

Feurich, H.: Taschenbuch für den Sanitärinstallateur, Düsseldorf, Krammer u. Co. 7. Aufl. 1987/88. 310 S. Feurich, H., u. K. Bösch: Sanitärtechnik. 6. Aufl. 1993. Düsseldorf, Krammer-Verl. 1211 S. Feurich, H.: Rohrnetzberechnung. 3. Aufl. Düsseldorf, Krammer-Verl. 1973. 398 S. Gelzhäuser, P., K. Holm, K.D. Jung, H. Martiny und W. Steuer: Desinfektion von Trinkwasser durch UV-Bestrahlung. Ehingen b. Böblingen, expert verlag, 2. neu bearb. u. erweit. Aufl. 1989. 128 S. Grohe: Handbuch der Sanitärplanung, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1986. Grombach, P. u.a.: Handbuch der Wasserversorgungstechnik, München, OldenbourgVerl. 1985. 1128 S. Haberer, K.: Umweltradioaktivität und Trinkwasserversorgung, München, OldenbourgVerlag 1989. Hadenfeldt, A.: Warmwasserbereitung mit Elektrowärmepumpen. Karlsruhe, Verl. Müller 1983. 166 S. Herre, E.: Korrosionsschutz in der Sanitärtechnik und Brauchwasserversorgung. Düsseldorf, Krammer-Verl. 1972. 244 S. Imhoff, K.: Taschenbuch der Stadtentwässerung. 26. Aufl. München, Oldenbourg-Verlag 1985. 394 S. Industrial Ventilation. Hrsg. von Am. Conference of Governmental Industrial Hygienists, Cincinnati. 6500 Glenway Av. 18. Aufl. 1984. Jahrbuch Gas und Wasser 1987/88. München, R. Oldenbourg Verlag, 81.Ausg. 1987. 559S. Koordinierungskreis Bäder (KOK): Richtlinien für den Bäderbau Nürnberg. Tümmels GmbH. 1977. 296 S. Krupp-Handbuch der Warmwasserversorgung. Stuttgart, Gentner-Verl. 1977. 48 S. Lauer, H.: Kunststoffrohr-Handbuch. Essen, Vulkan-Verl. 1978. 418 S. Mürmann, H.: Lufttechnische Anlagen für gewerbliche Betriebe. Berlin, Marhold-Verl. 2. Aufl. 1980. 352 S. Orth, H.: Korrosion und Korrosionsschutz. Stuttgart, Wiss.-Verlag 1974. 276 S. Rosa, E.F.: Legionaires’ Desease. Prevention and Control. Business News Publishing Company 1993. 168 S. Schmitz, H.: Die Technik der Brauchwassererwärmung. Berlin, Marhold-Verl. 1983. 242S. Schulz, K.: Sanitäre Haustechnik. Düsseldorf, Werner-Verl. 1981. 312 S. Schneider, H.-J.: Sanitäre Technik. Würzburg, Vogel-Verl. 1979. 176 S. Stief, E.: Luftreinhaltung. 2. Aufl. Berlin, VEB-Verl. Technik 1977. 124 S. Stief, E.: Lufttechnische Berechnungstafeln. 3. Aufl. Berlin, VEB-Verl. Technik 1977. 124 S. Ulrich, E. A., u. Sedlmeier: Wasser. 3. Aufl. München, TÜV-Verlag 1974. 60 S. Usemann, Klaus W. (Hrsg.): Schwerpunkte neuzeitlicher Sanitärtechnik. Planen, Bauen, Konstruieren, Erhalten und Gewährleisten. München, Wien, R. Oldenbourg Verlag 1991. Verfahren zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit von Solaranlagen zur Warmwasserbereitung – VELS II –. Beuth Verlag 1997. Vogel, P.: Schadstofferfassung. 2. Aufl. Berlin, VEB-Verl. Technik 1978. 132 S. VKW-Handbuch Wasser. 5. Aufl. Düsseldorf, Vulkan-Verl. 1979. 336 S.

6.5.6

Kältetechnik Siehe auch Abschn. 6.5.3

ASHRAE-HANDBOOKS, ASHRAE Publication Sales, Tullic Circle NE, Atlanta Georgia 30329, in BRD: Promotor-Verlag, Karlsruhe. Refrigeration 2002. Equipment 1986. HVAC Systems and Applications 2000. Fundamentals 2001 (Neuauflagen im Vierjahresrhythmus).

DVD 2172

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Berliner, P.: Kühltürme. Berlin, Springer-Verlag 1975. 189 S. Berliner, P.: Kältetechnik. Würzburg, Vogel-Verlag 1979. 192 S. Breidenbach, K.: Der Kälteanlagenbauer. Karlsruhe, Verlag Müller. Bd. 1: 2003 Grundkenntnisse. 504 S. Bd. 2: 2004 Kälteanwendung. 804 S. Cube, H. von: Lehrbuch der Kältetechnik, 3. Aufl., Karlsruhe, Müller-Verl. 1981, 1041 S. v. Cube u.a. (Hrsg.): Lehrbuch der Kältetechnik. C.F. Müller-Verlag 1997. 4. Aufl., 1544 S. Drees, H., Zwicker u. Neumann: Kühlanlagen. 14. Aufl. Berlin, VEB-Verl. Technik 1987. Emblik, E.: Kälteanwendung. Karlsruhe, Verlag Braun 1971. 384 S. Hampel, A.: Grundlagen der Kälteerzeugung. Karlsruhe, Verlag Müller 1974. 122 S. Handbuch der Kältetechnik. Hrsg. von R. Plank, 12 Bde. Berlin, Springer-Verlag. ILK, Institut für Luft- und Kältetechnik, Dresden. Jungnickel, H., u.a.: Grundlagen der Kältetechnik. 3. Aufl., Verlag Technik Berlin, 1990, 368 S. Kältemaschinen-Regeln. Hrsg. vom Deutschen Kältetechnischen Verein. 7. Aufl. Verlag Müller, Karlsruhe 1981. 125 S. Kältetechnische Arbeitsmappe. 3 Bd. Karlsruhe, Verlag Müller. Bd. 1, mit 72 Arbeitsblättern, 1950–55. Bd. 2, mit 114 Arbeitsblättern, 1956–66. Bd. 3, 1971. Loewer, H., u.a.: Kältetechnik in Klimaanlagen. Karlsruhe, Verlag Müller 1980. 214 S. NIST, National Institute for Standards and Technology, Boulder, Colorado, USA. Noack, H.: Der praktische Kältemonteur. Karlsruhe, Verl. Müller. 5.Aufl. 1986. 193 S. Pohlmann, W.: Taschenbuch der Kältetechnik. 18. Aufl. Karlsruhe, Verlag Müller 2005. 941 S. Reisner, K.: Kältetechnik. Dortmund, W. Rüller 1980. 140 S. Veith, H.: Grundkurs der Kältetechnik. 5. Aufl. Karlsruhe, Verlag Müller 1986. 244 S. Win Raum 1.0. Das PC-Programm für die Projektierung von Kühlräumen. C.F. MüllerVerlag 1997. Disketten mit Handbuch.

6.5.7

Technische Gebäudeausrüstung

Hausladen, G., u. P. Springl: Heizung und Lüftung im Niedrigenergiehaus. IRB Verlag 1994. 214 S. Pistohl, W.: Handbuch der Gebäudetechnik. Planungsgrundlagen und Beispiele. Werner Verlag 1999. Bd.1 und Bd. 2, 3. Aufl. Volger/Laasch: Haustechnik. Grundlagen – Planung – Ausführung. B.G. Teubner-Verlag 1999. 2. Aufl., 162 S.

6.5.8

Zeitschriften

Deutschland Archiv des Badewesens. Essen, Verlag Schrickel. ATP, Automatisierungstechnische Praxis. München, Oldenbourg Industrieverlag. Bauphysik. Berlin, Verlag Ernst u. Sohn. Beratende Ingenieure, Essen, Giradet-Verlag. Brennstoff – Wärme – Kraft (BWK). Düsseldorf, VDI-Verlag. Brennstoffspiegel. Kassel, Ceto-Verlag. Bundesbaublatt, Bauverlag München. Clima Commerce International – CCI. Karlsruhe, Promotor-Verlag. Consulting. Würzburg, Vogel-Verlag Elektrowärme International. Ausgabe A und B. Essen, Vulkan-Verlag. Elektrowärme im Technischen Ausbau, ETA. Essen, Vulkan-Verlag. Energie. 8032 Gräfelfing, Energiewirtschaft und Technik-Verlag.

