Untersuchungen zur Aufheizphase eines Raumes.heizturbo.de/studie.pdf · der gesamte sonstige Raum...

Untersuchungen zur Aufheizphase eines Raumes.

Kurzfassung des Ergebnisses:

Mit einer ganz normalen Heizung kann man Räume innerhalb von 5...10 Minuten aufheizen. Die heute üblichen 1...2 Stunden Aufheizzeit liegen daran, daß marktübliche Heizkörper

anfangs nur ihre unmittelbare Umgebung auf viel zu hohe Temperaturen aufwärmen, während der gesamte sonstige Raum kalt bleibt. Sorgt man jedoch dafür, daß die Heizkörper-Leistung

direkt in den Raum geht, so werden Luft und Wände innerhalb weniger Minuten warm.Auf diese Weise kann die Temperatur auch dann abgesenkt werden, wenn der Raum während

des Tages stundenweise nicht genutzt wird. Außerdem kann der Beginn der Aufheizphase exakt auf den Beginn der Raumnutzung gelegt werden. Die Raumheizung kann genauso

bedarfsgerecht ein- und ausgeschaltet werden, wie die Raumbeleuchtung.

Folge ist nicht nur ein 10...20%iger Energiespar-Effekt,sondern auch eine für Millionen Menschen spürbare Komfort-Erhöhung,

weil es keine kalten, schlecht nutzbaren Räume mehr geben wird.

Stand: 26.08.2010 17:23 Uhr

Patentwerk.de GmbHAntonienallee 1

45279 Essen

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Die in dieser Studie gemachten Messungen wurden sorgfältig durchgeführt und die gemachten Aussagen werden ausführlich erklärt und hergeleitet. Dennoch können wir Fehler nicht ausschließen und dieses Dokument soll lediglich als Basis für die

Produktentwicklung und weitere Untersuchungen dienen.

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1 KURZFASSUNG DIESER STUDIE .................................................................................................................5

1.1 STAND DER TECHNIK: NACHTABSENKUNG...............................................................................................................51.2 ERSTES ZIEL: ENERGIEERSPARNIS DURCH KURZE RAUMAUFHEIZZEIT...........................................................................51.3 ZWEITES ZIEL: KOMFORTERHÖHUNG DURCH KURZE RAUMAUFHEIZZEIT.......................................................................51.4 WIE WIR DIE KURZEN RAUMAUFHEIZZEITEN ERREICHEN............................................................................................61.5 KONKRETE PRODUKTE.........................................................................................................................................7

1.5.1 Heizkörper mit integriertem Heizturbo:.................................................................................................71.5.2 Heizkörper mit nachrüstbarem Heizturbo-Aufsatz:...............................................................................7

1.6 KURZE HERLEITUNG DER FUNKTIONSPRINZIPS.........................................................................................................81.6.1 Physikalisches Modell............................................................................................................................81.6.2 Theoretische Aufheizkurve......................................................................................................................91.6.3 Tatsächliche Aufheizkurve......................................................................................................................91.6.4 Ursachensuche.....................................................................................................................................10

1.6.4.1 Eigenerwärmung des Heizkörpers................................................................................................................101.6.4.2 Konvektionsstrom über dem Heizkörper......................................................................................................111.6.4.3 Leistungsabgabe des Heizkörpers an den Raum...........................................................................................121.6.4.4 Erwärmung der Heizkörperumgebung..........................................................................................................13

1.7 LÖSUNG DER AUFGABE: RAUMAUFHEIZZEIT ABKÜRZEN...........................................................................................141.7.1 „Luftleitflächen“ lösen das Problem, sind aber zu groß......................................................................141.7.2 Ventilatorkraft statt unförmiger „Luftleitflächen“...............................................................................15

1.8 ERGEBNISSE.....................................................................................................................................................171.8.1 Aufheizvorgang der Raumluft: 9x schneller.........................................................................................171.8.2 Aufheizvorgang der Wände: 3x schneller.............................................................................................17

2 ENERGIESPARPOTENTIAL..........................................................................................................................18

2.1 GRUNDLAGE DER ENERGIEEINSPARUNG.................................................................................................................182.1.1 In den Raum eingespeiste Heizleistung................................................................................................182.1.2 Verluste des Raums an die Umgebung.................................................................................................21

2.2 WELCHE TEMPERATURABSENKUNG IST MÖGLICH?..................................................................................................222.2.1 Temperaturabsenkung ist nur begrenzt erreichbar..............................................................................232.2.2 Temperaturabsenkung tritt verzögert ein.............................................................................................24

2.2.2.1 Der Raum kühlt während der Nutzungspause völlig aus...............................................................................252.2.2.2 Der Raum kühlt während der Nutzungspause nur teilweise aus....................................................................25

2.2.3 Messung der Auskühlgeschwindigkeit verschiedener Räume..............................................................252.3 ENERGIESPARPOTENTIAL.....................................................................................................................................28

2.3.1 Übersicht..............................................................................................................................................292.3.2 Steilere Aufheizkurve, längere Absenkphase........................................................................................302.3.3 Nachtabsenkung erst dann beenden, wenn der Raum genutzt wird.....................................................322.3.4 Raumtemperatur zusätzlich in Nutzungspausen absenken ..................................................................322.3.5 Tiefere Absenktemperatur wird möglich...............................................................................................34

2.4 ABSCHÄTZUNG DES HÖHE DER ENERGIEEINSPARUNG..............................................................................................352.4.1 Einzelraum-Betrachtung......................................................................................................................35

2.4.1.1 Herkömmlicher Betrieb des Raumes............................................................................................................352.4.2 Gesamtbilanz für ein Gebäude.............................................................................................................37

2.5 WIRTSCHAFTLICHKEIT........................................................................................................................................382.6 KOMFORTNUTZEN..............................................................................................................................................39

3 VERSUCHSAUFBAU.......................................................................................................................................40

3.1 UNTERSUCHTER RAUM......................................................................................................................................403.2 UNTERSUCHTER HEIZKÖRPER..............................................................................................................................41

3.2.1 Kermi-Berechnungen für einen Referenz-Heizkörper..........................................................................413.2.2 Hochrechnung auf unseren Heizkörper................................................................................................43

3.3 VERSUCHSBEDINGUNGEN....................................................................................................................................443.4 BESCHREIBUNG DER EINGESETZTEN MESSTECHNIK..................................................................................................47

4 MESSERGEBNISSE.........................................................................................................................................52

4.1 OBERFLÄCHENTEMPERATUR DES HEIZKÖRPERS.......................................................................................................524.2 KONVEKTIONSLUFT............................................................................................................................................55

4.2.1 Abluft....................................................................................................................................................56© 2001 Patentwerk.de GmbH, Essen 2 / 176

4.2.2 Zuluft....................................................................................................................................................594.3 AUFHEIZVORGANG DER WÄNDE..........................................................................................................................62

4.3.1 Alle Wände...........................................................................................................................................624.3.1.1 Einzelmessungen..........................................................................................................................................624.3.1.2 Mittelwerte...................................................................................................................................................63

4.3.2 Wand und Decke über dem Heizkörper................................................................................................654.3.2.1 Einzelmessungen .........................................................................................................................................654.3.2.2 Mittelwerte...................................................................................................................................................68

4.3.3 Kontrollmessungen mit PT100-Fühlern...............................................................................................704.3.4 Wand- und Raumtemperatur mit Ableitflächen....................................................................................72

4.3.4.1 Einzelmessungen, Heizkörperumgebung......................................................................................................734.3.4.2 Mittelwerte, Heizkörperumgebung...............................................................................................................794.3.4.3 Raum- und entfernte Wandtemperaturen......................................................................................................81

4.3.5 Wandisolierung hinter dem Heizkörper................................................................................................834.4 LEISTUNGS- UND ENERGIEAUFNAHME DES HEIZKÖRPERS.........................................................................................86

4.4.1 Heizkörper heizt sich nur selbst auf.....................................................................................................874.4.2 Heizkörper heizt sich und den Raum auf..............................................................................................894.4.3 Energie, die der Heizkörper an den Raum abgibt................................................................................924.4.4 Kontrollrechnung: Leistungsbilanz......................................................................................................93

4.5 VERSUCHE MIT REDUZIERTER VENTILATOR-DREHZAHL............................................................................................944.6 ABRUPTES ABSCHALTEN DER VENTILATOREN........................................................................................................964.7 RAUMAUFHEIZUNG NUR MIT EINEM HEIZLÜFTER.....................................................................................................97

5 THEORETISCHE ÜBERLEGUNGEN........................................................................................................100

5.1 EIN IDEAL DURCHMISCHTER LUFTRAUM WIRD AUFGEHEIZT.....................................................................................1005.2 HEIZLEISTUNGSVERLUST IN DER HEIZKÖRPERUMGEBUNG.......................................................................................1035.3 ANFORDERUNG AN DEN VOLUMENSTROM DES VENTILATORS..................................................................................104

5.3.1 Zulässige Abluft-Temperaturen eines Heizgerätes.............................................................................1045.3.2 Heizleistung in Abhängigkeit von Temperaturdifferenz und Luftvolumenstrom.................................105

5.4 MÖGLICHE TEMPERATURABSENKUNG MIT HEIZTURBO...........................................................................................1065.5 RAUMAUFHEIZGESCHWINDIGKEIT MIT HEIZTURBO.................................................................................................109

5.5.1 Zeitlicher Verlauf des Aufheizvorgangs..............................................................................................1095.5.1.1 Aufheizkurve bei konstanter Heizleistung..................................................................................................1095.5.1.2 Aufheizkurve bei linear ansteigender Heizleistung.....................................................................................1125.5.1.3 Aufheizkurve bei linear ansteigender Heizleistung mit 2kW Offset............................................................114

5.5.2 Zeitbedarf für einen Temperaturhub um 5K bei konstanter Heizleistung..........................................1155.6 WANDAUFHEIZGESCHWINDIGKEIT MIT HEIZTURBO................................................................................................1165.7 LAUFZEIT DER VENTILATOREN...........................................................................................................................1175.8 ANFORDERUNGEN AN DIE FÜHRUNG DES LUFTSTROMS..........................................................................................118

5.8.1 Leitung der vom Ventilator angesaugte Luft.......................................................................................1185.8.2 Abdichtung des Ventilator-Ansaugbereiches gegen Fremdluft...........................................................1195.8.3 Leitung der vom Ventilator ausgeblasenen Luft.................................................................................1205.8.4 Leitung der vom Heizkörper angesaugten Luft..................................................................................121

6 ZUSAMMENFASSUNG DER EFFEKTE.....................................................................................................122

7 ÜBERLEGUNGEN ZUR PRODUKTGESTALTUNG................................................................................123

7.1 RAUMTHERMOSTAT.........................................................................................................................................1237.1.1 Einteiliger Raumthermostat...............................................................................................................1257.1.2 Zweiteiliger Raumthermostat.............................................................................................................126

7.1.2.1 Raumthermostat-Komponente, die den Heizkörper regelt..........................................................................1277.1.2.1.1 Signalisierung einer Solltemperatur-Erhöhung...................................................................................1277.1.2.1.2 Information über die Heizleistung bereitstellen..................................................................................1277.1.2.1.3 Trägheit des eingebauten Temperatursensors veränderlich machen....................................................127

7.1.2.2 Raumthermostat-Komponente, die die Ventilatoren (und ggf. das elektrische Heizelement) regelt............1287.1.2.2.1 Regelung auf Soll-Raumtemperatur...................................................................................................1287.1.2.2.2 Regelung auf Maximalleistung des Heizkörpers.................................................................................1297.1.2.2.3 Zeitliche Steuerung des Ventilators....................................................................................................1367.1.2.2.4 Kombiniertes Raumtemperatur/Zeit-Verfahren...................................................................................1417.1.2.2.5 Möglichkeiten, den vorhandenen Raumthermostaten zu beeinflussen...............................................145

7.1.3 Dreiteiliger Raumthermostat..............................................................................................................1467.2 HEIZKÖRPER MIT INTEGRIERTEM VENTILATOR......................................................................................................147

7.2.1 Ventilator in die Frontseite des Heizkörpers integriert......................................................................1487.2.2 Heizkörper mit für Ventilator optimiertem Strömungskanal..............................................................151

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7.3 NACHRÜSTBARER VENTILATOR FÜR VORHANDENE HEIZKÖRPER..............................................................................1527.3.1 Ventilator-Aufsatz für vorhandene Heizkörper...................................................................................153

7.3.1.1 Luftklappen gegen angesaugte Fremdluft...................................................................................................1557.3.1.2 Saugrüssel in den Heizkörper hinein...........................................................................................................1567.3.1.3 Luftkanal im Heizkörper abtrennen............................................................................................................1577.3.1.4 Blas-Luftkanal im Heizkörper abtrennen....................................................................................................162

7.3.2 Ventilator wird neben dem Heizkörper montiert................................................................................1637.3.3 Abdichtung des Ventilator-Ansaugbereichs........................................................................................164

7.4 HEIZLÜFTER MIT HEIZKÖRPER KOMBINIERT.........................................................................................................1657.5 HEIZLÜFTER ALS EIGENSTÄNDIGER HEIZTURBO...................................................................................................1687.6 HEIZTURBO KOMBINIERT MIT FLÄCHENHEIZUNGEN................................................................................................170

8 MUSTERGERÄTE.........................................................................................................................................175

8.1 VENTILATORKASTEN NEBEN DEM HEIZKÖRPER.....................................................................................................175

9 PATENTE- UND PATENTANMELDUNGEN..............................................................................................176


1 Kurzfassung dieser Studie 1.1 Stand der Technik: Nachtabsenkung

Die grüne Fläche zeigt (inkl. Abkühl- und Aufheizvorganges der Wände) den Energiespareffekt durch Absenken der Raumtemperatur: Je geringer die Wärmespeicherung der Wände, desto schneller sinkt die Temperatur ab, desto größer die Energieeinsparung.

1.2 Erstes Ziel: Energieersparnis durch kurze Raumaufheizzeit

Die rote Fläche zeigt die zusätzliche Energieersparnis durch kurze Raumaufheizzeiten und dadurch, daß ein höherer Wärmestrom beim Aufheizen möglich wird.

