Temperierung von Hallen

Systemauslegung bei unterschiedlichen Nutzungsarten

Hallen sind in der Planung und Realisierung bezüglich der technischen Gebäudeausstattung oft eine Herausforderung. Abhängig von der Nutzung und Größe der Halle ergeben sich unterschiedliche klimatische Bedingungen, die bei der Systemauslegung zu berücksichtigen sind. Wurden Hallen früher lediglich beheizt, stehen heute zunehmend auch Kühlung, Behaglichkeit und die Effizienz im Fokus bei der Systemauswahl.

Die Wahl eines passenden gebäudetechnischen Systems ist u. a. abhängig von der Nutzungsart der Halle sowie der Anzahl der anwesenden Mitarbeiter.
Quelle: Kampmann

Die Wahl eines passenden gebäudetechnischen Systems ist u. a. abhängig von der Nutzungsart der Halle sowie der Anzahl der anwesenden Mitarbeiter.
Quelle: Kampmann
Die unterschiedliche Nutzungsart von Hallen erfordert von SHK-Profis, dass sie das individuelle Objekt hinsichtlich der Anforderungen der Wärme- und eventuell Kälteversorgung sowie im Hinblick auf die Be- und Entlüftung genau analysie­ren. Denn es ist ein Unterschied, ob es sich dabei um eine reine Lagerhalle handelt, die auf einer Temperatur von 5 °C gehalten wird, oder um eine Halle, die im Aufenthaltsbereich von Personen auf 17 bis 20 °C klimatisiert werden muss. Letzteres ist ggf. bei einer Produktionshalle mit hoher Wärmelast nötig, denn laut Arbeitsstättenrichtlinie soll die Lufttemperatur in Arbeitsräumen 26 °C nicht überschreiten. Im Folgenden werden für die Heizung und Kühlung von Hallen Lufterhitzer im Niedertemperaturbereich betrachtet.

Hallenheizung im Niedertemperaturbereich

Bauherr und SHK-ler sollten sich frühzeitig vor Baubeginn über die Auslegungskriterien verständigen, die bei einer Hallenheizung zu berücksichtigen sind. Dazu zählen neben der Nutzung die Hallengeome­trie, Luftwechselrate, Wärmekapazität und Dämmung. Des Weiteren können dazu auch die Nutzung regenerativer Energien, die Minimierung des CO2-Ausstoßes und monetäre Fragen wie Investitions- und Folgekosten gehören.

Die konkrete Planung einer Halle beginnt in der Regel mit der Ermittlung der Heizlast nach DIN V 18599 und DIN EN 12831-1. Für die Berechnung wird ein Sollwert eingesetzt, bspw. 18 °C für die Raumtemperatur in der Aufenthaltszone. Bei der Heizlastberechnung sollte die Temperaturschichtung bei der Wahl der Raumtemperaturwerte berücksichtigt werden, da erfahrungsgemäß die Temperatur mit zunehmender Hallenhöhe umso stärker ansteigt, je weniger Luftbewegung in der Halle auftritt.

Gerätehersteller wie Kampmann erhalten oft Fragen zu Auslegungsmöglichkeiten von Hallen. Zum Beispiel, ob es überhaupt möglich ist, unter dem Aspekt der Energieversorgung Hallen mit Lufterhitzern und mithilfe einer Wärmepumpe im Niedertemperaturbereich zu beheizen. Aus rein physikalischer Sicht stellt das kein Problem dar. Hat man eine Heizlastanforderung von bspw. 55 kW, so kann diese mit einer geringeren Luftmenge und einer hohen Ausblastemperatur oder mit einer etwas höheren Luftmenge und einer niedrigen Ausblastemperatur erfolgen.

Abbildung 1: Das Bild stellt die Lufttemperaturen für herkömmliche Luftaustrittstemperaturen a) und Luftaustrittstemperaturen im Niedertemperaturbereich b) in einer Schnittdarstellung gegenüber. Die Temperaturen im Aufenthaltsbereich (0 – 2 m), liegen in beiden Fällen bei ca. 18 °C. Bedingt durch die unterschiedlichen Luftaustrittstemperaturen und hieraus resultierenden Dichteunterschiede werden jedoch andere Lufteindringtiefen erzielt.
Quelle: Kampmann