6.5.8 Zeitschriften

2173 DVD

Energie-Spektrum. Gräfelfing, Verlag Resch. Facility Management, Bertelsmann Fachzeitschriften GmbH, Gütersloh (ab 1995) Fakten, Informationen zur Energiewirtschaft, Energie-Verlag GmbH, Bonn Fernwärme international. Frankfurt/M., VDEW-Verlag. Feuerungstechnik, Energie und Umwelt. Stuttgart, Kopf Verlag GmbH (ab 1976). Flüssiggas. Mitteilungen des Deutschen Verbandes Flüssiggas e.V., Strobel-Verlag. Fußbodenheizung, Sanitärrohre + Rohrisolierung, FSR. Darmstadt, Verlagsbüro Hamisch Das Gas- und Wasserfach (GWF). München, Oldenbourg Industrieverlag. Gas. München, Oldenbourg-Verlag (seit 1978). Gaswärme International. Essen, Vulkan-Verlag. Gefahrenstoffe – Reinhaltung der Luft, Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf. GI – Gesundheits-Ingenieur. München, Oldenbourg Industrieverlag. Hard and Soft, Industrielle Mikroelektronik, Düsseldorf, VDI-Verlag. HR Haustechnische Rundschau. Berlin, Marhold-Verlag. HLH – Heizung – Lüftung/Klima-Haustechnik. Düsseldorf, VDI-Verlag. Heizungsjournal. 7057 Winnenden/Württ. IKZ-Haustechnik IKZ-Fachplaner. Arnsberg, Strobel-Verlag. Installation dkz. Berlin, G. Siemens Buchhandlung Kachelofen & Kamin. Stuttgart, Gustav Kopf GmbH. Kälte Klima Aktuell. Bertelsmann Fachzeitschriften GmbH, Gütersloh (ab 1982). Kälte- und Klimatechnik. Stuttgart, Gentner-Verlag (ab 10.76). Kälte- und Klima-Fachmann. Stuttgart, Kopf & Co. KG (bis 1981). Ki Klima Kälte Heizung. Karlsruhe, C. F. Müller (ab 4.73). Luft- und Kältetechnik. Berlin, VEB-Verlag Technik. Moderne Gebäudetechnik. Huss-Medien GmbH, Verlag Bauwesen. Neue Deliwa-Zeitschrift. Hannover, Deliwa-Verein. Öl+Gas und Feuerungstechnik. Stuttgart, Kopf & Co. KG (bis 9.76). RAS – Rohr Armatur Sanitär. Düsseldorf, Krammer-Verlag. Rationelle Energieverwendung. Stuttgart, Verlag Bahmann. Automatisierungstechnische Praxis – atp. München, Oldenbourg Industrieverlag. sh-technik. München, Oldenbourg Industrieverlag. Sanitär + Heizungsreport. Düsseldorf, Krammer-Verlag. Sanitär- und Heizungstechnik (früher Sanitäre Technik). Düsseldorf, Krammer-Verlag. SBZ (Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik). Stuttgart, Gentner-Verlag. Sonnenenergie und Wärmepumpen. Sonnenenergie-Verlag, Ebersberg. Sonnenenergie. Gabelsbergerstr. 36, 80333 München 2 (DGS-Organ). Umwelt – Immissionsschutz, Abfall, Gewässerschutz. Düsseldorf, VDI-Verlag. TAB – Technik am Bau (seit 1970). Bertelsmann Fachzeitschriften, Gütersloh. Ab 1975 mit Wkt. Vfdb – Zeitschrift für Forschung, Technik und Management im Brandschutz, Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart. Wärmetechnik. Stuttgart, Gentner-Verlag (früher Öl + Gasfg.) ab 1981. Wlb – Wasser, Luft und Betrieb. Mainz, Vereinigte Fachverlage.

Österreich Der Österreichische Installateur. Hrsg. von der Wiener Innung der Gas-, Wasser- und Zentralheizungsinstallateure. Wien, Canovagasse. Gas, Wasser, Wärme. Hrsg. von der österreichischen Vereinigung für das Gas- und Wasserfach. Wien, Gußhausstraße 30. Heizung–Lüftung–Klimatechnik. Technopress-Verlag, A-1191 Wien, Iglaseegasse 21–23.

DVD 2174

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Schweiz HAUS-TECH (ehemals Haustechnik, SSIV und TemperaturTechnik), SHZ-Forster Fachverlag AG, CH 8700 Küsnacht. Spektrum GT der Gebäudetechnik, Robe Verlag AG, CH-5024 Küttigen/Aarau. Umweltschutz – Gesundheitstechnik. Cicero Verlag AG. CH-8021 Zürich. Heizung–Klima. AT Verlag, CH-5001 Aarau.

Frankreich Chauffage – Ventilation – Conditionnement. Revue de l’Association des Ingenieurs de Chauffage et de Ventilation. 254 Rue de Vaugirard, 75740 Paris. Promoclim. 78 Rue Boissiere, 75116 Paris. Revue Generale de Thermique. 2 Rue des Tanneries, 75013 Paris. Chaud – Froid – Plomberie. 4 Rue Charles-Divry, 75014 Paris. La Revue Generale du Froid. 129 bd Saint-Germain, 75017 Paris. Revue Pratique du Froid et du Conditionnement d’Air, 254 Rue de Vaugirard, 75740 Paris. L’installateur. 108 Av. Ledru-Rollin, Paris 11 th.

Großbritannien The Heating and Ventilating Engieer and Journal of Environment Services. Verlag Technitrade Journals Ltd. 886 High Road, London N 12. Heating Air Conditioning Ventilation Insulation. Verlag J. D. Troup, 90 High Holborn, London W.C. 1. International Journal of Refrigeration. London. The Journal of Refrigeration. Foxlow Publications, 19 Harcourt Str., London W. 1. Heating and Air Conditioning. Verlag Mapon Press, 147 Victoria Str., London S.W. 1. Heating and Air Treatment Engineer. Verl. Princes Press Ltd., 127 Victoria Street, London S.W. 1. Heating and Ventilating Review. Faversham House, 111 St. James’s Road, Croyden, Surrey, CR 9 2 TH Heating & Air Conditioning Journal. Maclean Hunter Lt, 76 Oxford Str., London Journal of the Institution of Heating and Ventilating Engineers. Hrsg. von der Institution. Batiste Publication Ltd., 203-209 Gower London N.W. 1. Refrigeration and Air Conditioning. Refrigeration Press, LTD. Box 109, Croydon CR 9 1QH Steam and Heating Engr., John D. Stout Ltd. 35 Red Lion Square, London W.C. 1. World Refrigeration and Air Conditioning. 140 Cromwell Road, London S.W. 7. Domestic Heating. 30 Old Burlington Str., London W 1 X 2 AE.

Italien Installatore Italiano. Milan, Via Fratelli Bressan 2, I Milano. Il Calore. Via Urbana 167, Rom. Condizionamento dell Aria. Via Flli Bressan 2, 20126 Milano.

Niederlande Verwarming en Ventilatie. Postbus 7272, 2701 AG-Zoetermeer. Klimaatbehersing. Prinses Marielaan 2, Amersfort.

Skandinavien Tidskrift Värme-, Ventilations-, Sanitets- och Kyltechnik. Handverkargatan 8, Stockholm. Skandinavian Refrigeration. Herausgegeben von den kältetechnischen Vereinen in Dänemark, Norwegen, Finnland, Schweden. Sentrum, Oslo 1, Norwegen. LVI. 00120 Helsinki 12. Lönnvotinkatu 22 A 19.