1.3 Zweites Ziel: Komforterhöhung durch kurze RaumaufheizzeitNach dem Urlaub ist das Wohnzimmer in wenigen Minuten wieder warm. Das Gästezimmer kann jederzeit genutzt werden. Das häusliche Arbeitszimmer ist immer dann warm, wenn man es braucht. Seminarräume, Hotelzimmer, Büros – alle Arten von Räumen sind auch im Winter jederzeit und ohne Vorplanung nutzbar.

Bei den bisherigen Energiesparbemühungen wurde der Gedanke,die Raumheizung durch drastisch reduzierte Aufheizzeiten

bedarfsweise ein- und ausschaltbar zu machen, vernachlässigt.


Uhrzeit

Tem

pera

tur

06:00 12:00 18:0000:00

Uhrzeit

Tem

pera

tur

06:00 12:00 18:0000:00

Steilere Aufheizkurve, längere Absenkphase

Nachtabsenkung erst dann beenden,

wenn der Raum genutzt wird Größerer

Wärmestrom beim Aufheizen erlaubt tiefere Absenkung

Absenkung wird auch in

Nutzungspausen möglich

1.4 Wie wir die kurzen Raumaufheizzeiten erreichenWir suchen einen Hersteller, der einen kleinen Ventilator in seine Heizkörper einbaut bzw. ihn als Zubehörteil für bestehende Heizkörper verkauft. Ein solcher Ventilator wird erfindungsgemäß nur während der kurzen Aufheizphase eingeschaltet, so daß die Heizung im Normalbetrieb genauso lautlos und frei von Zugluft ist wie immer.


Heizkörper

1fache Wärme- leistung

Herkömmlicher Heizkörper ohne Ventilator:

1 Stunde Aufheizzeit,5K mögliche Temperaturabsenkung

Heizkörper

3facheWärme- leistung

Mit Ventilator im Heizkörper5...10 Minuten Aufheizzeit,

10K mögliche Temperaturabsenkung

Starke Erwärmung der Außenwand

Keine Überhitzung der Heizkörperumgebung, alle Wände erwärmen sich schneller und gleichmäßig

1.5 Konkrete Produkte

1.5.1 Heizkörper mit integriertem Heizturbo:

1.5.2 Heizkörper mit nachrüstbarem Heizturbo-Aufsatz:


Der Ventilator läuft nur während der kurzen Aufheizphase – im Normalbetrieb ist die Heizung genauso lautlos und frei von Zugluft wie immer.

1.6 Kurze Herleitung der Funktionsprinzips

1.6.1 Physikalisches ModellDer auf die Temperatur Theizk erwärmte Heizkörper generiert einen Wärmestrom, der über den Wärmewiderstand Rhl Heizkörper/Luft zunächst die im Raum enthaltene Luftmasse Cluft

erwärmt. Diese erwärmt über den Wärmewiderstand Rlw Luft/Wand die Masse Cwand der Wandflächen des Raumes. Im folgenden Ersatzschaltbild sind typische Werte eingetragen, die für den 30qm großen Raum berechnet oder gemessen wurden, in dem die Untersuchungen stattgefunden haben (Herleitungen aller Werte finden sich in unserer ausführlichen Studie):


Rhl Rlw

Cluft0,03 kWh/K

Cwand0,6 kWh/K

Theizk50°C Tluft Twand

7K/kW 2,2K/kW

1.6.2 Theoretische Aufheizkurve

Dieses Modell führt zu dem Schluß, daß die Lufttemperatur im Raum wenige Minuten nachdem der Wärmestrom vom Heizkörper aus eingesetzt hat, um fast 10K steigen müßte.

1.6.3 Tatsächliche Aufheizkurve

30 Minuten nach dem Einschalten des Heikörpers ist die Raumtemperatur um weniger als 5K gestiegen, obwohl die Vorlauftemperatur mit 55...60°C sogar noch höher war als im theoretischen Modell angenommen.

Der tatsächliche Raum wird erheblich langsamer aufgeheizt,als es der Theorie nach möglich wäre.


1.6.4 Ursachensuche

1.6.4.1 Eigenerwärmung des HeizkörpersEine mögliche Erklärung für die unerwartet lange Aufheizzeit könnte darin liegen, daß der Heizkörper selbst nur sehr langsam warm wird. Der Heizkörper entnimmt dem Warmwasserkreislauf Energie, die zunächst dazu verwendet wird, den Heizkörper selbst zu erwärmen (d.h. seine Metallmasse sowie das in ihm enthaltene Wasser). Die folgende Messung zeigt, wie schnell der Heizkörper selbst warm wird:

Gemessen wurde die Vorlauftemperatur (daran kann man erkennen, wann der Heizkörper eingeschaltet wurde), sowie die Temperatur an drei Stellen auf der Metalloberfläche des Heizkörpers.

Der Heizkörper hat etwa 5 Minuten nach dem Einschalten seine Arbeitstemperatur erreicht. Die Trägheit des Heizkörpers kann die langsame Raumerwärmung nicht erklären.


1.6.4.2 Konvektionsstrom über dem HeizkörperParallel zur Eigenerwärmung des Heizkörpers setzt ein Konvektionsstrom ein. Es wäre denkbar, daß die Konvektion erst einige Zeit nach der Erwärmung des Heizkörpers einsetzt. Die folgende Messung zeigt deshalb die Lufttemperatur über dem Heizkörper an drei verschiedenen Stellen sowie den Anstieg der Vorlauftemperatur, an dem man den Einschaltmoment des Heizkörpers ablesen kann:

Die Konvektion setzt praktisch direkt mit dem Einschalten des Heizkörpers ein. Auch dieser Effekt kann die langsame Raumaufheizung nicht erklären.


1.6.4.3 Leistungsabgabe des Heizkörpers an den RaumFür die Raumaufheizung maßgeblich ist letztlich der Wärmestrom, der vom Heizkörper an den Raum abgegeben wird. Obwohl wir nachgewiesen haben, daß Heizkörper und Konvektionsluft praktisch unverzüglich warm werden, ist es möglich, daß dennoch nur wenig Leistung vom Heizkörper an den Raum abgegeben wird, weil vielleicht nur wenig Luft umgewälzt wird.

Aus diesem Grund haben wir die vom Heizkörper auf Wasserseite (Vor-/Rücklauf) aufgenommene Leistung aufgezeichnet. Wir haben den Heizkörper zunächst in Styropor isoliert, so daß er keine Wärme an den Raum abgibt, und haben die Energieaufnahme des Heizkörpers für seine Eigenerwärmung durch Messung der Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur ermittelt. Anschließend haben wir die Energieaufnahme des unisolierten Heizkörpers gemessen, also die Summe aus der Energie, die der Heizkörper für seine Eigenerwärmung aufnimmt und der Energie, die er an den Raum abgibt. Die Differenz liefert die Energie, die der Heizkörper an den Raum abgibt:

Die rote Kurve zeigt die Energieabgabe eines normalen Heizkörpers, die drei anderen Kurven zeigen die Energieabgabe eines Heizkörpers, in den zusätzlich Ventilatoren zur Erhöhung der Konvektion eingebaut wurden.

In allen Fällen hat die Wärmeleistung (d.h. die Steigung einer der Energiekurven), die an den Raum abgegeben wird, etwa 5 Minuten nach dem Einschalten ihr Maximum erreicht.

Der vom Heizkörper an den Raum abgegebene Wärmestrom müßte etwa 5 Minuten nach dem Einschalten ausreichend groß sein, um die berechnete Temperaturerhöhung und somit eine

angenehme Raumtemperatur zu erreichen.


1.6.4.4 Erwärmung der HeizkörperumgebungDie bisherigen Messungen haben gezeigt, daß der Heizkörper wenige Minuten nach dem Einschalten einen Wärmestrom an den Raum abgibt, der eigentlich zu einer sofortigen Erwärmung der Raumluft führen müßte. Diese Erwärmung ist jedoch nicht nachzuweisen, also muß der Wärmestrom von Massen in der Umgebung des Heizkörpers aufgenommen werden. Wir haben deshalb die Erwärmung von Wand und Decke in der Nähe des Heizkörpers aufgezeichnet:

Die Heizkörperwand und die Decke über dem Heizkörper erwärmen sich praktisch sofort nach dem Einschalten des Heizkörpers ganz erheblich.

Wand und Decke in der Heizkörperumgebung absorbieren praktisch alle Heizleistung während der Aufheizphase eines Raums.


1.7 Lösung der Aufgabe: Raumaufheizzeit abkürzen

1.7.1 „Luftleitflächen“ lösen das Problem, sind aber zu großDie Überhitzung der Heizkörperumgebung während der Aufheizphase ist der Grund dafür, daß Räume heute so langsam warm werden. Außerdem führt sie zu einem erheblichen Energieverlust, weil Heizkörper meist an Außenwänden montiert sind und weil der Energieverlust direkt proportional zum Temperaturgefälle in der Außenwand ist. Zum Beweis dieser Theorie haben wir über dem Heizkörper Styroporplatten angebracht, die die warme Abluft weg von Wänden und Decken direkt in den Raum lenken:

Anschließend haben wir den Raumaufheizvorgang erneut aufgezeichnet. Das Ergebnis, wenige Minuten Aufheizzeit, deckt sich mit dem theoretischen Modell:

Die Raumaufheizzeit läßt sich auf wenige Minuten senken, wenn der warme Abluftstrom des Heizkörpers von Wand und Decke ferngehalten wird. Der Konvektionsluftstrom muß sich erst

mit der Raumluft zu vermischen, bevor er Wände und Decken erreicht.


1.7.2 Ventilatorkraft statt unförmiger „Luftleitflächen“Heizkörper werden traditionell unter dem Fenster an einer Außenwand angebracht, weil man auf diese Weise vermeiden kann, daß der Raum fußkalt wird. Doch kein Endkunde wird 0,5...1m breite Styroporplatten akzeptieren, die die Konvektionsluft in den Raum verteilen. Auch würde es nicht akzeptiert, wenn neuartige Heizkörper so konstruiert würden, daß sie weiter von der Wand abstehen, so daß sie die Luft besser an den Raum abgeben. Nur mit Ventilatoren lassen sich die heutigen flach an der Wand hängenden Heizkörper so modifizieren, daß die warme Abluft sich direkt im Raum verteilt.

Der Ventilator wird nur während der Aufheizphase gebraucht. Im normalen Heizbetrieb ist der Raum genauso lautlos und zugluftfrei wie immer. Insgesamt wird eine Fülle von Vorteilen erreicht, wenn Heizkörper mit Ventilatoren ausgestattet werden:

a) Man kann die vom Heizkörper abgegebene Leistung durch Erhöhung der Konvektion verdreifachen. Dies erlaubt eine tiefere Absenktemperatur, weil sich durch Einschalten eines stärkeren Wärmestroms ein größerer Temperaturhub einstellt. Man erreicht durch die tiefere Absenktemperatur während der Absenkphasen eine noch höhere Energieersparnis.

b) Man kann den warmen Luftstrom von der Wand ableiten und statt dessen direkt in den Raum blasen. Auf diese Weise wird der berechnete Temperaturhub praktisch sofort erreicht, die Aufheizphase wird von mehr als 1 Stunde auf wenige Minuten verkürzt.

c) Wände und Luft werden gleichmäßig erwärmt, der unnötige Energieverlust durch übermäßige Erwärmung der Heizkörperumgebung (meist eine Außenwand) wird vermieden.

Schnell reagierende (und somit bedarfsweise schaltbare) Raumheizungen sind bekannt. Man denke an die Gebläseheizung im Kraftfahrzeug, an die auf Heizbetrieb umschaltbaren Klimaanlagen in den USA, an elektrische Heizlüfter. Aber auch Strahlungsheizungen in Wand und Decke erzeugen wenige Minuten nach dem Einschalten eine behagliche Wärme.


Heizkörper


Ohne Ventilator:1 Stunde

AufheizzeitRaum darf nur 5K abgesenkt werden

Heizkörper


Mit Ventilator:5...10 Minuten Aufheizzeit,

Raum darf um 10K abgesenkt werden


Keine Überhitzung der Heizkörperumgebung, alle Wände erwärmen sich gleichmäßig

Doch sämtliche bekannten Schnellheizungen haben Nachteile. Strahlungsheizungen (Decke, Wände) lassen sich kaum nachrüsten, sind sehr kostenintensiv und in ihren Vorteilen umstritten. Luftheizungen erzeugen unangenehme Luftbewegungen, Staub und Lärm. Durchgesetzt hat sich in Deutschland die wasserführende Konvektionsheizung, weil sie preiswert, platzsparend und lautlos ist und nur geringe Luftbewegungen verursacht.

Die Basisidee unserer Erfindung besteht darin, herkömmliche Konvektionsheizungen nur während der Aufheizphase des Raumes durch Ventilatoren zu unterstützen, die zudem in den Raum gerichtet sind, weg von Wand und Decke. Sobald die Raumaufheizung beendet ist, schalten sich die Ventilatoren ab und die normale Konvektionsheizung deckt den Heizbedarf, der zum Aufrechterhalten der Raumtemperatur notwendig ist. Ergebnisse:

- Aufheizzeiten von 5...10 Minuten erlauben, die Raumheizung fast genauso flexibel einzuschalten wie die Raumbeleuchtung

- Leichte Geräusche und Luftbewegung nur während der Aufheizphase. Nach wenigen Minuten ist der Raum genauso zugfrei und lautlos wie immer.

- Nachrüstbar in jedem Raum, der über eine Konvektionsheizung verfügt.

***Insgesamt verfolgen wir eine ganze Reihe von Patentanmeldungen, die das allgemeine Prinzip, die Luftheizung nur während der Aufheizphase zu betreiben und verschiedene Details der konkreten Verwirklichung von Produkten betreffen.