Abbildung 1: Das Bild stellt die Lufttemperaturen für herkömmliche Luftaustrittstemperaturen a) und Luftaustrittstemperaturen im Niedertemperaturbereich b) in einer Schnittdarstellung gegenüber. Die Temperaturen im Aufenthaltsbereich (0 – 2 m), liegen in beiden Fällen bei ca. 18 °C. Bedingt durch die unterschiedlichen Luftaustrittstemperaturen und hieraus resultierenden Dichteunterschiede werden jedoch andere Lufteindringtiefen erzielt.
Quelle: Kampmann

In Abbildung 1 ist eine numerische Simulation mit einem Vergleich beider Systemtemperaturen dargestellt. Die Wärmetransmissionskoeffizienten der Simulation wurden so gewählt, dass bei einer durchschnittlichen Temperatur von 18 °C im Aufenthaltsbereich 55 ± 3 kW über die Außenwände abfließen und durch die installierten Lufterhitzer eingebracht werden müssen. Bei der Wahl der U-Werte wurde sich an der Norm und entsprechenden Erfahrungswerten orientiert (Wand: 0,43; Dach: 0,5; Boden: 0,49 (alles in W/(m²·K)), die Außentemperatur beträgt -12 °C. Zusätzlich wird eine Infiltrationsrate von 7 % angenommen. Innere Lasten und Tore wurden in diesem einfachen Beispiel zunächst vernachlässigt. Nach Normberechnung beträgt die Heizlast 55 kW. Die Systemtemperaturen der Lufterhitzer für den Hochtemperaturfall sind 70 °C im Vorlauf und 55 °C im Rücklauf, respektive 40 °C im Vorlauf und 35 °C im Rücklauf im Niedertemperaturbereich. Zu den Auslegungswerten: Außentemperatur beider Hallen: - 12 °C, Wärmeübergangskoeffizienten: Wand 0,43 W/(m²·K), Decke 0,5 W/(m²·K), Boden 0,49 W/(m²·K). Für den Niedertemperaturbereich ergeben sich folgende Werte: Eingesetzt werden sechs Lufterhitzer mit jeweils 8,8 kW Leistung, Luftvolumenstrom 6 x 2.370 m³/h, Luftwechselrate 1,42/h, Luftaustrittstemperatur 29,5 °C (40/35/18). Gesamtleistung 6 x 8.8 kW = 52,8 kW. Für den Hochtemperaturbereich ergeben sich folgende Werte: Eingesetzt werden drei Lufterhitzer mit jeweils 18,9 kW Leistung, Luftvolumenstrom 3 x 2.160 m³/h, Luftwechselrate 0,648/h, Luftaustrittstemperatur 44,2 °C (70/55/18). Gesamtleistung 3 x 18.9 kW = 56,7 kW.

Man erkennt in Abbildung 1a, dass sich bei der klassischen Systemtemperatur eine wärmere Schicht unter der Hallendecke bildet. Dies beruht einerseits auf der Tatsache, dass warme Luft aufsteigt. Andererseits reicht die Luftwechselrate nicht aus, um die benötigte Wärmerückführung sicher zu stellen und eine Mischlüftung zu erzwingen. Der höheren Temperatur unter dem Dach und der schlechteren Schichtung in der Halle folgt eine erhöhte Wärmeabgabe durch das Dach. Das geschieht aufgrund der höheren Temperaturunterschiede zwischen Außen und Innen. In diesem Modellfall beträgt der Unterschied 3,9 kW zwischen dem Niedertemperaturfall (52,8 kW) und Hochtemperaturfall (56,7 kW), das entspricht einer höheren Heizleistung von 7,4 %. Das bedeutet, dass die klassische Temperaturwahl hier energetische Nachteile hat. Natürlich musste im Niedertemperaturfall die Anzahl der Lufterhitzer vergrößert werden, von drei im Hochtemperaturfall auf nun sechs Geräte.

Ein anderer Aspekt, auf den die Planerberater des Herstellers im Zusammenhang mit Niedertemperaturanwendungen im Industriebereich angesprochen werden, ist die Behaglichkeit. Generell ist es so, dass bei einer Ausblastemperatur von unter 40 °C keine Behaglichkeitsprobleme in großen Teilen der Halle im Sinne der DIN EN ISO 7730 auftreten, wie in Abbildung 2 gezeigt. Hier ist die Zugluftrate für die verschiedenen Kategorien farblich dargestellt und es wird deutlich, dass sowohl im Hochtemperaturbereich als auch im Niedertemperaturbereich keine signifikanten Problemzonen auftreten. Trotz der systembedingten höheren Eindringtiefe der Luft bei der Niedertemperaturanwendung kann man davon ausgehen, dass die Ausblastemperatur der Geräte deutlich unter der Körpertemperatur liegen darf. Das wird in dieser Weise in der Kühlung im Bürobereich seit Jahren erfolgreich praktiziert.