6.5.8 Zeitschriften

2175 DVD

USA Air Conditioning Heating and Refrigeration News. Business News Publ. Co., P.O. Box 2600. Troy, Michigan 48007. Air Conditioning Heating and Refrigeration News. P.O. Box 6000, Birmingham, Michigan 48012. Air Conditioning and Refrigeration Business. Penton Inc. Cleveland, Ohio 614 Superior Av. West. Air Conditioning Heating and Ventilating. Industrial Press, 93 Worth Str., New York 13, N.Y. (Früher Heating and Ventilating). The American Artisan. Keeney Publ. Co., 6 N. Michigan Av., Chicago 2, Ill. ASHRAE-Journal. Offizielle Zeitschrift der ASHRAE. (Früher Refrigerating Engineering). 1791 Tullie Circle NE, Atlanta, Ga. 30329. Contractor. Morgan-Grampian Publ. Co. Berkshire, Pittsfield, Mass. 01201. Domestic Engineering. 1801 Prairie Av., Chicago 16, Ill. Fueloil and Oil Heat. Heating Publ. 2 West 45th Street, New York 36, N.Y. Gas Heat and Comfort Cooling. Heating Publishers, Inc. 2 West 45th Street, New York 36, N.Y. Heating and Air Conditioning Contractor. A. Scott Publ. Corp., 92 Martling Av., Tarrytown, N.Y. Heating Piping Air Conditioning. Reinhold Publishing Co., 233 North Michigan Av., Chicago, Ill. Industrial Heating. Nat. Industrial Publ. Co., 1400 Union Trust Buildg. Pittsburgh 19, Pa. The Journal of Plumbing, Heating and Air Conditioning. Scott-Choate Publ. Corp., 92 Martling Av., Tarrytown, N.Y. Mechanical Contractor. Hrsg. von der Heat. Pip. Air Cond. Contractors Nat. Ass. 30 Rockefeller Plaza, New York 20. Solar Engineering and Contracting. Businews News Publishing Co., Troy, Michigan.

Informationsblätter von Firmen und Instituten Beratungsstelle für Stahlverwertung, Düsseldorf: Bundesvereinigung der Heizungs- und Klimaindustrie, Düsseldorf: Buderus’sche Eisenwerke AG, Wetzlar: Delbag-Luftfilter, Berlin: Danfoss A/S, Nordborg DK: Esso AG, Hamburg: Flamco, Remscheid: Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik, FLT, Frankfurt: Gesellschaft zur Förderung der Heizung und Klimatechnik Gustav Gerdts, Bremen Haus der Technik, Essen: Institut für Bauphysik (Fraunhofer Gesellschaft), Stuttgart: Institut für Bautechnik, Berlin: John u. Co., Achern/Baden: Landis u. Gyr, Zug (Schweiz): LTG Lufttechnische GmbH, Stuttgart: Rheinisch-Westfälische Elektr.-Werk AG: Robatherm, Burgau: Ruhrgas AG, Essen: Samson AG, Frankfurt: Schäfer-Interdomo, Emsdetten: Sulzer AG, Winterthur: Spirax-Sarco, Konstanz:

Merkblätter Therm-Report Buderus-Informationen Staubjournal Danfoss Journal Esso-Magazin Flamkurier Forschungsberichte GFHK-Information Kleiner Wegweiser Technische Mitteilungen Berichte aus der Bauforschung Mitteilungen Joco-Aktuell Mitteilungen Lufttechnische Informationen RWE informiert Robatherm aktuell Haustechnik – Erdgasinformationen Regeltechnische Informationen Report Technische Rundschau Calorie – Technische Mitteilungen

DVD 2176

6. Anhang / 6.5 Bücher und Zeitschriften der Heizungs- und Klimatechnik

Thermo-Apparatebau, Mülheim/Ruhr: Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber: Wärmebodentechnik, Duisburg: Gebr. Trox, Neunkirchen: Viessmann-Werke, Allendorf: Zentra A. Bürkle AG, Schönaich:

TA – Aktuell VGB Kraftwerkstechnik Informationen für San. u. Heizung Technische Informationen Viessmann aktuell Informationen

6.6.1 Technisch-Wissenschaftliche Vereinigungen und Institute

2177 DVD

6.6

Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute

6.6.1

Technisch-Wissenschaftliche Vereinigungen und Institute (s. auch Abschn. 6.6.2)

-1

Deutschland

Abwassertechnische Vereinigung e.V. (ATV) Geschäftsstelle: Markt 71, 53757 St. Augustin Arbeitsgemeinschaft Druckbehälter (AD) Mitglieder: VDMA, Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau, Vereinigung der Großkesselbesitzer u.a. Herausgeber von Richtlinien für Druckbehälter (AD-Merkblätter). Geschäftsstelle: Vereinigung der Technischen Überwachungsvereine, Kurfürstenstraße 56, 45138 Essen. Arbeitsgemeinschaft Fernwärme e.V. (AGFW) Stresemannallee 30, 60596 Frankfurt a.M. Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen (AIF) Geschäftsstelle: Bayenthalgürtel 23, 50968 Köln Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V. (ASUE) Geschäftsstelle: Heidenkampsweg 101, 20097 Hamburg Ausschuß der Ingenieurverbände u. Ingenieurkammern für die Honorarordnung e.V. (AHO) Spandauer Damm 73, 14059 Berlin Ausschuß für Wirtschaftliche Fertigung e.V. (AWF) Aktivitäten: Weiterbildung, Forschungsergebnisse, überbetrieblicher Erfahrungsaustausch für die verarbeitende Industrie Auf der Krautweide 32, 65812 Bad Soden am Taunus Battelle-Institut e.V. Am Römerhof 35, 60486 Frankfurt a.M. Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitssicherheit (BIA) Alte Heerstraße 111, 53754 St. Augustin Bund Deutscher Architekten (BDA) Ippendorfer Allee 14b, 53127 Bonn Bundesfachverband öffentliche Bäder e.V. Geschäftsstelle: Alfredistraße 32, 45127 Essen Bundesverband Solarenergie e.V. (BSE) Geschäftsstelle: Kruppstraße 5, 45128 Essen DDA – Deutscher Dampfkessel-Ausschuß Mitglieder u.a.: Ministerien, TÜV, Hersteller, Betreiber, DNA usw.Geschäftsstelle: Kurfürstenstraße 56, 45138 Essen DELIWA Berufsvereinigung für das Energie- und Wasserfach e.V. Hohenzollernstraße 49, 30161 Hannover Deutscher Arbeitsring für Lärmbekämpfung (DAL) Geschäftsstelle: Frankenstraße 25, 40476 Düsseldorf Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Kennedyallee 40, Postfach 205004, 53175 Bonn Unabhängige Organisation der Deutschen Wissenschaftlichen Institutionen und Forscher. Deutsche Gesellschaft für das Badewesen e.V. Geschäftsstelle: Alfredistraße 32, 45127 Essen Deutsche Gesellschaft für chemisches Apparatewesen (Dechema), Chemische Technik und Biotechnologie e.V. Geschäftsstelle: Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt a.M.

DVD 2178

6. Anhang / 6.6 Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute

Deutsche Gesellschaft für Hygiene und Mikrobiologie (DGHM) Geschäftsstelle: Ratzeburger Allee 160, 23562 Lübeck Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V. (DGS) Geschäftsstelle: Augustenstraße 79, 80333 München Deutsches Kupferinstitut (www.kupferinstitut.de) Auskunfts- und Beratungsstelle für die Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen Am Bonneshof 5, 40474 Düsseldorf Deutsche Montan Technologie (DMT), Institut für Bewetterung und Klimatisierung Geschäftsstelle: Franz-Fischer-Weg 61, 45307 Essen Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV) Pfaffenwaldring 10, 70569 Stuttgart Fünf Arbeitsabteilungen: Arbeitsabteilung I: Kryotechnik und Tieftemperatur-Verfahrenstechnik Arbeitsabteilung II.1: Industrielle Kälteanlagen und Großwärmepumpen Arbeitsabteilung II.2: Gewerbliche Kälteanlagen und Kleinwärmepumpen Arbeitsabteilung III: Kälteanwendung speziell in der Lebensmitteltechnik, Kühlhäuser und Kühltransporte Arbeitsabteilung IV: Klimatechnik und Wärmepumpenanwendung Deutsches Institut für BautechnikKolonnenstraße 30, 10829 Berlin Aufgabe: Einheitliche Bearbeitung bauaufsichtlicher Aufgaben, besonders: Zulassungswesen, Prüfzeichen, Typengenehmigung, Normung u.a. Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN) Unabhängige Organisation zur Aufstellung und Registrierung technischer Normen. Geschäftsstelle: Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin Normenausschüsse (NA): NA Maschinenbau NA Akustik und Schwingungstechnik (FANAK) Unterausschüsse: Grundsätzliche Fragen, Lautstärke von Geräuschmessungen, Mechanische Schwingungen, Ultraschall, Lüftungstechnische Anlagen und GeräteNA Kältetechnik Geschäftsstelle: Kamekestraße 2/8, 50672 Köln. Arbeitsausschüsse AA: Terminologie, Klimageräte und Wärmepumpen, Rohrleitungen, Kälteapparate u.a. NA Rohre, Rohrverbindungen und Rohrleitungen NA Dampfkessel und DruckbehälterNA Eisen-, Blech- und Metallwaren NA ErgonomieNA Regel- und Sicherheitseinrichtungen für Gas- und Ölfeuerungen NA Bauwesen (FNBau) NA Gastechnik NA Luftreinhaltung NA Heiz- und Raumlufttechnik NHRS Geschäftsstelle: Burggrafenstraße 4–7, 10787 Berlin NA Heiz-, Koch- und Wärmegeräte (Hauswärme) Geschäftsstelle: Am Hauptbahnhof 10, 60329 Frankfurt a.M. Ausschuß Regel- und Sicherheitseinrichtungen für Gas- und Ölfeuerungen Ausschuß für Einheiten und Formelgrößen (AEF) Ausschuß für Lieferbedingungen und Gütesicherung (RAL) beim DNA. Fördert den Gütegedanken durch freiwillige Vereinbarungen über Warenbezeichnungen und technische Lieferbedingungen. Deutscher Verband Technisch-Wissenschaftlicher Vereine Geschäftsstelle: Graf-Recke-Straße 84, 40239 Düsseldorf Deutscher Verdingungsausschuß für Bauleistungen (DVA) Vereinigung aller am Bauwesen interessierten Kreise, insbesondere Ministerien, öffentliche Verwaltungen, Wirtschafts- und Berufsverbände, die gemeinsam die VOB (Verdingungsordnung für Bauleistungen) bearbeitet. Geschäftsstelle: Im BMBau, Deichmannsaue, 53179 Bonn DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. Technisch-wissenschaftliche Vereinigung