1.8 Ergebnisse

1.8.1 Aufheizvorgang der Raumluft: 9x schnellerDas folgende Bild zeigt den Aufheizvorgang der Raumluft einmal bei unverändertem Heizkörper (rot) und zum Vergleich dazu bei Unterstützung des Heizkörpers durch zusätzliche Ventilatoren (grün):

1.8.2 Aufheizvorgang der Wände: 3x schnellerDa der Mensch auch auf die Wärmestrahlung der Wände reagiert, ist es wichtig, daß nicht nur die Raumluft, sondern auch die Wände schnellstmöglich aufgewärmt werden. Das folgende Bild zeigt den Aufheizvorgang der Wände (Mittelwert aller Wände) einmal bei unverändertem Heizkörper (rot) und einmal mit Ventilatorunterstützung (grün):


2 Energiesparpotential2.1 Grundlage der Energieeinsparung

2.1.1 In den Raum eingespeiste HeizleistungDas Diagramm zeigt den Verlauf der Heizleistung für einen Raum, dessen Temperatur zeitweise abgesenkt wird:

Während der Phase 1 (Heizphase, stationär) muß die Heizung genau die Leistung nachliefern, die durch die Wände verloren geht. Während Phase 2 arbeitet die Heizung im abgesenkten Betrieb (die hierfür notwendige Leistung haben wir als Nulllinie angenommen). In der Phase 3 muß die Heizung zunächst die Leistung liefern, die bei der jeweils erreichten Wandtemperatur nach Außen verlorengeht, plus die Leistung, die zur Aufheizung der Wand erforderlich ist (rote Fläche).

Die durch Absenkung der Raumtemperatur erreichbare Energieersparnis ergibt sich aus dem, was während der Absenkphase (Phase 2) eingespart wird, abzüglich dem zusätzlichen Energieaufwand, der für das Wiederaufheizen der Wände erforderlich ist (Phase 3).


Zeit

Hei

zlei

stun

g

Hei

zung

aus

Hei

zung

ein

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 1

Offen bleibt die Frage, ob und wieviel Ersparnis dabei übrig bleibt. Zu diesem Zweck betrachten wir den Verlauf des Gesamt-Leistungsstroms in den Raum (rote Kurve). Dieser ergibt sich aus der Summe der durch den Heizkörper eingespeisten Leistung und der durch die Wände verlorenen Leistung. Gleichzeitig stellen wir die Raumtemperatur dar (grüne Kurve):

In Phase 1 wird die Raumtemperatur auf einem hohen Wohlfühlpegel gehalten. Die durch den Heizkörper in den Raum eingespeiste Leistung entspricht genau der Leistung, die durch die Wände verlorengeht. Die Leistungsbilanz des Raumes ist in dieser und in jeder anderen Phase mit konstanter Temperatur Null.

Zu Beginn der Phase 2a wird die Heizung abgeschaltet und die Raumtemperatur sinkt langsam bis auf den Absenkwert ab. In dieser Phase ist die Leistungsbilanz des Raumes negativ, weil keine Heizkörperleistung hineinströmt, sondern lediglich die in den Wänden gespeicherte Wärmeenergie sich langsam aufbraucht und nach außen verlorengeht.

In Phase 2b wird die Absenktemperatur konstant gehalten. Für den Leistungsstrom bedeutet dies, daß Heizleistungsverlust durch die Wände und Heizleistungszufuhr durch den (gedrosselt weiterarbeitenden) Heizkörper im Gleichgewicht sind. Beide sind gleich groß, die Leistungsbilanz ist wieder Null.

In Phase 3, beim Wiedereinschalten der Heizung, steigt die Raumtemperatur langsam an. Die Leistungsbilanz ist positiv, d.h. der Heizkörper speist mehr Leistung in den Raum ein, als durch die Wände verlorengeht. Die Wände werden aufgeheizt.


Zeit

Eing

espe

iste

Lei

stun

g R

aum

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pera

tur

Hei

zung

aus

Hei

zung

ein

Phase 3Phase 1 Phase 2a Phase 2b Phase 3 Phase 1

Betrachten wir nun die Energiebilanz, so wird deutlich:

a) In der Aufheizphase 3 muß genau die Energie nachgeliefert werden, die in der Auskühlphase 2a aus den Wänden verlorengeht. Der Vorgang des Auskühlens/ Wiederaufheizens an sich ist somit energetisch neutral, man kann einen Raum beliebig oft auskühlen lassen und wieder aufheizen. Der Energiebedarf dafür fällt stoßweise an, während er beim Konstanthalten einer Temperatur kontinuierlich verläuft. Die Summe ist jedoch gleich.

b) Wenn der Vorgang des Auskühlens/Wiederaufheizens energetisch neutral verläuft, dann ergibt sich die Energieersparnis ganz einfach durch die geringeren Verluste, die ein auf niedrigerem Temperaturniveau gehaltener Raum aufweist.

Ergebnis:

- Durch Temperaturabsenkung wird in jedem Fall eine Energieersparnis erreicht.- Die Energieersparnis ist proportional zur erreichten Temperaturabsenkung und ihrer

Zeitdauer.


2.1.2 Verluste des Raums an die UmgebungDie Betrachtung der Energieverluste des Raums an die Außenwelt liefert eine weitere Begründung dafür, daß durch Temperaturabsenkung in jedem Fall eine Energieersparnis erreicht wird. Der Energieverlust eines Raumes ist direkt proportional zur Differenz zwischen der Innenraum- und der Außenwelt-Temperatur. Die Temperaturdifferenz zwischen der nicht-abgesenkten und der abgesenkten Raumtemperatur ist somit zu jedem Zeitpunkt ein Maß für die zu diesem Zeitpunkt eingesparte Heizleistung. Daraus folgt, daß die in untenstehendem Diagramm grün markierte Fläche ein Maß für die eingesparte Heizenergie darstellt:

Wie auch im Diagramm der Heizleistung (Kapitel 2.1) stellt Phase 1 den stationären Zustand des geheizten Raumes dar. Die Raumtemperatur ist auf hohem Niveau konstant, ebenso die Energieverluste an die Außenwelt. Sobald die Heizung ausgeschaltet wird, beginnt Phase 2. Zunächst (Phase 2a) kühlen die Wände des Raums aus, d.h., sie geben die in ihnen gespeicherte Wärmeenergie an die Außenwelt ab. Sobald die Wandtemperatur den Absenkwert erreicht hat, beginnt Phase 2b, der stationäre Zustand des in der Temperatur abgesenkten Raumes. Durch erneutes Einschalten der Heizung wird Phase 3 gestartet, die Aufheizphase. Auch während dieser Aufheizphase liegt die tatsächliche Raumtemperatur unter der angestrebten Wohlfühltemperatur, wodurch die Energieverluste an die Außenwelt niedriger sind, als wenn durchgeheizt worden wäre. Da diese Ersparnis jedoch zu Lasten des Komforts geht, haben wir die grüne Fläche während der Phase 3 nur schwach-grün gezeichnet.

Die in den Wänden gespeicherte Energie bewirkt eine Fortsetzung der Energieverluste in der Absenkphase 2a – bei unendlich dicken Mauern mit unbegrenzter Wärmekapazität könnte man keine Temperaturabsenkung und somit auch keine Energieeinsparung erreichen. Diese fortgesetzten Energieverluste sind jedoch an der Leistungsaufnahme des Heizkörpers nicht zu dem Zeitpunkt ablesbar, an dem sie eintreten (siehe Kapitel 2.1; der Heizkörper ist ja abgeschaltet), sondern zeitverzögert erst dann, wenn die nächste Aufheizphase 3 beginnt – erst zu diesem Zeitpunkt sind die zuvor erfolgten Energieverluste an der Energie ablesbar, die nachgeliefert werden muß, um die Wände aufzuheizen: Da eine sich langsam abkühlende Wand jedoch weniger Energie an die Außenwelt abgibt, als eine auf konstanter Temperatur gehaltene Wand, muß während der Aufheizphase 3 weniger Energie nachgeliefert werden, als wenn die Raumtemperatur konstant gehalten worden wäre.

Die grüne Fläche zeigt somit unter Berücksichtigung des Abkühl- und Aufheizvorganges der Wände den Energiespareffekt durch Absenken der Raumtemperatur: Je geringer die Wärmekapazität der Wände ist, desto schneller sinkt die Temperatur ab und desto schneller beginnt die Energieeinsparung schon während der Auskühlphase der Wände. Und nach Abkühlung erreicht unsere Energieeinsparung ihr Maximum.


Zeit

Tem

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tur

Hei

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aus

Hei

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ein

Phase 1 Phase 2a Phase 2b Phase 3 Phase 1

2.2 Welche Temperaturabsenkung ist möglich?Durch Temperaturabsenkung kann jede beliebige Energieeinsparung erreicht werden. Wenn es gelingt, die Temperatur um z.B. 5K abzusenken, dann ergibt sich zwangsläufig pro Stunde dieser Absenkung eine Energieersparnis, die dieser Absenkung entspricht.

Nicht die erreichbare Energieersparnis ist also das Problem, sondern

a) die Höhe der erreichbaren Temperaturabsenkung und

b) die Geschwindigkeit, mit der die Temperaturabsenkung erreicht wird

Wir untersuchen deshalb im Folgenden zunächst die Effekte, die eine Temperaturabsenkung begrenzen oder verlangsamen.


2.2.1 Temperaturabsenkung ist nur begrenzt erreichbarIn manchen Räumen beobachtet man, daß die Temperatur trotz völlig abgeschalteter Heizung und trotz niedriger Außentemperaturen nicht unter einen bestimmten Wert fällt. Grund ist der Wärmestrom von benachbarten (geheizten) Räumen:

In diesem Beispiel existiert ein großer Wärmestrom aus den geheizten Räumen 1 und 4 in den ungeheizten Raum 2. Dieser Wärmestrom bildet ein Gleichgewicht mit den Verlusten, die Raum 2 an die Außenwelt hat. Und es stellt sich somit (in diesem Beispiel) eine Temperatur von 15°C in dem eigentlich ungeheizten Raum 2 ein. Dieser Effekt führt dazu, daß in diesem Beispiel und bei der hier angenommenen Außentemperatur von 5°C keine größere Temperaturabsenkung als 5K in Raum 2 erreichbar ist.

Trotz dieses Effektes wird immer genau die Energieeinsparung erzielt, die der jeweils erreichten Absenkung entspricht. Der Wärmestrom aus den Nachbarräumen ersetzt einfach nur den Wärmestrom, der eigentlich von dem eigenen Heizkörper aufgebracht werden müßte, um das beschriebene Gleichgewicht bei der jeweiligen Absenktemperatur aufrecht zu erhalten.

Unabhängig davon, ob der eigene Heizkörper eines Raumes oder die Heizkörper der Nachbarräume eine gegebene Absenktemperatur halten, entspricht die Energieersparnis immer der (wie auch immer) erreichten Temperaturabsenkung. Doch wenn es nicht gelingt, die Temperatur um mehr als einen bestimmten Wert abzusenken, dann stellt dieser Effekt eine Obergrenze dar für die auch bei beliebig langen Absenkdauern erreichbare Energieeinsparung pro Stunde in diesem Raum.

Einen bessere Dämmung des Raums zu seinen Nachbarräumen kann in solchen Fällen die erreichbare Energieeinsparung verbessern.


Raum 215°C

Raum 120°C

Raum 320°C

Raum 420°C

Außentemperatur5°C

2.2.2 Temperaturabsenkung tritt verzögert einJede Stunde, die der Raum auf abgesenkter Temperatur vorgehalten werden kann, zählt für die Energieeinsparung. Je langsamer die Temperatur in einem Raum abfällt, desto länger müssen die Nutzungspausen sein, während derer durch Temperaturabsenkung eine sinnvolle Energieeinsparung erreicht werden kann.

(Kurzer Zwischengedanke: Daraus könnte der Gedanke folgen, daß man eine höhere Energieersparnis erreicht, wenn man nach dem Abschalten der Heizung die Fenster öffnet, um den Raum so schnell wie möglich abzukühlen. Tatsächlich wäre ein solches Vorgehen energetisch ohne jeden Schaden, wenn die anschließende Nutzungspause des Raums so lange ist, daß seine Wände ohnehin auf Außentemperatur abkühlen. Ist dies jedoch nicht der Fall, so verschenkt man unnötig viel der in den Wänden gespeicherten Wärmeenergie und muß somit in der späteren Aufwärmphase unnötig viel nachliefern.)

Die Geschwindigkeit, mit der die Raumtemperatur zu Beginn einer Absenkphase abfällt, ist bedingt durch die räumlichen Gegebenheiten. Je größer die Wärmespeicherkapazität der Wände und je besser die Wärmedämmung eines Raumes ist, desto länger dauert es, bis die Temperatur abfällt und desto langsamer setzt der Energiespareffekt ein:

- den steilsten Temperaturabfall erwarten wir in einem schlecht gedämmten Gebäude in Leichtbauweise, mit besonders dünnen und leichten Wänden.

- den flachsten Temperaturabfall erwarten wir in einem stark gedämmten Gebäude in Massivbauweise mit besonders dicken und schweren Wänden.

Eine Energieersparnis durch Temperaturabsenkung tritt nicht nur ab dem Zeitpunkt ein, an dem die Absenktemperatur erreicht ist, sondern sie wird auch schon während der Auskühlphase erreicht. Jede Temperaturabsenkung, auch alle Zwischenstufen während des Auskühlens des Raumes, bedeutet eine Energieersparnis.


2.2.2.1 Der Raum kühlt während der Nutzungspause völlig ausWenn die Nutzungspause eines Raumes lang ist im Vergleich zu der Zeit, innerhalb derer der Raum auskühlt, dann ergibt sich der folgende Verlauf der Raumtemperatur. Dabei stellt die Größe der grünen Fläche ein Maß dafür dar, wieviel Energie gespart wird:

2.2.2.2 Der Raum kühlt während der Nutzungspause nur teilweise ausAber auch eine Temperaturabsenkung in Nutzungspausen, während derer der Raum nicht vollständig auskühlt, ist sinnvoll. Wie in Kapitel 2.1.1 erläutert, stellt der Vorgang des „Auskühlens/Wiederaufheizens“ an sich keinen Energieverbrauch dar, sondern ist energetisch völlig neutral.

Wird jedoch (auch in den kürzesten Absenkphasen) eine auch noch so kleine Temperaturabsenkung erreicht, so stellt diese in jedem Fall eine Energieeinsparung dar (grüne Fläche in nachfolgendem Diagramm):

Viele kleine, kurze Absenkungen über einen Tag verteilt versprechen in der Summe oftmals die gleiche Ersparnis wie eine längere Absenkung. Außerdem ist eine kurze Absenkung ja gerade dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur vielleicht nur um 1...3K fällt und mit dem von uns erfundenen Heizturbo-Verfahren hat man einen solch kleinen Temperaturabfall innerhalb einer kaum spürbaren Zeit wieder kompensiert – die Heizung kann tatsächlich wie das Licht bedarfsweise ein- und ausgeschaltet werden.