Abbildung 2: Das Bild stellt die Kategorien der Zugluftrisiken für den Hoch- a) und Niedertemperaturbereich b) gegenüber. Durch die hohen Luftaustrittstemperaturen in a) überwiegen hier die Kategorien A und B. In b) entstehen Zugluftrisiken knapp unterhalb der Lufterhitzer. Diese können vernachlässigt werden, da nur der Aufenthaltsbereich entscheidend ist (Kategorie A und B). Somit sind für den Niedertemperaturbereich keine Behaglichkeitsprobleme zu befürchten.
Quelle: Kampmann

Abbildung 2: Das Bild stellt die Kategorien der Zugluftrisiken für den Hoch- a) und Niedertemperaturbereich b) gegenüber. Durch die hohen Luftaustrittstemperaturen in a) überwiegen hier die Kategorien A und B. In b) entstehen Zugluftrisiken knapp unterhalb der Lufterhitzer. Diese können vernachlässigt werden, da nur der Aufenthaltsbereich entscheidend ist (Kategorie A und B). Somit sind für den Niedertemperaturbereich keine Behaglichkeitsprobleme zu befürchten.
Quelle: Kampmann

Die bisherigen Betrachtungen haben grundlegende Mechanismen anhand von vereinfachten Darstellungen aufgezeigt. Gerade die inneren Lasten und die Aus- und Zugänge zu einer Halle verdienen besondere Aufmerksamkeit. Da die Betrachtung von Torluftschleiergeräten den Rahmen dieses Beitrags sprengen würde, nur der Hinweis, dass mit einem Torluftschleiersystem die Infiltrationsrate, also der Eintrag von Kaltluft während der Heizperiode massiv gesenkt werden kann. ­Andersherum kann eine höhere ­Luftwechselrate im Raum die Warmluftpolster um innere Lasten, zum Beispiel Fertigungsmaschinen oder Öfen, aufbrechen und damit die Abwärme dieser Einbauten besser im Raum verteilen und evtl. die Anzahl der Lufterhitzer verringern.

Moderne Lufterhitzer zeichnen sich durch einen besonders effizienten und leisen Betrieb aus.
Quelle: Kampmann

Moderne Lufterhitzer zeichnen sich durch einen besonders effizienten und leisen Betrieb aus.
Quelle: Kampmann
Als letzter Punkt sollte auch die Platzierung der ­Lufterhitzer kurz angesprochen werden. Aus der Erfahrung hat sich ergeben, dass die Positionierung der Lufterhitzer nicht ausschlaggebend für die Temperatur im Aufenthaltsbereich ist, wenn die Heizlast abgedeckt wird und die Luftumwälzung ausreichend ist (ca. 2/h). Numerische Analysen einer leeren Halle haben eine Umwälzrate von 1,5 bis 1,8/h als ausreichend ergeben. Wird die Luftführung im Einzelfall jedoch massiv gestört, sollte diese Menge erhöht werden.

Kühlen statt heizen

Hierbei ist auf die Auswahl der Geräte, die Systemtemperaturen und die geänderte Luftführung zu achten. Kalte Luft „fällt“ nach unten und kann unter Umständen zu Problemen mit der Behaglichkeit führen. Insbesondere bei der Einbringung kühler Luft von der Hallendecke besteht die Gefahr, dass sich diese nicht gleichmäßig verteilt, sondern senkrecht zu Boden sinkt. So entstehen in der Halle warme und kalte Bereiche. Dabei können letztere von den Beschäftigten als zu kühl bzw. zugig empfunden werden. Als mögliche Lösung zur Klimatisierung einer Halle bieten sich spezielle Ausführungen von Lufterhitzern mit Kühlfunktion an, wie der „Top C“ oder der „Ultra“ des Lingener Systemanbieters. Während der „Ultra“ als Deckengerät zur Heizung, Kühlung und Lüftung in exklusiven Großräumen entwickelt wurde, ist der „Top C“ ein Allrounder zum Heizen und Kühlen von Hallen aller Art. Das Gerät ist mit einer Kondensatwanne ausgestattet und so eingestellt, dass es auch kalte Luft horizontal in die Halle einbringt.

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