6.6.1 Technisch-Wissenschaftliche Vereinigungen und Institute

2179 DVD

Geschäftsstelle: Hauptstraße 71–79, Postfach 5240, 65760 Eschborn 11 Landesgruppen Fachinstitut Gebäude-Klima e.V. (FGK) Dt. Stelle des Air Infiltration and Ventilation Centre AIVC Danziger Straße 20, 74321 Bietigheim-Bissingen Fernwärme-Forschungsinstitut in Hannover e.V. Max-von-Laue-Straße 23, 30966 Hemmingen FIGAWA – Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach e.V. Geschäftsstelle: Marienburger Straße 15, 51145 Köln Fördergesellschaft Technischer Ausbau e.V. (FTA) Geschäftsstelle: Alte Bahnhofstraße 18, 53173 Bonn Forschungsgemeinschaft Bauen und Wohnen Geschäftsstelle: Silberburgstraße 160, 70178 Stuttgart Forschungsgesellschaft Blechverarbeitung e.V. Welfengarten 1A, 30167 Hannover Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V. (FIW) Lochhamer Schlag 4, 82166 Gräfelfing Forschungsstelle für EnergiewirtschaftAm Blütenanger 71, 80995 München Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik e.V. (FLT) Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt a.M. Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik (FLT) Geschäftsstelle: Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt a.M. Fraunhofer-Institut für Bauphysik Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart Gaswärme-Institut e.V. Hafenstraße 101, 45356 Essen Gesellschaft für rationelle Energieverwendung e.V. Geschäftsstelle: Theodor-Heuss-Platz 7, 14052 Berlin Gesundheitstechnische Gesellschaft (GG) Geschäftsstelle: Alt-Marienfelde 12d, 12277 Berlin Haus der Technik e.V.Hollestraße 1, 45127 Essen Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVBG) Geschäftsstelle: Alte Heerstraße 111, 53757 Sankt Augustin Hermann-Föttinger-Institut für Thermo- und Fluiddynamik der TU Berlin Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin Hermann-Rietschel-Institut für Heizungs- und Klimatechnik TU Berlin, Marchstraße 4, 10587 Berlin Institut für Bauforschung e.V. An der Markuskirche 1, 30163 Hannover Institut für gewerbliche Wasserwirtschaft und Luftreinhaltung e.V. (IWL) Unter Buschweg 160, 50999 Köln Institut für Technische Thermodynamik (ITT) der Deutschen Forschungsanstalt für Luftund Raumfahrt e.V. (DLR) Pfaffenwaldring 38–40, 70569 Stuttgart Institut für wirtschaftliche Ölheizung (IWO) e.V. Süderstraße 73a, 20097 Hamburg Max-Planck-Institut für Strömungsforschung Bunsenstraße 10, 37073 Göttingen Rationalisierungskuratorium der Deutschen Wirtschaft e.V. (RKW) Düsseldorfer Straße 40, Postfach 5867, 65760 Eschborn RKW-Landesgruppen in allen Bundesländern. Rationalisierungshilfe vor allem für industrielle Klein- und Mittelbetriebe durch Information, Beratung, Weiterbildung für alle Unternehmensbereiche Verband Deutscher Kälte-Klima-Fachleute e.V., München (VDKF) Geschäftsstelle: Esslinger Straße 80, 70736 Fellbach

DVD 2180

6. Anhang / 6.6 Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute

Verband für Arbeitsstudien e.V. (Refa) Schriften: Refa-Buch, Refa-Mappen, Refa-Formblätter, Refa-Nachrichten. Geschäftsstelle: Wittichstraße 2, 64295 Darmstadt Verein Deutscher Ingenieure (VDI) Geschäftsstelle: Graf-Recke-Straße 84, 40239 Düsseldorf 38 Bezirksvereine im Bundesgebiet und in Berlin 16 Fachgruppen und Fachgesellschaften u.a.: Energietechnik (GET) Konstruktion und Entwicklung Produktionstechnik (ADB) Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC) Meß- und Regelungstechnik (VDI-VDE) Lärmminderung Reinhaltung der LuftBautechnik Technische Gebäudeausrüstung (TGA) mit 31 Arbeitskreisen Fachbereiche: Energieversorgung, Heizung, Fernwärme, Klimatechnik, Sanitärtechnik, Entsorgung (Abwasser, Müll u.a.) sowie angrenzende Gebiete. Fachausschuß: Beratende Ingenieure Verein für Wasser-, Boden- und Lufthygiene e.V. Geschäftsstelle: Corrensplatz 1, 14195 Berlin Technische Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber e.V. – VGB Geschäftsstelle: Klinkestraße 27/31, 45136 Essen Verband der Technischen Überwachungs-Vereine e.V. mit 14 Mitgliedsvereinen. Geschäftsstelle: Kurfürstenstraße 56, 45138 Essen

-2

Ausland

Belgien Association Technique de l’Industrie du Chauffage, de la Ventilation et des Branches Connexes (ATIC)41, rue Brogniez, 1070 Bruxelles

Dänemark Ingeniør-Sammenslutning, Gruppe Heizung und Ventilation, Kopenhagen Ved Stranden 18, 1061 København K Laboratoriet for Varme og Klimateknik Danmarks Tekniske Højskole, Bygning 402, DK 2800 Lyngby Leiter: Prof. P. O. Fanger Statens Byggeforskningsinstitut (Bauforschung) Borgergade 20, Kopenhagen K.

Frankreich Association des Ingenieurs de Chauffage et Ventilation de France 66 Rue de Rome, 75008 Paris Centre Technique des Industries Aerauliques et Thermiques (Cetiat) Plateau du moulon, BP 19 91402 Orsay Cedex Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques (C.E.T.I.A.T.) Plateau du moulon, BP19 91402 Orsay, Cedex Comité scientifique et technique des installateurs de chauffage et de conditionnement de l’air (Co.S.T.I.C.) 9 Rue La Pérouse, 75784 Paris Cedex 16 Institut Technique du Bâtiments et des Travaux Publics 6 Rue Paul Valéry, Paris XVIe Institut Technique du Bâtiment et des Travaux Publics 9 Rue La Pérouse, 75784 Paris Cedex 16

6.6.1 Technisch-Wissenschaftliche Vereinigungen und Institute

2181 DVD

Großbritannien Air Infiltration an Ventilation Centre (AIVC) Old Bracknell Lane West, Bracknell, Berkshire RG 12 4AH Building Services Research and Information Association Old Bracknell Lane, Bracknell, Berkshire Building Services Research and Information Association Old Bracknell Lane West, Bracknell Berkshire RG12AAH Chartered Institution of Building Services 222 Balham High Road, London SW12 9BS. Department of Scientific and Industrial Research State House, High Holborn, London, W.C. 1

Italien Associazione Termotecnica Italiana (ATI), Mailand, Via Marona 15

Japan Society of Heating, Air Conditioning and Sanitary Engineers of Japan 1-8-1 Kitashinjuku, Shinjuku-ku, Tokio, Japan