2.2.3 Messung der Auskühlgeschwindigkeit verschiedener RäumeUm die Frage nach dem Energiesparpotential beantworten zu können, muß man untersuchen, © 2001 Patentwerk.de GmbH, Essen 25 / 176

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Phase 1 Phase 2a Phase 2b Phase 3 Phase 1

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Phase 1

Phase 2a

Phase 3 Phase 1

welche Temperaturabsenkung in den unterschiedlichsten Räumen überhaupt möglich ist. Wir haben deshalb fünf Räume längere Zeit auf einer angenehme Wohlfühltemperatur gehalten, so daß Wände und Luft einen stationären Zustand erreicht hatten, und haben anschließend die Heizung abgeschaltet (5K Temperaturabsenkung wurde aktiviert) und den Verlauf des Temperaturabfalls aufgezeichnet.

Die grüne Kurve wurde im Seminarraum (ca. 80qm) registriert, die braune im Seminarvorraum (ca. 30qm). Beide Räume befinden sich in einem Holz-Fertigbau aus den 80er Jahren mit Spanplatten in Wänden und Decke. Praktisch alle Wände gehen nach außen.

Die rote Kurve wurde im Zimmer 11 des Hotels Villa Vogelsang aufgezeichnet. Dieses Zimmer befindet sich im ersten Stock eines denkmalgeschützten Altbaus von 1840. Zwei (Außen-)Wände bestehen aus Stein, 60cm Dicke. Die anderen zwei Wände bestehen aus Gipskarton. Decke ist aus Beton, Fußboden aus Holz. Alle angrenzenden Zimmer wurden während des Versuchs ebenfalls auf abgesenkter Temperatur betrieben.

Die blaue Kurve zeigt die Außentemperatur.

Seminarraum und Seminarvorraum verlieren nach Abschalten der Heizung etwa 0,6K pro Stunde, das Hotelzimmer fällt zunächst steiler ab mit 1K in der ersten Stunde, doch erreicht es dann bereits einen stationären Zustand (entweder hat die Regelung zu früh eingesetzt, oder der Wärmefluß aus den benachbarten Zimmern ist zu hoch).


Die nachfolgende Messung wurde im Haupthaus der Villa-Vogelsang im Erdgeschoß, aufgezeichnet. Es handelt sich um eine denkmalgeschützte Villa von 1840, massiv gebaut. Beide untersuchten Räume haben zwei massive Außenwände (70cm Dicke), zwei massive Innenwände zu geheizten Räumen, einen Holzboden zum ungeheizten Keller, eine Betondecke zu geheizten Räumen.

Der erste Raum (braune Kurve, Vogelsang-Raum) besitzt ca. 40qm und 4m Höhe. Der zweite Raum (rote Kurve, Lagerraum) hat ca. 20qm und 4,5m Höhe.

Der Lagerraum weist einen anfänglichen Temperaturabfall von 0,5K pro Stunde auf, der Vogelsang-Raum erreicht lediglich 0,25K pro Stunde. Einige Wochen später haben wir diese Messung bei niedrigerer Außentemperatur wiederholt:

Im Abstellraum ergab sich ein Temperaturabfall von 0,5K pro Stunde, im Vogelsangraum lag der Abfall bei 0,25K/h.


2.3 EnergiesparpotentialDie durch Temperaturabsenkung erreichte Energieersparnis ergibt sich aus der Zeitdauer der Temperaturabsenkung und der Höhe dieser Absenkung (siehe Kapitel 2.1.2). Dabei ist es offensichtlich, daß die möglichen Zeitdauern der Temperaturabsenkungen durch die Nutzung des Raumes bestimmt wird. Der Temperaturabfall pro Stunde (und damit überhaupt erst die Möglichkeit zur Temperaturabsenkung während einer gegebenen Nutzungspause des Raumes) ist dagegen von zahlreichen Faktoren abhängig. Neben der in Kapitel 2.2 erkannten Abhängigkeit von den baulichen Gegebenheiten eines Raumes (Fläche der Außen- und Innenwände, Bauart der Wände, Temperatur umliegender Räume usw.), ist die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls auch ganz erheblich abhängig von der Außentemperatur. Bei einer Außentemperatur von 15°C haben wir in Kapitel 2.2 Abkühlgeschwindigkeiten von 0,5...1K/h gemessen. Wir erwarten bei niedrigeren Außentemperaturen erheblich schnellere Abkühlgeschwindigkeiten. Abkühl- und spätere Aufheizkurven verlaufen exponentiell. Zur Vereinfachung betrachten wir beide Vorgänge zunächst jedoch als lineare Kurven.


2.3.1 ÜbersichtWenn es gelingt, normale Räume innerhalb von 5...10 Minuten aufzuheizen, dann führen vier verschiedene Effekte zur Energieeinsparung. Das folgende Diagramm zeigt die Energieeinsparung, die durch eine herkömmliche Nachtabsenkung erreicht wird (grüne Fläche):

Bei drastischer Verkürzung der Aufheizphasen und gleichzeitiger Steigerung des Wärmestroms während der Aufheizphase ( größerer Temperaturhub) ergibt sich folgendes Diagramm (grün: Energieersparnis durch herkömmliche Nachtabsenkung, rot: zusätzliche Energieersparnis):

In den folgenden Kapiteln untersuchen wir die Effekte einzeln.


Uhrzeit06:00 12:00 18:0000:00

Steilere Aufheizkurve, längere Absenkphase

Nachtabsenkung erst dann beenden, wenn

der Raum genutzt wirdGrößerer Wärmestrom

beim Aufheizen erlaubt tiefere Absenkung

Absenkung wird auch in Nutzungspausen

möglich

Uhrzeit

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Inne

n - A

ußen

06:00 12:00 18:0000:00

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2.3.2 Steilere Aufheizkurve, längere AbsenkphaseNachtabsenkungen finden in praktisch jedem Gebäude seit Jahren standardmäßig statt. Solange man die langen Aufheizzeiten herkömmlicher Raumheizungen akzeptiert, muß man den Aufheizvorgang Stunden vor der beabsichtigten Nutzung des Raumes starten. Der Temperaturverlauf einer herkömmlichen Raumheizung entspricht z.B. der schwarzen Kurve in nachfolgendem Diagramm:

Gelingt es dagegen, die Aufheizzeiten zu verkürzen, so ist der rot dargestellte Temperaturverlauf möglich.

Wir bleiben nun bei der in Kapitel 2.1.2 erläuterten Denkweise, wonach wir die Energie, die in Phase 3 zum Wiederaufheizen der Wände gebraucht wird, gedanklich in die Abkühlphase 2a verschieben. Denn in der Abkühlphase 2a können wir aus der langsam abfallenden Raumtemperatur ablesen, in welchem Maße die Energie aus den Wänden verloren geht und genau diese Energie muß ja in der Aufheizphase 3 nachgeliefert werden. Daraus ergibt sich das nachfolgende Diagramm für die zu jedem Zeitpunkt eingesparte Heizleistung, in dem in Phase 2a erst ein langsamer Anstieg der Einsparung dargestellt ist, obwohl die Heizung tatsächlich vollständig abgeschaltet ist:

Wenn es gelingt, die Aufheizphase 3 von 1...2h Dauer zu senken auf 5...10 Minuten, dann verläuft die Phase 3 steiler und wir erhalten zusätzlich die rot dargestellte Fläche als Energieersparnis.


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Phase 1Phase 2a

Phase 2b Phase 1

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Phase 1Phase 2a

Phase 2b Phase 1

Zusätzliche Energieeinsparung bei jeder Temperaturabsenkung

Phase 3

Phase 3

In einem beispielhaften Gebäude wird um 22h00 die Nachtabsenkung aktiviert, die Räume kühlen innerhalb von 2 Stunden aus und um 5h00 beginnt die Aufheizphase, damit die Räume um 7h00 angenehm warm sind. Während der 2stündigen Auskühlphase und auch während der 2stündigen Aufheizphase erreichen wir lediglich die halbe Energieersparnis pro Stunde. Insgesamt ergibt sich durch den herkömmlichen Vorgang dieser Nachabsenkung damit folgende Energieersparnis:

Phase Dauer Einsparung pro Stunde

Einsparung insgesamt

Nacht-Auskühlphase 22h00 bis 24h00

2h 0,5 1

Nachtabsenkung 24h00 bis 5h00

5h 1 5

Aufheizphase 5h00 bis 7h00

2h 0,5 1

Gesamt-Einsparung durch diese Absenkphase 7

Gelingt es jedoch, die Aufheizphase auf 5...10 Minuten zu verkürzen, so kann diese vernachlässigt werden und es ergibt sich folgender Ablauf:




2h 0,5 1

Nachtabsenkung 24h00 bis 7h00

7h 1 7


Durch Abkürzung der Aufheizphase kann die Energieersparnis einer Temperaturabsenkphase somit um etwa 15% verbessert werden. Wenn eine normale Nachtabsenkung also z.B. vorher 25% Energie eingespart hat, so kann sie nun auf eine Einsparung von etwa 29% kommen.


2.3.3 Nachtabsenkung erst dann beenden, wenn der Raum genutzt wirdHeute wird die Nachtabsenkung fast immer zeitgesteuert beendet. Würde man nämlich die Nachtabsenkung eines Raumes erst dann beenden, wenn man den Raum nutzen will, dann müßte man 1...2h warten, bevor angenehme Temperaturen erreicht sind. Das ist nicht zumutbar, deshalb beendet man die Nachtabsenkung heute immer zu der frühesten Uhrzeit, zu der eine Nutzung des Raumes wahrscheinlich ist.

Beispiele:- Wenn 10% der Mitarbeiter um 7h00 morgens mit der Arbeit beginnt, dann werden alle

Büros so vorgeheizt, daß sie ab 7h00 nutzbar sind. - Wenn das Wohnzimmer manchmal ab 18h00 genutzt wird, dann schalten wir die Heizung

so, daß es immer ab 18h00 warm ist.- Wenn ich frühestens um 17h00 nach der Arbeit zuhause bin, dann sorge ich dafür, die

Räume immer um 17h00 warm sind.

Tatsächlich jedoch schwankt der Zeitpunkt, zu dem ein Raum genutzt wird, und manche Räume werden an manchen Tagen überhaupt nicht genutzt.

Wenn es gelingt, Räume erst bei konkretem Bedarf und innerhalb von wenigen Minuten auf die Wohlfühltemperatur zu heizen, dann kann die Nachtabsenkung jedes Raumes bis unmittelbar zum Nutzungsbeginn laufen. Nachtabsenkungen können somit im Mittel 1...2h länger aktiv sein. In unserem Beispiel ergibt sich:




2h 0,5 1

Nachtabsenkung 24h00 bis 9h00 (im Mittel)

9h 1 9


Mit einer herkömmlichen Nachtabsenkung kamen wir auf einen Einsparwert von „7“, jetzt erreichen wir „10“. Die herkömmliche Nachtabsenkung wird somit um 43% effektiver in Folge der Effekte, die sich aus der Verkürzung der Aufheizzeit ergeben. Wenn eine normale Nachtabsenkung also in diesem Beispiel vorher 25% Energie eingespart hat, so kann sie nun auf eine Einsparung von etwa 36% kommen.

Es gibt nur wenige Energiesparmaßnahmen, die mit derart niedrigem Aufwand eine 11%ige Heizenergie-Ersparnis für einen derartig großen Prozentsatz der Haushalte und Büros versprechen.

2.3.4 Raumtemperatur zusätzlich in Nutzungspausen absenken Die Einsparungen können weiter erhöht werden, wenn man auch in Tages-Nutzungspausen © 2001 Patentwerk.de GmbH, Essen 32 / 176

den Raum abkühlen läßt. Wieviel Energie dabei gespart werden kann, hängt davon ab, wie steil die Raumtemperatur nach Abschalten der Heizung abfällt.

Unsere Versuche in Kapitel 2.2.3 zeigten, daß bei anfänglicher Raumtemperatur von 23°C und Außentemperatur von 15°C verschiedene Gebäude anfänglich mit rund 0,5K/h auskühlen. Setzen wir nun erneut in erster Näherung die Energieeinsparung zu jedem Zeitpunkt als Differenz zwischen der abgesenkten und der nicht-abgesenkten Raumtemperatur an, so ergibt sich der folgende zeitliche Verlauf der Leistungseinsparung (rote Kurve) und als Integral dieser Kurve die Energieeinsparung (blau):

Daraus folgen die nachstehenden Energieeinsparungen für verschiedene Arten der Raumtemperaturabsenkung:

Temperaturabsenkung... Beschreibung Relative Energieeinsparung...während einer Besprechung 2...3h Temperaturabsenkung 1...2,25...während eines Vormittags 5h Temperaturabsenkung 6,25...während der Nacht 7h Temperaturabsenkung

z.B. von 22Uhr bis 05Uhr12,25

...während man tagsüber außer Haus arbeitet

10h Temperaturabsenkung z.B. von 08 Uhr bis 18 Uhr

25


0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

RaumtemperaturLeistungseinsparungEnergieeinsparung

2.3.5 Tiefere Absenktemperatur wird möglichDurch den Heizturbo wird der Wärmestrom P des vorhandenen Heizkörpers während der Aufheizphase um den Faktor 2...3 gesteigert:

Bei gegebenem Übergangswiderstand „Luft/Wand“ Rlw darf die Wand somit auf erheblich tiefere Werte abgekühlt werden und wir erreichen immer noch praktisch sofort (Cluft kann vernachlässigt werden) die gewünschte Raumtemperatur.

Die erzielte Energieeinsparung ist direkt proportional dazu, wie hoch die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außentemperatur ist. Gelingt es dank des erhöhten Wärmestroms, diese Temperaturdifferenz während der Absenkphasen zu halbieren, so erreichen wir eine 50%ige Energieersparnis (während der Absenkphasen).

Diesem Effekt sind jedoch Grenzen gesetzt, da die Einrichtung eines Raumes bei zu starker Temperaturabsenkung Schaden nehmen kann.