Niederlande Forschungsinstitut für Umwelthygiene (TNO) Schoemakerstraat 97, Delft Ned. Technische Vereniging voor Verwarming en Luchtbehandeling (TVVL) Prinses Julianaplein 1a, 3811 NM Amersfoort ISSO Instituut voor Studie en Stimulering van Onderzoek op het gebied van gebouwinstallaties, postbus 20740, 3001 JA Rotterdam, Weena 740

Österreich Bundes-Ingenieurkammer Karlsgasse 9/2, A-1040 Wien Österreichisches Normungsinstitut Postfach 130, A-1021 Wien 2

Schweden VVS-Tekniska Föreningen Norrthullsgatan 6, S-11329 Stockholm

Schweiz Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) CH-8600 Dübendorf Institut für Energietechnik Laboratorium für Energiesysteme Sonneggstraße 3, ETH-Zentrum, CH-8092 Zürich Institut für Hochbautechnik (Abteilung Bauphysik) Hönggerberg, ETH-Zentrum, CH-8093 Zürich Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie Clausiusstraße 21, ETH-Zentrum, CH-8092 Zürich Institut für Meß- und Regeltechnik Sonneggstr. 3, ETH-Zentrum, CH-8092 Zürich Institut für Verfahrens- und Kältetechnik Sonneggstr. 3, ETH-Zentrum, CH-8092 Zürich Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein (SIA) Selnaustraße 16, CH-8039 Zürich

DVD 2182

6. Anhang / 6.6 Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute

Schweizerischer Technischer Verband (STV) Weinbergstraße 41, CH-8006 Zürich Schweizerischer Verein von Wärme- und Klimaingenieuren (SWKI) Postfach 8254, Effingerstraße 31, CH-3001 Bern Schweizerischer Verein für Kältetechnik c/o ETH Sonneggstraße 3, ETH-Zentrum, CH-8092 Zürich Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches (SVGW) Grütlistraße 44, Postfach 658, CH-8027 Zürich Schweizerisches Informationszentrum der Luft- und Klimatechnik Kappelerstraße 14, CH-8022 Zürich Vereinigung Schweizerischer Heizungs- und Klimatechniker (SHKT) Postfach 969, CH-8034 Zürich

USA Am. Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) 1791 Tullic Circle N.E., Atlanta, Ga 30329 American Industrial Hygiene Association 475 Wolf Ledges Pkwy, Akron, OH 44311-1087 American National Standards Institute (ANSI) 1430 Broadway, New York, N.Y. 10018 Air Filter Institute (AFI) Box 85, Station E, Louisville, Ky Air Conditioning and Refrigeration Institute (ARI) 1501 Wilson Blvd, Arlington, VA 22209

6.6.2

Wirtschaftliche Vereinigungen und Verbände (s. auch Abschn. 6.6.1)

-1

Deutschland

Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. (BDI) Arbeitsgemeinschaft der industriellen Wirtschaftsverbände, Köln Geschäftsstelle: Gustav-Heinemann-Ufer 84/88, 50968 Köln Angeschlossene Verbände u.a.: Wirtschaftsverband Eisen-, Blech- und Metall verarbeitende Industrie e.V. (EBM) Kaiserswerther Straße 135, 40474 Düsseldorf Fachverbände: Fachverband Stahlblechverarbeitung, Hochstraße 113, 58095 Hagen Fachgruppe Stahlheizkörper Fachgruppe Stahlheizkessel Zentralvereinigung Heizungskomponenten (ZVH) HKI Industrieverband, Haus-, Heiz- und Küchentechnik e.V. Geschäftsstelle: Am Hauptbahnhof 10, 60329 Frankfurt a.M. mit den Fachverbänden: Heiz- und Kochgeräte Gaswärmetechnik Großkücheneinrichtungen Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) Kaiserswerther Straße 135, 40474 Düsseldorf Bundesverband Flächenheizungen e.V. (bvf) Geschäftsstelle: Hochstraße 113, 58095 Hagen Bundesverband der deutschen Gas- und Wasserwirtschaft e.V. (BGW) Geschäftsstelle: Josef-Wirmer-Straße 1, 53123 Bonn Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e.V. (BDH) Geschäftsstelle: Kaiserswertherstraße 135, 40474 Düsseldorf Fachverband Heizkessel und Heizkörper

6.6.2 Wirtschaftliche Vereinigungen und Verbände

2183 DVD

Bundesindustrieverband Heizung–Klima–Sanitärtechnik e.V. (BHKS) mit 13 Landesverbänden Geschäftsstelle: Weberstraße 33, 53113 Bonn Ausschüsse: Technik, Öffentlichkeit, Tarif- und Sozialpolitik, Wirtschaft, Berufsbildung, Recht Bundesverband Energie–Umwelt–Feuerungen e.V. (BVOG) Birkenwaldstraße 163, 70191 Stuttgart Bundesverband Behälterschutz e.V. (BBS) Geschäftsstelle: Endinger Straße 11, 79106 Freiburg i.Br. Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks – Zentralinnungsverband (ZIV) Geschäftsstelle: Westerwaldstraße 6, 53757 St. Augustin Bundesverband Schwimmbad-, Sauna- und Wassertechnik e.V. (BSSW) Geschäftsstelle: Borsigallee 18, 60388 Frankfurt a.M. Deutsche Energiegesellschaft e.V. (DEG)Würmtalstraße 14, 81375 München Deutscher Fachverband Solarenergie e.V., Freiburg Deutscher Großhandelsverband Haustechnik e.V. Sanitär–Heizung–Lüftung–Klima Viktoriastr. 27, 53173 Bonn EUROVENT – Europäisches Komitee der Hersteller von lufttechnischen und TrocknungsAnlagen Generalsekretariat: Fabrimetal, 21, rue de Drapiers, B-1050 Bruxelles Dt. Geschäftsstelle: VDMA, FG ALT, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt a.M. Fachverband Kathodischer Korrosionsschutz e.V. Geschäftsstelle: Jakobstraße 49, 73734 Esslingen Gesellschaft zur Förderung der Heizungs- und Klimatechnik (GFHK) Geschäftsstelle: Verbindungsstraße 15–19, 40723 Hilden Gesellschaft für rationelle Energieverwendung Geschäftsstelle: Theodor-Heuss-Platz 7, 14052 Berlin Gütegemeinschaft Flächenheizung (GGF) Geschäftsstelle: Bebenhäuserhofstraße 10, 72764 Reutlingen Gütegemeinschaft Kunststoffrohre e.V. Geschäftsstelle: Dyroffstraße 2, 53113 Bonn Gütegemeinschaft Kupferrohre e.V. Geschäftsstelle: Tersteegenstraße 28, 40474 Düsseldorf Gütegemeinschaft Leckanzeigegeräte und Sicherheitseinrichtungen e.V. Geschäftsstelle: Hartungstraße 12, 20146 Hamburg Gütegemeinschaft Schalldämpfer e.V. Geschäftsstelle: Heinestraße 169, 70597 Stuttgart Gütegemeinschaft Standortgefertigte Tanks e.V. Geschäftsstelle: Heinestraße 169, 70597 Stuttgart Gütegemeinschaft Tankschutz e.V. (GT) Geschäftsstelle: Endinger Straße 11, 79106 Freiburg i.B. Gütegemeinschaft Unterirdische und Oberirdische Lagerbehälter e.V. Geschäftsstelle: Fahrenbecke 18c, 58097 Hagen i.W. Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung – HEA Geschäftsstelle: Am Hauptbahnhof 12, 60329 Frankfurt a.M. Technische Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber – VGB Geschäftsstelle: Klinkestraße 27/31, 45136 Essen Verband Deutscher Kälte-Klima-Fachbetriebe e.V. Geschäftsstelle: Bahnhofstraße 27, 53721 Siegburg Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) Geschäftsstelle: Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt a.M. Zehn Landesgruppen und 30 Fachgemeinschaften, u.a.: Pumpen; Heizungs-, Klima- u. Gebäudeautomation; Apparatebau; Kraftmaschinen; Allgemeine Lufttechnik (mit 5 Fachabteilungen: Kältetechnik; Klima- und Lüftungstechnik; Luft- und Entstaubungstechnik; Trocknungstechnik; Oberflächentechnik)