Rhl Rlw

Cluft Cwand

Theizk Tluft Twand

P

2.4 Abschätzung des Höhe der Energieeinsparung

2.4.1 Einzelraum-BetrachtungWir untersuchen drei verschiedene Räume:

a) Büro, dessen Nutzer nach Gleitzeitregelung arbeitetb) Wohnzimmerc) Arbeitszimmer

Die zeitlichen Nutzungsprofile setzen wir beispielhaft wie folgt an:

Büro Wohnzimmer ArbeitszimmerNutzungsbeginn Schwankend

zwischen 8...10hSchwankend, am Wochenende manchmal schon vormittags, in der Woche frühestens um 17h (außer an freien Tagen) an manchen Tagen überhaupt nicht

Schwankend, frühestens um 17h, an manchen Tagen überhaupt nicht

Wir treffen folgende Annahmen für einen in einem modernen Gebäude liegenden Raum:

Zeit bis zum Auskühlen der Wände: 2 StundenAußentemperatur: 10°CRaumtemperatur: 22°CZeitliches Nutzungsprofil des Raums: 8:00 bis 10:00

10:20 bis 12:00

14:00 bis

2.4.1.1 Herkömmlicher Betrieb des RaumesWir nehmen folgende Werte an:

Absenkung der Temperatur um: 5K

7K mit Heizturbo

Weiterhin nehmen wir an, daß dieses Gebäude durch eine moderne Heizungsregelung für 10 Stunden nachts in der Temperatur abgesenkt wird. Während der 2 Stunden langen Auskühlphase nehmen wir vereinfachend eine mittlere Absenkung von 3,5K an. Den Energiespareffekt während der Aufheizphase berücksichtigen wir nicht, weil er zu Lasten des Komforts geht. Der Energiebedarf ist proportional zum Produkt aus der Differenz zwischen Außen- und Innentemperatur und der Zeitdauer. Wir führen lediglich eine Vergleichsbetrachtung durch und bleiben bei relativen Werten für den Energiebedarf:


Phase Dauer Temperatur Temperaturdifferenz EnergiebedarfNacht-Auskühlphase 2h 18,5 °C 8,5K 17Nachtabsenkung 8h 15 °C 5K 40Wohlfühltemperatur 14h 22 °C 12K 168

Gesamtenergiebedarf 225

Wenn die Heizung tagsüber während weiterer 9 Stunden auf abgesenkter Temperatur arbeiten würde, dann ergäbe sich folgender Energiebedarf:

Phase Dauer Temperatur Temperaturdifferenz EnergiebedarfNacht-Auskühlphase 2h 18,5 °C 8,5K 17Nachtabsenkung 8h 15 °C 5K 40Wohlfühltemperatur 5h 22 °C 12K 60Tages-Auskühlphase 2h 18,5 °C 8,5K 17Tagesabsenkung 7h 15 ‚°C 5K 35

Gesamtenergiebedarf 169Energieersparnis für diesen Raum somit 25%


2.4.2 Gesamtbilanz für ein GebäudeDer Energiespareffekt durch den Heizturbo setzt sich aus drei Komponenten zusammen:

a) Die übliche Nachtabsenkung wird effektiver, weil die Aufheizphase kürzer wird und somit erst später beginnen kann (siehe Kapitel Error: Reference source not found). Dies steigert den Energiespareffekt einer vorhandenen Nachtabsenkung um etwa 15%.

b) Die übliche Nachtabsenkung muß nicht mehr starr per Zeitschaltuhr beendet werden. Statt dessen kann jeder Raum zum wirklichen Beginn seiner Nutzung in den Tagesbetrieb geschaltet werden. Je nachdem, wie stark die Nutzungsanfangszeiten in einem Gebäude gespreizt sind, erwarten wir eine Steigerung der durch die übliche Nachtabsenkung erreichten Energieersparnis um etwa 40%. Siehe Kapitel 2.3.3.

c) Zusätzlich wird durch den Heizturbo eine Tagesabsenkung in Nutzungspausen möglich. In Kapitel 2.4.1 haben wir für 9 stündige Zusatz-Absenkung eines Raumes eine 25%ige Energieersparnis abgeschätzt.


2.5 WirtschaftlichkeitEin typisches Einfamilienhaus mit 4 Zimmern, Küche, Diele, Bad, verfügt über 7 Heizkörper, die etwa 2000 DM Heizkosten pro Jahr verursachen. Wenn wir durch bedarfsweise Schaltbarkeit der Heizkörper im Mittel eine 15%ige Energieersparnis erreichen, dann ergeben sich etwa 300 DM Heizkostenersparnis pro Jahr. Pro Heizkörper und Jahr sind das rund 40 DM.

Im Einzelhandel finden sich Ventilatoren im Preisbereich von etwa 20...60 DM. Die Anschaffungskosten werden also innerhalb von rund 1 Jahr durch die Einsparungen bezahlt.


2.6 KomfortnutzenReine Energiesparmaßnahmen werden vom Konsumenten nur träge akzeptiert. Von ganz zentraler Bedeutung ist es deshalb, daß der Heizturbo die spürbaren Komfortnachteile einer heute allgemein üblichen Verhaltensweise beseitigt:

- Praktisch jeder stellt die Heizung in längeren Nutzungspausen aus und spürt (im Winter sogar täglich) die Nachteile der langen Aufheizzeiten

- Durch den Heizturbo wird dieser von Millionen Menschen gespürte Komfortnachteil beseitigt.

Die Tatsache, daß der Heizturbo seine Käufer somit aus zwei Gründen (Komfort und Sparsamkeit) findet, die jeder für sich allgemein akzeptiert sind, wird ihm erheblich bessere Marktchancen einräumen, als sie Produkte haben, die nur einen reinen Spareffekt bringen.


3 Versuchsaufbau3.1 Untersuchter Raum

Wir führen diese Versuche im Vorraum unseres Seminarraums durch, weil dort ein moderner Heizkörper der Firma Kermi frei und ohne Verkleidung hängt. Bei einem Heizkörper mit Verkleidung oder einem Heizkörper, der in eine Fensternische eingebaut ist, erwarten wir durch das Hinzufügen eines Ventilators während der Aufheizphase einen noch stärkeren Effekt. Die Ergebnisse, die wir in diesem Raum erzielen, sind somit ungünstiger als die Ergebnisse, die in anderen Räumen zu erwarten sind.

Der Raum entspricht mit einer Fläche von etwa 30 qm einem üblichen Zimmer. Nachteilig ist jedoch, daß der Raum eine längliche Form hat:

Die Innenflächen des Raums bestehen aus Spanplatten mit 0,02m Stärke. Der Raum hat folgende Daten:

Breite x Tiefe x Höhe = 7,4 x 3,4 x 3 m3

Luftvolumen = 75m3

Oberfläche der Innenhaut = 115m2

Masse der Innenhaut = 1035kg

Die spezifische Wärmekapazität der Luft haben wir mit 1,3kJ/m3K nachgeschlagen, für die spezifische Wärmekapazität der Wand nehmen wir in erster Näherung den Wert für Fichtenholz mit 2,1 kJ/kgK. Daraus folgt:

Wärmekapazität der Luft = 75 m3 * 1,3kJ/m3K = 97,5kJ/K = 0,03kWh/KWärmekapazität der Wände = 1035kg * 2,1 kJ/kgK = 2173 kJ/K = 0,6 kWh/K

Um Luft bzw. Wände um 1K zu erwärmen, benötigt man demnach die o.g. Energien.


Heizkörper, Kermi, 2 Platten, 1400 x 900 mm2

3.2 Untersuchter Heizkörper

3.2.1 Kermi-Berechnungen für einen Referenz-HeizkörperEin Heizkörper Kermi-Typ 22 im Format 0,6 x 1 m2 hat folgende Katalogleistungen:

Vorlauf/Rücklauf/Raumtemperatur in °C Katalogleistung in W75 / 65 / 20 169255 / 45 / 20 86945 / 40 / 20 603

Strahlungsanteil: 20%

Unter der Annahme, daß der Gebläsevolumenstrom nur Auswirkungen auf die Wärmeabgabe zwischen den HK-Platten hat und die Leistung der HK-Außenflächen nur durch freie Konvektion bestimmt ist, ergibt sich (Parameter ist Vorlauf/Rücklauf/Raumtemperatur in °C):

92 / 73 / 25 71 / 58 / 25 46 / 41 / 24Katalogleistung Qk/W 2011,2 1239,2 500,8Strahlungsleistung Qs/W 402,2 247,8 100,2Konvektionsleistung Qkonv/W 1608,9 991,3 400,7Mittlere HK-Temp. TmHK / °C 82,5 64,5 43,5Mittlere Temp.Differenz ΔTm / K 58 40 20Konvektionsfläche außen Ap / m2 1,2αp = 1,6 * Tm

0,3 / W/m2 K 5,4 4,8 3,9Wärmel.d.freien Konv. Qp= Ap * αp * ΔTm / W

372,3 228,5 91,3

Innere Wärmeleistung Qi = Qkonv – Qp / W

1236,7 762,84 309,4

Log. Temp.Differenz ΔTlog / K 13,7 9,6 4,7Innere Oberfläche Ai / m2 6,7Wärmeübergangskoeff. Innen αi / W/m2K

13,35 11,83 9,78

Nusseltzahl Nu / l 5,5 4,8 4,0Reynoldszahl Re / l ermittelt aus Nuerzwungen = (49,028 + 4,173 * Re * Pr *dh/L)0,333

2233,9 1258,9 295

Geschw., die ich bei erzw. Strömung bräuchte, um die entspr. Leist zu bekommen

3,3 1,8 0,4

Gemessene Geschw. Bei freier Konvektion

3,8 (92/73/25) 1,0 (71/58/25) 0,26 (46/41/24)


Ermittlung der Wärmeleistung abhängig vom Volumenstrom bei 75/65/20:

VpGebläse / m3/h 20 50 100 250 500 1000 1500 2000Freier Strömungsquerschnitt Ai / m2

0,0432

Geschw. / m/s 0,08 0,19 0,39 0,96 1,93 3,68 5,79 7,72Re=w*dh/nue / l 52,8 131,9 263,9 659,8 1319,5 2639,0 3958,6 5278,1Nu=(49,028+...) 3,7 3,8 4,0 4,4 4,9 9,2 14,2 18,6αi=Nu*lambda/dh / W/m2K

9,1 9,3 9,7 10,7 11,9 22,4 34,8 45,5

Qierzwungen=αi*Ai*ΔTlog

/ W830,4 851,5 884,5 971,1 1088,2 2045,7 3172,0 4145,4

αkomb=(αerz3+αfrei

3)0,333 13,7 13,8 14,0 14,5 15,2 23,5 35,2 45,6Qigem / W 1250,8 1260,2 1275,5 1319,4 1386,6 2144,8 3206,2 4156,5Qgeserzw=Qierzw+Qs+Qp / W

1479,3 1500,4 1533,4 1619,9 1737,0 2694,6 3820,8 4794,3

Qgesgem= Qigem+Qs+Qp / W

1899,6 1909,0 1924,3 1968,2 2035,5 2793,7 3855,1 4805,3

Leist.Steigerung zur Katalogleistung von 1692 W / %

12,3 12,8 13,7 16,3 20,3 65,1 127,8 184,0

Quelle: Berechnungen von Frau Schmidt, Firma Kermi, Juni 2001


3.2.2 Hochrechnung auf unseren HeizkörperAls Heizkörper ist ein Konvektor Typ 22, Fabrikat Kermi, mit einer sichtbaren Fläche von 1,4 x 0,9m2 an der Innenwand zu einem angrenzenden, ungeheizten Raum montiert. Uns liegt eine Berechnung der Firma Kermi für einen ähnlichen Heizkörper vor (Kapitel 3.2.1), der jedoch nur eine Fläche von 0,6x1m2 besitzt. Auf der Basis dieser Vergleichflächen rechnen wir die Daten unseres Heizkörpers wie folgt hoch:

Bekannter Heizkörper Unser HeizkörperFläche der äußeren Platte 0,6 x 1,0 m2 1,4 x 0,9 m2

Spezifischer Wärmeleitwert Heizkörperinnenraum / Luft (ungünstigster Wert, gilt für 46 / 41 / 24)

9,78 W/ m2K 0,01 kW/ m2K

Innere Oberfläche 6,7 m2 14 m2 (hochgerechnet)Wärmeleitwert Heizkörperinnenraum / Luft(ungünstigster Wert, gilt für 46 / 41 / 24)

0,067 kW/K 0,14 kW/K (hochgerechnet)

Übergangswiderstand Heizkörper/Luft (ungünstigster Wert, gilt für 46 / 41 / 24)

15 K/kW 7 K/kW


3.3 VersuchsbedingungenAlle Messungen werden unter vier Bedingungen durchgeführt:

1. Heizkörper ohne Zusatzeinrichtungen (ohne Ventilator). Die Bildernamen sind „HZ_OH...“

2. Heizkörper mit 21 Ventilatoren (60x60 mm2, je ca. 38m3/h) oben unter dem Gitter eingebaut. Diese Ventilatoren saugen Luft zwischen den Platten an und blasen sie nach oben in den Raum. Diesen Aufbau bezeichnen wir als „Kleine Ventilatoren oben“,Bildernamen sind „HZ_K...“:


3. Heizkörper mit Ventilatoren (120x120 mm2, je ca. 114 m3/h) unten unter den Heizkörper gestellt. Diese Ventilatoren saugen Luft in Fußbodenhöhe aus dem Raum und blasen sie unter den Heizkörper. Diesen Aufbau bezeichnen wir als „Große Ventilatoren unten“, Bildernamen sind „HZ_G...“

4. Beide Maßnahmen b + c gleichzeitig. Die Bildernamen sind „HZ_GK...“

5. Eine große Luftableitfläche aus Styropor wurde so über dem Heizkörper montiert, daß die warme Abluft sofort in den Raum strömt, ohne sich an der Wand und der Decke über dem Heizkörper abzukühlen. Die Bildernamen sind „HZ_...S“:


6. Um die Wandaufheizung hinter dem Heizkörper zu vermeiden und gleichzeitig die nach hinten abgestrahlte Wärme der Konvektion zugänglich zu machen, wurde eine Styroporplatte an der Wand hinter dem Heizkörper befestigt und auf dieser eine Kupferplatte:


Heizkörper

Kupferplatte

Styroporplatte

Wand

3.4 Beschreibung der eingesetzten MeßtechnikWir zeichnen den Temperaturverlauf mit busförmig verdrahteten NTC-Fühlern Typ W&T 72080 oder mit Hilfe von PT100-Fühlern auf, die an einen Datenlogger gekoppelt sind. Die Auswertungen erfolgen über das Winlog-Programm.