DVD 2184

6. Anhang / 6.6 Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute

Verband Beratender Ingenieure e.V. (VBI) Geschäftsstelle: Postfach 201352, 53143 Bonn VDS Schadenverhütung GmbH im Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V., Amsterdamer Straße 174, 50735 Köln Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke VDEW e.V. Geschäftsstelle: Stresemannallee 23, 60596 Frankfurt a.M. Arbeitsgemeinschaft „Fernwärme“ (AGFW) mit ca. 60 Mitgliedern Vereinigung der deutschen Zentralheizungswirtschaft (VdZ) Geschäftsstelle: Kaiserswerther Straße 135, 40474 Düsseldorf Vereinigung Industrielle Kraftwirtschaft e.V. (VIK) Geschäftsstelle: Richard-Wagner-Straße 41, 45128 Essen Zentralverband des Deutschen Handwerks (ZDH) Geschäftsstelle: Johanniterstraße 1, 53113 Bonn Zentralverband Sanitär–Heizung–Klima mit siebzehn Landesverbänden (ZVSHK) 5 Handwerksbereiche, darunter Zentralheizungs- und Lüftungsbauer, Gas- und Wasserinstallateur Kachelöfen- und Luftheizungsbauer Geschäftsstelle: Rathausallee 6, 53757 St. Augustin

-2

Ausland

Europa CECOMAF Europäisches Komitee der Hersteller von kältetechnischen Erzeugnissen Secrétariat Général: 21, rue des Drapiers, B-1050 Bruxelles

Belgien FABRIMETAL Fédération des enterprises de l’industrie des fabrications metalliques, Group. 9 21, rue des Drapiers, B-1050 Bruxelles Union Belge des Installateurs en Chauffage Central, Ventilation et Tuyauteries (UBIC) 41, rue Brogniez, B-1070 Bruxelles

Dänemark Foreningen af Ventilationsfirmaer Nørre Voldgade 34 1358 København K

Finnland Federation of Finnish Metal and Engineering Industries Eteläranta 10, 00130 Helsinki 13 The association of Finnish Manufacturers of Air Handling Equipment Eteläranta 10, 00130-SF Helsinki

Frankreich Union climatique de France 9 Rue La Pérouse, 75784 Paris Cedex 16 Union Syndicale des Constructeurs de Materiel aeraulique, thermique, thermodynamique et frigorifique (UNICLIMA) 10 Av. Hoche, 75382 Paris Cedex 08 Chambre Syndicale des Entreprises engenie climatique de la région de Paris 10 rue de Débarcadàre, 78852 Paris Cedex 17

Großbritannien Heating and Ventilating Contractors Association 34 Palace Road, London WL4JG

6.6.2 Wirtschaftliche Vereinigungen und Verbände

2185 DVD

Fan Manufacturers Association Sterling House, 6 Furlong Road, Bourne End, Bucks SL8 5DG HEVAC Heating, Ventilating & Airconditioning Manufacturers Association Sterling House, 6 Furlong Road, Bourne End, Bucks SL8 5DG

Italien ANIMA, Associazione Nazionale Industria Meccanica Varia ed Affine Piazza Diaz 2, 20123 Milano Associazione Nazionale Installatori. Mailand, Via Bigli 15, piano III ASSISTAL, Assoz. Nazionale Installatori di Impianti e di Ventilazione, Via Giorgio Jan 5, 20129 Miland AICARR, Assoz. Italiana Conditionamente Aria Riscaldamento Refrigerazione, Via Sardegna 32, 20146 Milano

Niederlande Vereniging van Nederlandse Installatiebedrijven (VNI) Postbus 7272, 2701 AG-Zoetermeer Vereniging Fabrieken van Luchttechnische Apparaten (VLA) Bredewater 20, Postbus 190 2700 AD Zoetermeer Verein direkt-beheizter Luftheizgeräte (VdL) Wassenaarseweg 80, Den Haag, Postbus 90606

Norwegen Norsk Ventilasjon og Energiteknisk Forening, NVEF Kongensgt 4, 0104 Oslo 1

Österreich Vereinigung österreichischer Kessellieferanten Wiedner Hauptstraße 63, A-1045 Wien 4 Verband Zentralheizungs- und Lüftungsbau im Fachverband der Maschinen- und Stahlbauindustrie Österreiches Wiedner Hauptstraße 63, A-1045 Wien 4 Fachgemeinschaft Lufttechnik Umweltschutz Energieoptimierung (FLUE) Donaustraße 104/3, A-2344 Maria Enzersdorf

Schweden Föreningen Ventilation-Klimat-Miljö P.Box 5506, S-11485 Stockholm Rörfirmornas Riksfirbund Norrtullsgatan 6, S-11329 Stockholm

Schweiz Schweizerischer Spenglermeister- und Installateur-Verband (SSIV) Auf der Mauer 11, CH-8001 Zürich Schweizerischer Verband für Wärmeverbrauchsmessung (SVW) Postfach 155, CH-8034 Zürich Vereinigung der Kessel- und Radiatoren-Werke (KRW) und Verband Schweizerischer Heizkörper-Werke (VSHW) Obstgartenstr. 19, Postfach 7190, CH-8023 Zürich Schweizerische Normen-Vereinigung (SNV) und Verein Schweizerischer MaschinenIndustrieller (VSM) Kirchenweg 4, CH-8032 Zürich Vereinigung Schweizerischer Heizungs- und Klimatechniker (SHKT) Postfach 969, CH-8034 Zürich

DVD 2186

6. Anhang / 6.6 Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute

Verband Schweizerischer Oel- und Gasbrennerfabrikanten (VSO) Stampfenbachstr. 73, CH-8035 Zürich

Spanien AFEC, Asociación de fabricantes de equipos de climatización, Fco. Silvela, 69, 28028 Madrid.

USA American Boiler Manufacturers Association (AMBA) 950 N, Glebe Rd, VA 22203 Cooling Tower Institute (CTI) P.O. Box 73383, Houston Tx 77037 Mechanical Contractors Association of America (MCAA) 5530 Wisconsin Ave. Cherry Chase, MD 20815 American Gas Association (AGA) 1515 Wilson Blvd, Arlington, VA 22209 International District Heating Association 1735 Eye Str. NW. Washington D.C. 20006 Sheet Metal and Air Conditioning Contractors National Association 8224 Old Courthouse Rd. Vienna, VA 22180 Air Movement and Control Association (AMCA) 30 W. Universitiy Dr., Arlington Heights, IL. 60004

6.6.3

Staatliche, kommunale und internationale Institutionen

Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV) Geschäftsstelle: 53179 Bonn-Bad Godesberg, Bundesministerium für Bauwesen Vorsitzender: Dr. L. Siebert Bauministerkonferenz (ARGEBAU) – Konferenz der für Städtebau, Bau- und Wohnungswesen zuständigen Minister und Senatoren der Länder Geschäftsstelle: Hiroshimastraße 12–16, 11056 Berlin Bundesanstalt für Materialprüfung (BAM) Unter den Eichen 86/87, 12205 Berlin Bundesgesundheitsamt – Institut für Wasser-, Boden- und Lufthygiene Forschungsstätte für allgemeine Hygiene und Gesundheitstechnik Corrensplatz 1, 14195 Berlin Bundesinstitut für Arbeitsschutz und Unfallforschung Vogelpothsweg 50/52, 44149 Dortmund Comité Européen des Constructeurs de Matériel frigorifique CECOMAF Europäisches Komitee der Hersteller von kältetechnischen Erzeugnissen Am Hauptbahnhof 12, 60329 Frankfurt a.M. Comité Européen des Fabricants de Chauffage et de Cuisine Domestiques (CEFACD) Deutsche Geschäftsstelle: Am Hauptbahnhof 10, 60329 Frankfurt a.M. Deutsche Akademie für Städtebau und Landesplanung Geschäftsstelle: Kaiserplatz 4, 80803 München Deutsche Forschungsgemeinschaft Geschäftsstelle: Kennedyallee 40, 53175 Bonn Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Linder Höhe, 51147 Köln Deutscher Städtetag Geschäftsstelle: Lindenallee 13/17, 50968 Köln Europäisches Komitee für Normung (CEN) EG-einheitliche Normen für den gemeinsamen Markt und EFTA-Länder ab 1992

6.6.3 Staatliche, kommunale und internationale Institutionen

2187 DVD

werden durch Techn. Komitees (TC) und Arbeitsgruppen (WG) erstellt. Generalsekretariat Rue Bréderode 2, B-1000 Bruxelles Arbeitsgruppen u.a.: TC 47 Ölzerstäubungsbrenner TC 48 Gasbeheizte Brauchwasserbereitungsgeräte TC 57 Heizungskessel TC 58 Sicherheits- und Regeleinrichtungen für Gasbrenner TC 62 Gasbefeuerte Raumheizgeräte TC 89 Wärmeschutz von Gebäuden und Bauteilen TC 105 Heizkörper-Armaturen und Fittings TC 109 Zentralheizungskessel für gasförmige Brennstoffe TC 110 Wärmeaustauscher TC 113 Wärmepumpen TC 126 Schallschutz TC 130 Raumheizkörper TC 131 Gasbrenner mit Gebläse TC 133 Fenster TC 156 Lüftung von Gebäuden WG1: Terminologie 2: Wohnungsbelüftung 3: Luftleitungen 4: Terminal-Geräte, Luftdurchlässe In Vorbereitung: TC 20 Schornsteine TC 21 Intelligente Bauwerke TC 22 Heizkostenverteiler TC 23 Wärmemengenzahler für Warmwasser TC 195 Luftfilter für Lüftungszwecke Eurovent Europäisches Komitee der Hersteller von Lufttechnischen und Trocknungs-Anlagen. Geschäftsstelle: c/o CETIAT, B.P. 19, F91402 Orsay Cedex Präsident: H. Gion, Belgien 13 nationale Mitgliederverbände. Technische Kommission mit folgenden Arbeitsgruppen: Terminologie Klimageräte und -anlagen Ventilatoren Wärmeaustauscher Luftverteilung Kühltürme Trockner Geräuschmessung Entstauber und Filter Wärmerückgewinnung Luftheizer Fédération Européenne d’Associations Nationales d’Ingenieurs (FEANI) 177 Boulevard Malesherbes, Paris XVIIe. Deutsche Geschäftsstelle: VDI, Graf-Recke-Straße 84, 40239 Düsseldorf Génic Climatique International (GCI) Internationale Union der Vereinigungen der Installationsunternehmungen in den Bereichen Heizung, Lüftung und Luftklimatisierung, Paris Deutsche Geschäftsstelle: BHKS Bonn Internationale Konföderation der Kälte- und Klimainstallateure (CIFCA) Geschäftsstelle: ESCA House 34 Palace Court Bayswater London W2 4JG Internationales Kälteinstitut (IKI) 177 Boulevard Malesherbes, 75017 Paris International Organisation for Standardisation (ISO) Deutsche Geschäftsstelle: DIN. Normblätter siehe Abschnitt 6.2 s. S. 2145 Mitglieder sind die Normungsausschüsse der einzelnen Länder, für Deutschland das DIN. Die technische Arbeit wird durch ISO-Comitees (TC = Technical Committee) geleistet, die sich wieder in Untercomitees (SC = Subcommittee) und Arbeitsgruppen (WC = Working Group) gliedern.

DVD 2188 ISO/TC ISO/TC ISO/TC ISO/TC ISO/TC ISO/TC

6. Anhang / 6.6 Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute 43 86 105 109 110 116 SC1 SC2 SC3 SC4 SC5

Akustik Kältetechnik mit 5 SC Thermostatische Heizkörperventile Ölbrenner Wärmeaustauscher Raumheizgeräte Terminologie Heizkessel Einzelheizgeräte Heizgeräte ohne Verbrennung Warmlufterzeuger

ISO/TC 117 Ventilatoren ISO/TC 180 Sonnenheizung ISO/TC 125 Normen für Prüfräume ISO/TC 142 Entstaub ISO/TC 144 Luftverteilungssysteme ISO/TC 146 Luftbeschaffenheit

Internationale Union der Fachverbände für Heizung, Lüftung und Klimatechnik, Paris (Union Internationale des Associations d’Installateurs de Chauffage Ventilation et Conditionnement d’Air). 9 Rue La Pérouse, Paris (16).10 nationale Mitglieder Internationale Vereinigung des Sanitär- und Heizungsgroßhandels (FEST) Marco d’Avianogasse 1, A-1010 Wien International Solar Energie Society (ISES) Dt. Sektion Augustenstraße 79, 80333 München Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Bundesallee 100, 38166 Braunschweig Representatives of European Heating and Ventilating Associations (REHVA) Deutsche Geschäftsstelle: Graf-Recke-Straße 84, 40239 Düsseldorf Ingenieurhaus Unichal Union Internationale des Distributeurs de Chaleur. Internationaler Verband der Fernwärmeversorger. Geschäftsstelle: Bahnhofplatz 3, CH-8023 Zürich/Schweiz.

6.6.4 -1

Lehranstalten Technische Hochschulen und Universitäten sowie Gesamthochschulen1)2)

Fachgebiete: Architektur (A), Bauingenieurwesen (B), Maschinenbau (M) u.a. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Fachgebiete A, B, M Templergraben 55, 52052 Aachen Technische Universität Berlin, Fachgebiete A, B, M Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin Hochschule der Künste Berlin, Fachgebiet A Ernst-Reuter-Platz 10, 10587 Berlin Ruhr-Uni-Bochum, Fachgebiete A, B, M Universitätsstraße 150, 44780 Bochum Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Fachgebiete A, B, M Pockelsstraße 14, 38106 Braunschweig Technische Universität Chemnitz-Zwickau, Fachgebiet M Straße der Nationen 62, 09111Chemnitz Technische Universität Clausthal, Fachgebiet M Adolph-Roemer-Straße 2a, 38678 Clausthal-Zellerfeld 2A Technische Universität Cottbus, Fachgebiete A, B, M Karl-Marx-Straße 17, 03044 Cottbus

1) 2)

Deutscher Hochschulführer, Raabe-Verlag, Bonn. Handbuch der Universitäten und Fachhochschulen Deutschlands, Österreichs, der Schweiz mit Registern zu den Hochschulleitern, Professoren und Sachgebieten, K.G. Saur Verlag, München.

6.6.4 Lehranstalten Technische Universität Darmstadt, Fachgebiete A, B, M Karolinenplatz 5, 64289 Darmstadt Universität Dortmund, Fachgebiete A, B, M August-Schmidt-Straße 4, 44227 Dortmund Technische Universität Dresden, Fachgebiete A, B, M Mommsenstraße 13, 01069 Dresden Universität Gesamthochschule Essen, Fachgebiet B, M Universitätsstraße 2, 45141 Essen TU Bergakademie Freiberg, Fachgebiet M Akademiestraße 6, 09599 Freiberg Technische Universität Hamburg-Harburg, Fachgebiet B Denickestraße 22, 21073 Hamburg Universität der Bundeswehr Hamburg, Fachgebiet M Holstenhofweg 85, 22043 Hamburg Hochschule für Bildende Künste Hamburg, Fachgebiete A Lerchenfeld 2, 22081 Hamburg Universität Hannover, Fachgebiete A, B, M Welfengarten 1, 30167 Hannover Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet M Max-Planck-Ring 14, 98693 Ilmenau Universität Kaiserslautern, Fachgebiete A, B, M Erwin-Schrödinger-Straße, 67663 Kaiserslautern Universität Fridericiana zu Karlsruhe (T.H.), Fachgebiete A, B, M Kaiserstraße 12, 76128 Karlsruhe Universität Gesamthochschule Kassel, Fachgebiete A, B, M Mönchebergstraße 19, 34109 Kassel Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fachgebiet M Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg Technische Universität München, Fachgebiete A, B, M Arcisstraße 21, 80333 München Universität-Gesamthochschule Paderborn, Fachgebiet M Warburger Straße 100, 33098 Paderborn Universität Rostock Universitätsplatz 1, 18051 Rostock Universität-Gesamthochschule Siegen, Fachgebiet M Herrengarten 3, 57068 Siegen Universität Stuttgart, Fachgebiet A, B, M Keplerstraße 7, 70191 Stuttgart Staatl. Akademie d. Bildenden Künste Stuttgart, Fachgebiet A Am Weißenhof 1, 70191 Stuttgart Bauhaus-Universität Weimar, Fachgebiete A, B Geschwister-Scholl-Straße 8, 99421 Weimar

-2

Fachhochschulen1)

Fachgebiete: Heizung, Klimatechnik, Gas, Wasser, Versorgung, Umweltschutz u.ä. Technische Fachhochschule Berlin Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin Fachhochschule Biberach Karlstraße 11, 88400 Biberach an der Riß Fachhochschule Rheinland-Pfalz, Abteilung Bingen Rochusallee 4, 55411 Bingen

1)

Deutscher Hochschulführer, Bonn, Raabe-Verlag, 1994.