Die Sensoren sind an folgenden Stellen angebracht. Die Aufzeichnung wird beendet, sobald ein statischer Zustand erreicht ist:


Wir drehen den Heizkörper manuell schlagartig zu 100% auf bei Beginn des Versuchs (der im Foto sichtbare Stellantrieb hat keine Funktion) und zeichnen auf:

a) Vor- und Rücklauftemperatur gemessen außen am Kupferrohr direkt am Heizkörper. Der NTC-Sensor liegt jeweils auf dem Metallrohr auf und ist mit Schaumstoff umwickelt, um ihn von der Raumluft abzuschirmen:

b) Heizkörper-Oberflächentemperaturen gemessen mit NTCs an der Frontplatte des Heizkörpers auf halber Höhe, und je einmal an dem Rand an dem sich Vor- und Rücklauf befinden sowie in der Mitte der Heizkörperplatte:


c) Lufttemperatur im Konvektions-Abluftstrom, gemessen mit NTCs 10cm über dem Heizkörper-Gitter und je einmal an jedem Rand und in der Mitte des Gitters:

d) Lufttemperatur im Konvektions-Zuluftstrom gemessen mit einem NTC mittig zwischen Heizkörper-Unterkante und Fußboden, mittig unter dem Heizkörper:


e) Lufttemperatur in 1,5m Höhe mittig im Raum, gemessen mit einem NTC im Zustrom eines kleinen Meßsensor-Ventilators, um die Trägheit der Temperaturmessung zu minimieren.

f) Wand- und Deckentemperatur in 0,5m und 1m Abstand über dem Heizkörper und an der Decke über dem Heizkörper. Meßpunkte in jedem Höhenniveau jeweils genau in der Mitte über dem Heizkörper, sowie 0,5m und 1m nach links von der Mitte versetzt. Gemessen wurde mit PT100-Sensoren von besonders kleiner Masse:


g) Wandtemperatur an den sonstigen Wänden: Wir haben die Temperaturen manuell alle 5 Minuten mit einem berührungslosen Infrarot-Meßgerät aufgenommen. Den ersten Meßwert haben wir mit der Anzeige eines Oberflächenfühlers kalibriert, um den unbekannten Wärmestrahlungskoeffizienten der Tapete zu eliminieren. Meßpunkte lagen in ca. 1,5m Höhe an folgenden Stellen:

rot in der Nähe der Kaffeemaschineblau an der langen Wand, direkt gegenüber der Heizunggelb an der langen Wand, gegenüber der Heizung, etwas zur Terasse hinweiss an der langen Wand, an der Terasse

h) Die Genauigkeit des in Punkt 3.4 eingesetzten Infrarot-Meßgeräts erschien uns zu gering. Wir haben deshalb einige Messungen wiederholt und dabei an Stelle des Infrarot-Meßgeräts einige PT100-Fühler an die Meßpunkte der Wand angebracht.


4 Meßergebnisse4.1 Oberflächentemperatur des HeizkörpersDie folgenden Kurven zeigen den Verlauf der Oberflächentemperatur an der vorderen Außenseite des Heizkörpers während der Einschaltphase:

Bild „HZ_OH_OB“: Nur natürliche Konvektion, keine Ventilatoren

Bild „HZ_K_OB“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren oben


Bild „HZ_G_OB“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren unten

Bild „HZ_GK_OB“: Natürliche Konvektion + Vent. Unten + Vent. Oben


Ergebnisse:

- Die Oberflächentemperatur bleibt immer ca. 7...10°C unter der Vorlauftemperatur.

- Die Oberflächentemperatur schwankt über die Fläche des Heizkörpers um etwa 3...5°C. Die Temperaturverteilung entspricht nicht immer der Erwartung: In manchen Kurven ist die Temperatur an der Heizkörperseite, wo Vor- und Rücklauf angeschlossen sind, niedriger als an der entfernten Seite.

- Der Heizkörper hat nach etwa 5 Minuten seine Arbeitstemperatur erreicht.- Der Heizkörper wird durch die zusätzlichen Ventilatoren nur wenig abgekühlt.


4.2 Konvektionsluft

Leider war es uns nicht möglich, den Volumenstrom der Konvektion zu messen. Ein angeschafftes Meßgerät mit Flügelrad konnte die geringen Luftbewegungen nicht messen. Wir mußten uns deshalb auf die Aufzeichnung des Temperaturverlaufs beschränken, dürfen jedoch bei der Auswertung nicht vergessen, daß die Luftströme in allen Versuchen höchst unterschiedlich waren.


4.2.1 AbluftDie folgenden Kurven zeigen den Verlauf der Konvektionsluft-Temperatur oberhalb des Heizkörpers (Abluft) während der Einschaltphase:

Bild „HZ_OH_LU“: Nur natürliche Konvektion, keine Ventilatoren

Bild „HZ_K_LU“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren oben


Bild „HZ_G_LU“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren unten

Bild „HZ_GK_LU“: Natürliche Konvektion + Vent. Unten + Vent. Oben


Ergebnisse:

- Die Ablufttemperatur ohne Ventilatoren liegt bei etwa 45°C, mit Ventilatoren beträgt sie etwa 30°C.

- Die Temperatur der Konvektionsluft über dem Heizkörper ist an allen drei Meßorten ungefähr gleich.

- Die Konvektion beginnt fast gleichzeitig mit dem Anstieg der Vorlauftemperatur und hat nach ungefähr 5 Minuten ihr erstes Maximum erreicht. Hier gibt es keinen Unterschied, ob Ventilatoren benutzt wurden oder nicht.

- Die Konvektion verläuft auch ohne Ventilatoren parallel zum Aufheizvorgang des Heizkörpers, es gibt keine Zeitverzögerung. Interessanterweise setzt die Konvektion sogar bereits dann ein, wenn in mittlerer Höhe an der vorderen Heizkörperplatte noch keine Erhöhung der Oberflächentemperatur gemessen werden kann. Ich vermute, daß die Oberflächentemperatur in den oberen Bereichen des Heizkörpers früher ansteigt und daß dies für die anfängliche Konvektion verantwortlich ist.

- Die Wirkung der unteren Ventilatoren scheint geringer zu sein als die der oberen. Die Kombination aller Ventilatoren bringt keine erkennbare Verstärkung der Wirkung der oberen Ventilatoren alleine.

- Vermutung: Die unteren Ventilatoren bringen lediglich eine gewisse zusätzliche Konvektion dadurch, daß sie die Luft an der Vorder- und Rückseite des Heizkörpers in Bewegung bringen.


4.2.2 ZuluftDie folgenden Kurven zeigen den Verlauf der Konvektionsluft-Temperatur unterhalb des Heizkörpers (Zuluft) sowie die Vorlauf- und die Raumtemperatur während der Einschaltphase:

Bild „HZ_OH_RA“: Nur natürliche Konvektion, keine Ventilatoren

Bild „HZ_K_RA“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren oben


Bild „HZ_G_RA“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren unten

Bild „HZ_GK_RA“: Natürliche Konvektion + Vent. Unten + Vent. Oben


Ergebnisse:

An diesen Kurven können wir folgende Raum-Aufheizzeiten ablesen:

Versuchsbedingung Aufheizzeit für 5K Temperaturerhöhung

Heizkörper normal, ohne Ventilatoren >30 MinutenHeizkörper plus Ventilatoren oben 7 MinutenHeizkörper plus Ventilatoren unten 7 MinutenHeizkörper plus Ventilatoren oben und unten 6 Minuten

Hinweis:

- Wir sollten überlegen, ob wir nicht die Zuluft-Temperatur (gemessen im vom Heizkörper an seiner Unterseite angesaugten Luftstrom) in Zukunft als Maß für die Raumtemperatur nutzen.


4.3 Aufheizvorgang der Wände

4.3.1 Alle WändeDie folgenden Diagramme zeigen den Aufheizvorgang der Innenwände des Raums.

4.3.1.1 Einzelmessungen

Bild „HZ_OH_WI“: Oberflächentemperatur der 4 Wände, ohne Ventilatoren.

Bild „HZ_K_WI“: Oberflächentemperatur der 4 Wände, Ventilatoren oben


4.3.1.2 Mittelwerte

Bild „HZ_OH_WI2“: Oberflächentemperatur-Mittelwert der 4 Wände, ohne Ventilatoren

Bild „HZ_K_WI2“: Oberflächentemperatur-Mittelwert der 4 Wände, Ventilatoren oben


Ergebnisse:

- Der Mittelwert der Wandtemperaturen steigt mit Ventilatoren innerhalb von etwa 10 Minuten um 2K. Ohne Ventilatoren wird dafür mit 30 Minuten die dreifache Zeit benötigt.


4.3.2 Wand und Decke über dem HeizkörperWir untersuchen die Wand, an der der Heizkörper montiert ist und die direkt über ihm liegende Deckenfläche genauer, weil diese Flächen besonders starker Aufheizung ausgesetzt sind.

4.3.2.1 Einzelmessungen

Bild „HZ_OH_W5“: Wandaufheizung 50cm über HK, ohne Ventilatoren

Bild „HZ_K_W5“: Wandaufheizung 50cm über HK, Ventilatoren oben


Bild „HZ_OH_W1“: Wandaufheizung 100cm über HK, ohne Ventilatoren



Bild „HZ_OH_WD“: Deckenaufheizung über HK, ohne Ventilatoren

Bild „HZ_K_WD“: Deckenaufheizung über HK, Ventilatoren oben


4.3.2.2 MittelwerteWir haben Mittelwerte gebildet für die drei Meßpunkte in jeder Höhe (50cm, 100cm, Decke) und diese zusammen mit der Raumtemperatur dargestellt:

Bild „HZ_OH_WR“: Durchschnittstemperaturen über HK, ohne Ventilatoren

Bild „HZ_K_WR“: Durchschnittstemperaturen über HK, Ventilatoren oben


Ergebnisse:

- Wand- und Deckentemperatur über dem Heizkörper steigt mit Ventilatoren schneller an.

- Die Temperaturverteilung mit Ventilatoren ist erheblich gleichmäßiger- Wand- und Deckentemperaturen über dem Heizkörper sind viel höher als

sinnvoll. Die Ventilatoren sollten die Warmluft weg von Wand und Decke lenken.


4.3.3 Kontrollmessungen mit PT100-FühlernDie Genauigkeit unseres berührungslosen Thermometers ist nicht sicher. Wir haben deshalb Kontrollmessungen mit PT100-Fühlern gemacht.

Bild „HZ_K_WP“: Temperatur von 3 Wänden, Ventilatoren oben




Bild „HZ_K_WR“: Durchschnittstemperaturen über HK, Ventilatoren oben

Ergebnis:

- Die Meßergebnisse mit Infrarot-Thermometer und mit PT100-Fühlern unterscheiden sich kaum.


4.3.4 Wand- und Raumtemperatur mit AbleitflächenBei diesem Versuch wurde die oben aus dem Heizkörper (ohne und mit Ventilatoren, ohne und mit Styropor-Isolierung hinter dem Heizkörper) austretende Abluft mit Styroporplatten in den Raum hinein abgeleitet.

Die Deckentemperatur wurde über der Oberkante der Platten gemessen. Über der Heizung waren vier Sensoren auf der Wand angebracht, in 50cm Höhe über der Heizung und in 100cm Höhe; ein Sensor mittig, der andere 20cm vom Heizungsrand entfernt. Ausserdem wurde die Wandtemperatur an drei anderen Stellen in jeweils 1,5m Höhe gemessen (mit PT100, da IR-Messung uns unsicher erschien):Nordseite in der Nähe der KaffeemaschineOstseite an der langen Wand, direkt gegenüber der HeizungSüdostseite an der langen Wand, gegenüber der Heizung, 2m zur Terasse hin

Die Ablufttemperatur wurde 10cm über der Heizung gemessen, an der Unterseite der Styroporplatte.


4.3.4.1 Einzelmessungen, Heizkörperumgebung

„hz_os_w5“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 50cm über Heizkörper,keine Ventilatoren, keine Rückseitenisolierung

„hz_or_w5“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 50cm über Heizkörper,keine Ventilatoren, mit Rückseitenisolierung


„hz_ks_w5“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 50cm über Heizkörper,Ventilatoren oben, keine Rückseitenisolierung

„hz_kr_w5“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 50cm über Heizkörper,Ventilatoren oben, mit Rückseitenisolierung


„hz_os_w1“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 100cm über Heizkörper,keine Ventilatoren, keine Rückseitenisolierung

„hz_or_w1“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 100cm über Heizkörper,keine Ventilatoren, mit Rückseitenisolierung


„hz_ks_w1“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 100cm über Heizkörper,Ventilatoren oben, keine Rückseitenisolierung

„hz_kr_w1“ Ablufttemperatur mit Wandtemperaturen in 100cm über Heizkörper,Ventilatoren oben, mit Rückseitenisolierung


„hz_os_wd“ Ablufttemperatur mit Deckentemperatur über Heizkörper,keine Ventilatoren, keine Rückseitenisolierung

„hz_or_wd“ Ablufttemperatur mit Deckentemperatur über Heizkörper,keine Ventilatoren, mit Rückseitenisolierung


„hz_ks_wd“ Ablufttemperatur mit Deckentemperatur über Heizkörper,Ventilatoren oben, keine Rückseitenisolierung

„hz_kr_wd“ Ablufttemperatur mit Deckentemperatur über Heizkörper,Ventilatoren oben, mit Rückseitenisolierung


4.3.4.2 Mittelwerte, Heizkörperumgebung

„hz_os_wr“ Ablufttemperatur mit Temperaturen der drei Höhen (jeweils Durchschnittstemperatur der beiden Messpunkte in einer Höhe),

keine Ventilatoren, keine Rückseitenisolierung

„hz_or_wr“ Ablufttemperatur mit Temperaturen der drei Höhen (jeweils Durchschnittstemperatur der beiden Messpunkte in einer Höhe),

keine Ventilatoren, mit Rückseitenisolierung


„hz_ks_wr“ Ablufttemperatur mit Temperaturen der drei Höhen (jeweils Durchschnittstemperatur der beiden Messpunkte in einer Höhe),

Ventilatoren oben, keine Rückseitenisolierung

„hz_kr_wr“ Ablufttemperatur mit Temperaturen der drei Höhen (jeweils Durchschnittstemperatur der beiden Messpunkte in einer Höhe),

Ventilatoren oben, mit Rückseitenisolierung


4.3.4.3 Raum- und entfernte Wandtemperaturen

„hz_os_wp“ Raumtemperatur und Wandtemperaturen,gemessen an drei entfernten Stellen der Wand, keine Ventilatoren, keine Rückseitenisolierung

„hz_or_wp“ Raumtemperatur und Wandtemperaturen,gemessen an drei entfernten Stellen der Wand, keine Ventilatoren, mit Rückseitenisolierung


„hz_ks_wp“ Raumtemperatur und Wandtemperaturen,gemessen an drei entfernten Stellen der Wand, Ventilatoren oben, keine Rückseitenisolierung

„hz_kr_wp“ Raumtemperatur und Wandtemperaturen,gemessen an drei entfernten Stellen der Wand,

Ventilatoren oben, mit Rückseitenisolierung


4.3.5 Wandisolierung hinter dem HeizkörperWir haben versucht, die Wandaufheizung hinter dem Heizkörper zu vermeiden und gleichzeitig die nach hinten abgestrahlte Wärme der Konvektion zugänglich zu machen. Bei diesem Versuch wurde an der Wand hinter der Heizung eine Kupferplatte (um Strahlungswärme der Konvektion zugänglich zu machen)auf einer 10mm dicken Styroporschicht (als Isolation zur Wand) montiert. Unter dem oberenAbdeckgitter der Heizung wurden 21 Ventilatoren (50x50x25mm) betrieben. Nachdiesem Versuch wurde ein Referenzversuch ohne Kupferplatte/Styropordurchgeführt. Die Diagramme zeigen jeweils den Vergleich eines Messwertesaus beiden Versuchen.

„hz_ku_rt“ Raumtemperatur


Heizkörper

Kupferplatte

Styroporplatte

Wand

„hz_ku_wp“ Durchschnittswerte der Wandtemperaturen der Nord-, Ost- undSüdostwand

„hz_ku_wt“ Durchschnittswerte der Wandtemperaturen 50cm über derHeizung


„hz_ku_wd“ Durchschnittswerte der Deckentemperaturen über der Heizung

Ergebnis:

- Bei der Auswertung der Diagramme muß berücksichtigt werden, daß die Kurven „mit Kupferplatte“ jeweils auf niedrigerem Temperaturniveau beginnen und daß dieser Abstand während der gesamten Messungen konstant bleibt.

- Die Kombination „Styroporplatte/Kupfer“ hat somit (mit unseren Meßmitteln) keinen spürbaren Effekt.


4.4 Leistungs- und Energieaufnahme des HeizkörpersDie folgenden Kurven zeigen den Verlauf der Vor- und Rücklauf-Temperaturen des Heizkörpers während der Einschaltphase. Um die tatsächliche Leistungsaufnahme zu ermitteln, müßten wir die Vor- und Rücklauftemperaturen sowie den Massen-Durchfluß des Heizwassers messen. Letzteres würde es erfordern, einen Durchflußsensor in die Rohrleitung einzubauen. Wir haben deshalb darauf verzichten müssen, eine Absolut-Messung der Leistungsaufnahme durchzuführen und haben statt dessen lediglich die Vor- und Rücklauftemperaturen erfaßt. Dieses vereinfachte Vorgehen führt ebenfalls zu aussagekräftigen Messungen, weil wir den Heißwasser-Durchfluß durch den Heizkörper bei allen Versuchsaufbauten als konstant ansehen können. Unsere Messungen liefern nach unserer Ansicht auch quantitativ korrekte Messergebnisse, was den prozentualen Vergleich der Leistungsaufnahme unter den verschiedenen Versuchsbedingungen angeht.

Die grüne Kurve zeigt jeweils die Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur an und ist ein Maß für die vom Heizkörper aufgenommene Leistung.

Die braune Kurve stellt das Integral der grünen Kurve (der Leistungsaufnahme) dar und zeigt somit die vom Heizkörper aufgenommene Energie an.


4.4.1 Heizkörper heizt sich nur selbst aufWährend der Einschaltphase wird die vom Heizkörper aufgenommene Energie zunächst dazu verwendet, seinen ursprünglich kalten Wasserinhalt und seine eigene Metallmasse aufzuheizen. Um diese Energie messen zu können, haben wir den Heizkörper komplett in Styropor (Dicke = 34 mm) eingekleidet, so daß er möglichst wenig Energie an den Raum abgibt und statt dessen alle von ihm aufgenommene Energie möglichst nur zur Eigen-Erwärmung von Heizkörper und Wasserinhalt dient:

Nun wurde Vor- und Rücklauftemperatur, Differenz der beiden (Leistung) und Integral der Leistung (Energie) aufgezeichnet:

Gleichzeitig haben wir die Oberflächentemperatur an der äußeren Platte des Heizkörpers


aufgezeichnet und stellen diese hier der bereits in obenstehendem Diagramm dargestellten Kurve der vom Heizkörper aufgenommenen Energie gegenüber:

Dieses Diagramm gibt uns nun die Möglichkeit, für jede gemessene Heizkörpertemperatur den Energieinhalt des Heizkörpers selbst ablesen zu können. Dies ist in den nachfolgenden Versuchen wichtig, weil wir damit aus der Differenz zwischen der im Heizkörper gespeicherten Energie und der insgesamt von ihm aufgenommenen Energie darauf schließen können, welche Energie tatsächlich an den Raum abgegeben wurde.


4.4.2 Heizkörper heizt sich und den Raum aufOhne Ventilatoren, nur mit natürlicher Konvektion erreicht der Heizkörper bei weitem nicht nicht Katalogwerte von Vor- und Rücklauftemperatur:

Bild „HZ_OH_OB“: Nur natürliche Konvektion, keine Ventilatoren

Bild „HZ_K_OB“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren oben


Bild „HZ_G_OB“: Natürliche Konvektion + Ventilatoren unten

Bild „HZ_GK_OB“: Natürliche Konvektion + Vent. unten + Vent. Oben


Ergebnisse:

- Ohne Ventilatoren pulsiert die Leistungsaufnahme des Heizkörpers mit den Schwankungen in der Vorlauftemperatur. Während großer Zeitabschnitte nimmt der Heizkörper überhaupt keine Leistung auf.

- Sowohl ohne, als auch mit Ventilatoren erreichen wir nicht die Katalogwerte von Vor- und Rücklauftemperatur. Wir bleiben weit unter der möglichen Leistungsabgabe des Heizkörpers.

- Mit Ventilatoren nimmt der Heizkörper zu allen Zeiten Leistung auf und die Leistungsaufnahme ist erheblich höher.

- Ohne Ventilatoren nimmt der Heizkörper in den ersten 30 Minuten etwa 8000 „Energieeinheiten“ auf, mit Ventilatoren erhöht sich dieser Wert auf etwa 12000. Von beiden Werten muß der Energiebetrag abgezogen werden, den der Heizkörper für seine Eigenerwärmung benötigt.


4.4.3 Energie, die der Heizkörper an den Raum abgibtAus dem Versuch in Kapitel 4.4.1 wissen wir, bei welcher Heizkörpertemperatur welche Energie im Heizkörper selbst gespeichert ist. Aus dem Versuch in Kapitel 4.4.2 wissen wir für die verschiedenen Aufbauten, welche Energie der Heizkörper zu welchem Zeitpunkt insgesamt aufgenommen hat und wir kennen auch die Oberflächentemperatur des Heizkörpers zu jeder Zeit. Durch Differenzbildung läßt sich daraus der Verlauf der Energieabgabe an den Raum für jeden Versuchsaufbau darstellen:

Da alle Kurven einen Sockelwert von etwa 1500 Energieeinheiten haben, müssen wir diesen Sockel abziehen.

Ergebnisse:

Alle drei untersuchten Ventilator-Kombinationen bewirken fast die gleiche Steigerung der Energieabgabe an den Raum.

Die Gesamt-Energieabgabe an den Raum nach 30 Minuten wird von (5000 – 1500 =) 3500 Energieeinheiten mit Hilfe von Ventilatoren verdoppelt auf (8500 – 1500 =) 7000 Energieeinheiten.

Die Energieabgabe an den Raum setzt mit Ventilatoren etwa 5 Minuten früher ein als ohne Ventilatoren.

Wichtiger Hinweis:

- Wir wissen nun, welche Energie an den Raum abgegeben wird, wir wissen aber nicht, an welche Komponenten des Raums die Energie geht (welche der 4 Wände? Decke? Boden? Luft?)


4.4.4 Kontrollrechnung: LeistungsbilanzIn Kapitel 3.1 haben wir die Wärmekapazität für das im Raum enthaltene Luftvolumen sowie seine Außenwände abgeschätzt. In den zuvor dokumentierten Versuchen haben wir die Temperaturerhöhungen von Luft und Wand einmal mit und einmal ohne Ventilatoren gemessen.

Aus dem Produkt von Temperaturerhöhung innerhalb eines gegebenen Zeitraums und Wärmekapazität läßt sich ganz grob die aufgenommene Energie für Luft und Wand abschätzen. Wenn wir diese Energien addieren, dann müßten sich mit und ohne Ventilatoren zwei Energiesummen ergeben, die ebenso im Verhältnis 2:1 stehen müßten, wie die Energie, die der Heizkörper an den Raum abgibt mit und ohne Ventilatoren:

Temperaturerhöhung innerhalb einer gegebenen Zeitspanne

Objekt Wärmekapazität

ohne Ventilatoren

mit Ventilatoren

Luft 0,03 kWh/K 1 K 6 KWand 0,6 kWh/K 1 K 3 KDecke 0,6 kWh/K 1 K 1 KSumme der Energien (Wärmekapazität * Temperaturerhöhung)

1,23 kWh 2,58 kWh

Dieses Verhältnis entspricht grob der gemessenen Verdopplung der Heizkörperleistung. Unsere Messungen scheinen in sich schlüssig zu sein.


4.5 Versuche mit reduzierter Ventilator-DrehzahlDer Versuch wurde dreimal durchgeführt. Beim ersten Versuch wurden die Ventilatoren bei 100% ihrer Drehzahl betrieben, beim zweiten Versuch mit 75% und beim dritten mit 50%. Die Geschwindigkeit des erzeugten Luftstroms ist etwa proportional zur Drehzahl. Alle Versuche fanden am selben Tag statt, so daß die Versuchsumgebung annähernd gleich war. Die Diagramme zeigen jeweils das Ergebnis aller drei Versuche. Da die Kurven zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, sind die Angaben der Zeitachsen relativ zum Beginn der Versuche.

hz_kd_rt Raumtemperatur

hz_kd_ab Ablufttemperatur


hz_kd_wt Wandtemperaturen, jeweils Durchschnittswert aller drei Meßpunkte

Ergebnisse:

- Man kann mit der Ventilatordrehzahl die Raumtemperatur regeln- Bei kleinen Drehzahlen sind die Ventilatorgeräusche sehr gering


4.6 Abruptes Abschalten der VentilatorenBeim nachfolgenden Versuch haben wir noch vor Ende der Aufheizphase die Ventilatoren abgeschaltet und den Temperaturverlauf der Wände und der Luft aufgezeichnet:

Bild „HZ_K_AB“: Temperatur von 3 Wänden, Ventilatoren oben, PT100-Sensoren, Temperaturverlauf beim Abschalten der Ventilatoren (Heizung blieb aufgedreht)

Ergebnis:

- Erwartungsgemäß sinkt die Lufttemperatur in dem Moment, in dem der zusätzliche Wärmestrom durch die Ventilatoren abgeschaltet wird.


4.7 Raumaufheizung nur mit einem HeizlüfterDer Seminarraum wurde mit einem Heizlüfter (Nennleistung 2kW) aufgeheizt. Der Heizlüfter blies in Richtung Raummitte. Die elektrische Leistung des Heizlüfters wurde mit einem Steckeradapter gemessen. Vor Beginn des Versuchs wurde der Energiezähler des Adapters auf Null gestellt. Die Raumtemperatur wurde mit vier PT100-Sensoren gemessen, die im Raum verteilt waren. Im Diagramm und in der Tabelle ist der Durchschnittswert aller vier Sensoren dargestellt. Der Versuch begann um 14:33 und endete um 18:33. Zum Ende desVersuchs zeigte das Meßgerät 7.035 kWh an. Die Außentemperatur betrug ca. 6.5°C.

18.02.2002 14:25:00 10,23°C18.02.2002 14:30:00 10,23°C18.02.2002 14:35:00 10,26°C18.02.2002 14:40:00 10,57°C18.02.2002 14:45:00 10,97°C18.02.2002 14:50:00 11,14°C18.02.2002 14:55:00 11,25°C18.02.2002 15:00:00 11,32°C18.02.2002 15:05:00 11,41°C18.02.2002 15:10:00 11,48°C18.02.2002 15:15:00 11,57°C18.02.2002 15:20:00 11,59°C18.02.2002 15:25:00 11,65°C18.02.2002 15:30:00 11,72°C18.02.2002 15:35:00 11,77°C18.02.2002 15:40:00 11,80°C18.02.2002 15:45:00 11,87°C18.02.2002 15:50:00 11,93°C18.02.2002 15:55:00 11,96°C18.02.2002 16:00:00 11,99°C18.02.2002 16:05:00 12,02°C18.02.2002 16:10:00 12,06°C18.02.2002 16:15:00 12,13°C18.02.2002 16:20:00 12,17°C18.02.2002 16:25:00 12,23°C18.02.2002 16:30:00 12,31°C

18.02.2002 16:35:00 12,29°C18.02.2002 16:40:00 12,32°C18.02.2002 16:45:00 12,36°C18.02.2002 16:50:00 12,41°C18.02.2002 16:55:00 12,44°C18.02.2002 17:00:00 12,50°C18.02.2002 17:05:00 12,54°C18.02.2002 17:10:00 12,56°C18.02.2002 17:15:00 12,59°C18.02.2002 17:20:00 12,59°C18.02.2002 17:25:00 12,64°C18.02.2002 17:30:00 12,69°C18.02.2002 17:35:00 12,71°C18.02.2002 17:40:00 12,72°C18.02.2002 17:45:00 12,76°C18.02.2002 17:50:00 12,78°C18.02.2002 17:55:00 12,82°C18.02.2002 18:00:00 12,80°C18.02.2002 18:05:00 12,90°C18.02.2002 18:10:00 12,90°C18.02.2002 18:15:00 12,94°C18.02.2002 18:20:00 12,96°C18.02.2002 18:25:00 13,00°C18.02.2002 18:30:00 13,01°C18.02.2002 18:35:00 13,05°C


Nun haben wir den Seminarvorraum mit nur einem Heizlüfter (gemessene Leistung: 1,75kW) aufgeheizt. Der Heizlüfter blies in Richtung Raummitte. Die Raumtemperatur wurde mit vier PT100-Sensoren gemessen, die im Raum verteilt waren. Im Diagramm und in der Tabelle ist der Durchschnittswert aller vier Sensoren dargestellt. Der Versuch begann um 15:14 und endete um 18:22. Die Außentemperatur betrug ca. 5.5°C.