2189 DVD

DVD 2190

6. Anhang / 6.6 Vereinigungen, Verbände, Schulen und Institute

Hochschule Bremerhaven An der Karlstadt 8, 27568 Bremerhaven Fachhochschule Erfurt Altonaer Straße 25a, 99085 Erfurt Fachhochschule Esslingen – Hochschule für Technik Kanalstraße 33, 73728 Esslingen a. Neckar Fachhochschule Gelsenkirchen Neidenburger Straße 10, 45897 Gelsenkirchen Fachhochschule Gießen-Friedberg Wiesenstraße 14, 35390 Gießen Fachhochschule Heilbronn, Hochschule für Technik und Wirtschaft Max-Planck-Straße 39, 74081 Heilbronn Märkische Fachhochschule Frauenstuhlweg 31, 58644 Iserlohn Fachhochschule Karlsruhe Moltkestraße 30, 76133 Karlsruhe Fachhochschule Köln Claudiusstraße 1, 50678 Köln Fachhochschule Anhalt, Abteilung Köthen Bernburger Straße 52–57, 06366 Köthen Fachhochschule Magdeburg Breitscheidtstraße 2, 39114 Magdeburg Fachhochschule Mannheim – Hochschule für Technik und Gestaltung, Windeckstraße 110, 68163 Mannheim Fachhochschule München Lothstraße 34, 80335 München Fachhochschule Offenburg, Hochschule für Technik und Wirtschaft Badstraße 24, 77652 Offenburg Fachhochschule Münster-Steinfurt Stegerwaldstraße 39, 48565 Steinfurt Fachhochschule Trier Schneidershof, 54293 Trier Technische Fachhochschule Wildau Friedrich-Engels-Straße 63, 15745 Wildau Fachhochschule Braunschweig-Wolfenbüttel Salzdahlumer Straße 46–48, 38302 Wolfenbüttel Hochschule für Technik, Wirtschaft und Sozialwesen (FH) Zittau/Görlitz Theodor-Körner-Allee 16, 02763 Zittau Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) Dr.-Friedrichs-Ring 2A, 08056 Zwickau Österreich Fachhochschule Pinkafeld Steinamangerstraße 21, A-7423 Pinkafeld Schweiz Hochschule Luzern, Technik+Architektur Zentralstraße 9, CH-6002 Luzern Abteilung Gebäudetechnik

-3

Technikerschulen

Fachschule für Technik Elmendorfer Straße 59, 26160 Bad Zwischenahn/Rostrup Fachrichtung: Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik Fachschule für Technik Erasmus-Kittler-Schule Mornewegstraße 20, 64293 Darmstadt Fachrichtung: Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Sanitärtechnik

6.6.4 Lehranstalten

2191 DVD

Städtische Franz-Jürgens-Kollegschule Färberstraße 34, 40223 Düsseldorf Heizungs-, Lüftungs- und Sanitärtechnik (Erwachsenenbildung) Fachschule für Technik der Stadt Essen Schwanenkampstraße 53, 45127 Essen Abteilung: Heizungs-, Lüftungs- und Sanitärtechnik Bundesfachschule für Sanitär- und Heizungstechnik (BUFA) Bertholdstraße 1, 76131 Karlsruhe Bundesfachschule für Kälte-Klima-Technik Bruno-Dreßler-Str. 14, 63477 Maintal Fachschule für Technik Mönchengladbach-Rheydt Mülgaustraße 361, 41238 Mönchengladbach Fachrichtung: Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik Fachschule für Technik Hans-Sachs-Berufskolleg Am Förderturm 5, 46049 Oberhausen Fachrichtungen: Maschinentechnik, Bautechnik, Elektrotechnik, Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik Fachschule für Technik 33378 Rheda-Wiedenbrück, Kreis Gütersloh Fachrichtung: Heizungs-, Lüftungs- und Sanitärtechnik Fachschule für Technik Fredenberg Hans-Böckler-Ring 18–20, 38228 Salzgitter Abteilungen: Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Sanitär-Technik Technische Fachschule Tochtermann Staatlich anerkannte Fachschule für Technik Stuttgarter Straße 6, 70469 Stuttgart Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik mit Zusatzprogramm Umweltschutztechnik Balthasar Neumann Technikum (Fachschule für Technik und technisches Gymnasium) Paulinstr. 105, 54292 Trier Robert-Bosch-Schule Egginger Weg 30, 89077 Ulm Fachrichtung: Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Sanitärtechnik Österreich Höhere Technische Bundeslehranstalten (Österreich): A-6200 Jenbach/Tirol Abteilung: Installations-, Heizungs- und Klimatechnik A-7423 Pinkafeld/Burgenland (Österreich) Abteilung: Installation und Heizungstechnik A-4840 Vöcklabruck, Bahnhofstr. 42 Abteilung: Maschinenbau-Installation, Gebäudetechnik und Energieplanung Schweiz Lehrwerkstätten der Stadt Bern Sanitärtechnikerschule (TS) Lorrainstraße 3, CH-3013 Bern Gewerblich-industrielle Berufsschule Bern GIBB Heizung, Klima, Kälte-Technikerschule TS, Lorrainestr. 1, CH-3000 Bern 11 Berufsschule der Stadt Zürich Heizungs- und Klimatechnikerschule (TS) Sihlquai 87, CH-8031 Zürich

DVD 2192

6. Anhang / 6.7 Einheiten und Formelzeichen

6.7

Einheiten und Formelzeichen

6.7.1

Einheiten

Tafel 6.7.1-1

Einheiten des SI-Systems, Auszug aus DIN 1301:1985-12

6.7.2 Formelzeichen nach früheren Normen

6.7.2 Tafel 6.7.2-1

Formelzeichen nach früheren Normen Allgemeine Formelzeichen nach DIN 1304:1984-01

2193 DVD

DVD 2194

6.7.3

6. Anhang / 6.7 Einheiten und Formelzeichen

Formelzeichen nach neueren Normen

Tafel 6.7.3-1

Neuere wichtige Formelzeichen nach DIN EN ISO 7345:1995, DIN EN 12792:2003, DIN EN 12831:2003 und DIN EN 13779:2007

Nachfolgend sind die wichtigsten Änderungen bei Formelzeichen aufgeführt, die sich auf Grund der folgenden Normen ergeben: DIN EN ISO 7345:1995 DIN EN 12792:2003 DIN EN 12831:2003 DIN EN 13779:2007

Wärmeschutz – Physikalische Größen und Definitionen Lüftung von Gebäuden – Symbole, Terminologie und graphische Symbole Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme

Physikalische Größe und ggf. Definition

Neues Formelzeichen h, i

Enthalpie, spezifische

l

Enthalpie, spezifische, latente Feuchte, relative Leckluftrate (zulässige) einer Anlage

Einheit J kg J kg

Altes Formelzeichen h r

Mp

%

M

k

%

–

3

Leckluftfaktor

f

Leckluftstrom

qvl

Luftvolumenstrom; qv Luftmassenstrom; qm

dV dt dm dt

qv1)

qm

m s ˜ m2 m3 s m3 m3 , s h kg s

– – V m

4, t

°C

-,t

'4, 't , 'T

K

'- , 't , 'T

Ventilatorleistung (gesamt)

Pf

W

PM

Ventilatorleistung (Laufrad)

PR

W

PL

Pa

W

PW

PSFP

W ˜s m3

–

Ventilatorwirkungsgrad (Laufrad)

KR

–

KL

Ventilatorwirkungsgrad (Welle)

KA

–

KW

Wärme, Wärmemenge

Q

J

Q

dQ dt

)

W

 Q

Temperatur (Celsiustemperatur) Temperaturdifferenz

Ventilatorleistung (Welle) Ventilatorleistung, spezifische; PSFP

Wärmestrom; )

Pf qv

6.7.3 Formelzeichen nach neueren Normen

Physikalische Größe und ggf. Definition

Wärmestromdichte; q

d) dA

längenbezogene Wärmestromdichte; ql

G Wärmeleitfähigkeit; q

dq dl

O ˜ grad T T1  T2 q

2195 DVD Neues Formelzeichen

Einheit

Altes Formelzeichen

q, M

W m2

 qcc

ql

O d

W m W m˜K

 qc

O

R

m2 ˜ K W

O

Wärmedurchlasswiderstand, spezifischer; grad T 1 r  G q O

r

m˜K W

O

Wärmedurchlasswiderstand, längenbezogener; T1  T2 Rl ql

Rl

m˜K W

–

Wärmedurchlasswiderstand; R

Wärmeübergangskoeffizient; h

q Ts  Ta

Wärmedurchlasskoeffizient; /

1 R

O

Wärmedurchlasskoeffizient, längenbezogener; 1 /l Rl

h

/

W m2 ˜ K W m2 ˜ K

d

1

D O d

/l

W m2 ˜ K

–

U

W m2 ˜ K

k

Ul (