19.02.2002 15:00:00 10,98°C19.02.2002 15:05:00 10,98°C19.02.2002 15:10:00 10,96°C19.02.2002 15:15:00 10,99°C19.02.2002 15:20:00 12,10°C19.02.2002 15:25:00 13,02°C19.02.2002 15:30:00 13,44°C19.02.2002 15:35:00 13,73°C19.02.2002 15:40:00 14,03°C19.02.2002 15:45:00 14,21°C19.02.2002 15:50:00 14,41°C19.02.2002 15:55:00 14,60°C19.02.2002 16:00:00 14,77°C19.02.2002 16:05:00 14,95°C19.02.2002 16:10:00 15,17°C19.02.2002 16:15:00 15,27°C19.02.2002 16:20:00 15,36°C19.02.2002 16:25:00 15,53°C19.02.2002 16:30:00 15,70°C19.02.2002 16:35:00 15,76°C19.02.2002 16:40:00 15,97°C

19.02.2002 16:45:00 16,17°C19.02.2002 16:50:00 16,30°C19.02.2002 16:55:00 16,36°C19.02.2002 17:00:00 16,50°C19.02.2002 17:05:00 16,58°C19.02.2002 17:10:00 16,65°C19.02.2002 17:15:00 16,79°C19.02.2002 17:20:00 16,90°C19.02.2002 17:25:00 16,98°C19.02.2002 17:30:00 17,11°C19.02.2002 17:35:00 17,24°C19.02.2002 17:40:00 17,35°C19.02.2002 17:45:00 17,43°C19.02.2002 17:50:00 17,47°C19.02.2002 17:55:00 17,57°C19.02.2002 18:00:00 17,71°C19.02.2002 18:05:00 17,75°C19.02.2002 18:10:00 17,83°C19.02.2002 18:15:00 17,92°C19.02.2002 18:20:00 18,08°C


Im Laufe vieler Stunden war es nicht möglich, bis zu dem Punkt zu heizen, an dem die Raumtemperatur bei laufendem Heizlüfter konstant bleibt (Gleichgewicht zwischen zugeführter Heizleistung und Wärmeverlust). Wir haben deshalb versucht, uns diesem Punkt „von oben“ zu nähern:

Der Seminarvorraum wurde mit Heizkörper und Heizlüfter aufgeheizt. Anschließend wurde der Heizkörper abgeschaltet, während der Heizlüfter seine bekannte Heizleistung (1,75kW) weiterhin permanent einspeiste. Die Raumtemperatur fiel erwartungsgemäß und es stellte sich eine konstante Temperatur von 36°C ein. Die Aussentemperatur betrug ca. 10-12°C.


5 Theoretische Überlegungen5.1 Ein ideal durchmischter Luftraum wird aufgeheizt

Wir übertragen die Vorgänge auf folgendes Modell aus der Elektrotechnik:

Dieses Modell basiert auf der Voraussetzung, daß die Luft im Raum eine homogene Masse darstellt, die an allen Stellen die gleiche Temperatur hat, also zu jedem Zeitpunkt ideal durchmischt ist. Die homogene Luftmasse erhält einen Wärmezufluß vom Heizkörper und einen –abfluß an die Wand. Dabei ist:

Theizk: Temperatur des Heizkörpers, in unserem Versuch etwa 50°C

Rhl Wärmewiderstand Heizkörper/Luft: Nach Kapitel 3.2.2 hat unser Heizkörper ohne Ventilatoren einen Wärmeübergangsleitwert von 140 W/K oder einen Wärmewiderstand von 7 K/kW. Mit Ventilatoren haben wir in Kapitel 4.4.3 etwa eine Verdopplung der Heizkörperleistung gemessen, wobei die Oberflächentemperatur des Heizkörpers konstant blieb. Grob kann man daraus auf eine Halbierung des Wärmewiderstandes schließen. Wir hätten somit mit Ventilatoren einen Wärmewiderstand von etwa 3,5 K/kW.

Tluft Temperatur der Luft

Cluft Wärmekapazität der Luft: Nach Kapitel 3.1 beträgt die Wärmekapazität des in unserem Raum enthaltenen Luftvolumens etwa 0,03 kWh/K. Um den Raum um 5K zu erwärmen, sind demnach 0,15 kWh erforderlich. Bei anfänglich 50°C Heizkörper- und 15°C Lufttemperatur ergibt sich ein Temperaturgefälle von 35°C an Rhl. Ohne Ventilatoren (Rhl = 7K/kW) folgt daraus ein anfänglicher Wärmestrom von 5kW, der bei 20°C Lufttemperatur auf 4kW abgenommen hat. Mit diesem Wärmestrom haben wir die 0,15kWh, mit denen wir unser Luftvolumen um 5K in der Temperatur erhöhen, in 2 Minuten aufgebracht.

Rlw Wärmewiderstand Luft/Wand: Unsere Außenhaut hat eine Fläche von etwa 115m2. Den spezifischen Wärmeübergangsleitwert Luft/Wand haben wir mit 4 W/m2K nachgeschlagen. Daraus folgt: Glw = 4 W/m2K * 115 m2 = 0,460 kW/K oder: Rlw = 2,2 K/kW

Twand Temperatur der Wand, anfangs: 15°C

Cwand Wärmekapazität der Wand: Nach Kapitel 3.1 beträgt die Wärmekapazität unserer Wände etwa 0,6 kWh/K. Wenn wir die gesamte Masse der Wand um 5K in der Temperatur erhöhen möchten, dann benötigen wir dazu 3kWh.

Unter diesen Voraussetzungen ergibt sich ohne Ventilatoren folgende Kurve für den © 2001 Patentwerk.de GmbH, Essen 100 / 176

Rhl Rlw

Cluft Cwand

TheizkTluft Twand

7K/kW ohne Ventilatoren3,5K/kW mit Ventilatoren 2,2K/kW

Aufheizvorgang:

... und die nachfolgende Kurve für den Aufheizvorgang mit Heizturbo:


Ergebnisse:

Wenn die Luft im Raum ideal vermischt wäre, dann

- würden sich behagliche Raumtemperaturen mit oder ohne Ventilatoren innerhalb weniger Minuten einstellen,

- wäre der beim Aufheizen erreichte Temperaturhub durch die Ventilatoren mit Heizturbo etwa 70% größer, und

- würde die Wandtemperatur mit Ventilatoren etwa dreimal so schnell ansteigen.


5.2 Heizleistungsverlust in der HeizkörperumgebungIn Kapitel 5.1 haben wir nachgewiesen, daß ein ideal durchmischter Raum mit und ohne Heizturbo in wenigen Minuten aufgeheizt sein müßte. Mit Heizturbo erreichen wir diese kurzen theoretischen Aufheizzeiten. Doch ohne Heizturbo ist die Aufheizzeit erheblich länger, als es der gemessenen, in den Raum eingespeisten Heizleistung entspricht. Der vom Heizkörper an den Raum abgegebene Wärmestrom kann also (ohne Ventilatoren) nicht durch die Raumluft fließen, sondern muß sofort in die Wände in der Umgebung des Heizkörpers gehen. Unsere Messungen (Kapitel 4.3.2) bestätigen diese Theorie. Sowohl mit, als auch ohne Ventilatoren messen wir eine erhebliche Erhöhung der Wand- und Deckentemperatur in der unmittelbaren Umgebung des Heizkörpers. Da mit Ventilatoren die doppelte Heizleistung zur Verfügung steht, ergibt sich trotz dieses Effektes die angestrebte schnelle Aufheizung des Raumes. Ohne Ventilatoren jedoch, mit nur einfacher Heizleistung, bleibt für die Aufheizung der Raumluft zu wenig Leistung übrig. Der Heizkörper hat auch ohne Heizturbo eine Leistung, die es möglich machen würde, die Luft im Raum innerhalb von 2 Minuten auf ein angenehmes Niveau zu bringen. Doch ohne Heizturbo streicht die vom Heizkörper auf 47°C erwärmte „Abluft“ zunächst an der darüberliegenden Wand und an der Decke entlang und erwärmt beide:

Erst wenn Wand und Decke über dem Heizkörper auf eine völlig unnötig hohe Temperatur aufgewärmt sind (CHKWand stellt eine extrem große Kapazität dar!), steigt die Lufttemperatur im sonstigen Raum und erst danach werden die restlichen Wände, Decken, Böden und Möbelstücke aufgeheizt. Da es sich bei der „überhitzten“ Heizkörperwand meist um eine Außenwand handelt, entstehen erhebliche Energieverluste an die Umwelt. Es ist zu vermuten, daß bei jedem Aufheizvorgang einer herkömmlichen Konvektionsheizungen einige Kilowattstunden allein dadurch an die Außenwelt abgegeben werden, daß während der für das Aufheizen notwendigen 1...2 Stunden die Außenwand, an der der Heizkörper montiert ist, auf übermäßig hohen Temperaturen gehalten wird. Denn nur dann ist die natürliche Konvektion in der Lage, den Raum aufzuheizen.


Rhl Rlw

Cluft Cwand

Theizk Tluft Twand

CHKWand

Tabluft

Rhwl

5.3 Anforderung an den Volumenstrom des Ventilators

5.3.1 Zulässige Abluft-Temperaturen eines HeizgerätesWir haben an der Universität Wuppertal recherchiert. Für Heizlüfter wird in der Literatur vielfach die Norm DIN 44569 genannt. Sie ist aber inzwischen ungültig und kann daher an der Uni Wuppertal nicht mehr eingesehen werden. Es gibt jetzt eine europäische Norm DIN EN 60675 für diesen Themenkreis. Eine Höchsttemperatur ist dort nicht erwähnt.

In dem Buch Recknagel, Sprenger, Hönmann "Taschenbuch für Heizung+Klima Technik" (Oldenbourg) heißt es auf Seite 934:

"Gelegentlich werden auch Hochdruckluftheizungen gebaut, bei denen die Luft mit Temperaturen von 100..200°C in die Räume eingeblasen wird. Kleine Rohrleitungen,

hygienisch aber ungünstig."

Für Haartrockner soll gemäß DIN 44538 geprüft werden, ob die Temperatur am Lockenwickler des Prüfkopfes nicht über 70°C ansteigt.

Für Öfen nach DIN EN 13240:200 (D) muss geprüft werden, ob die Temperatur der Bediengriffe erträglich bleibt:

< 35K über Raumtemperatur für Griffe aus Metall< 45K über Raumtemperatur für Griffe aus Porzellan< 60K über Raumtemperatur für Griffe aus Kunststoff

Befinden sich brennbare Materialen in der Umgebung des Ofens, muss geprüft werden, ob dort keine Luft-Temperatur über 85°C entstehen kann. Auf erträglich niedrige Temperaturen muss auch an der Standfläche des Ofens und bei Ölöfen auch für den Öltank geachtet werden. Für die Ofenwand wird eine Durchschnittstemperatur von 200 - 250° angenommen. Eine weitere Prüfung stellt fest, ob die Abgastemperatur nicht über 350°C ansteigen kann.

DIN 18892 fordert für das Austrittsgitter des Luftstromes an Kachelöfen:

"Bei der Prüfung darf die im Kernstrom gemessene Temperatur im Abstand von 15 cm zum Konvektionsgitter 85°C (bezogen auf 25°C Raumtemperatur) nicht überschreiten"

Die mehrfach auftretende Grenze von 85°C Lufttemperatur an der Stelle von brennbaren Materialien hat eventuell auch Verordnungscharakter (Feuerstättenverordnung muß noch geprüft werden).

Insgesamt ist die Frage der maximalen Ablufttemperatur noch nicht abschließend geklärt.


5.3.2 Heizleistung in Abhängigkeit von Temperaturdifferenz und Luftvolumenstrom

Der Ventilator hat zwei Aufgaben:

1. Erhöhung der Heizkörperleistung durch gesteigerte Konvektion2. Beförderung des Warmluftstroms direkt in den Raum, weg von Wand und Decke

Beide Aufgaben werden dann optimal erfüllt, wenn die gesamte warme Abluft des Heizkörpers durch den Ventilator transportiert wird. Dabei ist es gleichgültig, ob es sich um den Anteil der Warmluft handelt, der auf natürlicher Konvektion beruht oder um den Anteil, der eine durch Zwangskonvektion gesteigerte Leistungsabgabe des Heizkörpers darstellt.

Der pro kW Heizkörperleistung notwendige Luftvolumenstrom vom Heizkörper (und damit das notwendige Fördervolumen des Ventilators) kann aus der Differenz zwischen der Abluft- und der Raumtemperatur und der Wärmekapazität der Luft (1,3kJ/m3K = 0,00036 kWh/m3K) berechnet werden:

Abluft-temperatur

Differenz zu 15°C Raumluft

Energiegehalt dieser Differenz pro cbm Luft

Notwendiger Luftvolumenstrom pro kW

30°C 15K 0,005kWh 200 m3/h40°C 25K 0,009kWh 110 m3/h50°C 35K 0,013kWh 77 m3/h60°C 45K 0,016kWh 63 m3/h70°C 55K 0,020kWh 50 m3/h85°C 70K 0,025kWh 40 m3/h95°C 80K 0,029kWh 34 m3/h105°C 90K 0,032kWh 31 m3/h115°C 100K 0,036kWh 28 m3/h Mit einem kleinen, handelsüblichen Ventilator läßt sich etwa 120 m3/h Luftvolumenstrom erzeugen:

Ohne elektrische Zusatzheizung läßt sich damit je nach Vorlauftemperatur des Heizkörpers (30...70°C gemäß obenstehender Tabelle) eine Heizleistung von 0,6...2,4kW pro Ventilator transportieren.

Mit elektrischer Zusatzheizung lassen sich Ablufttemperaturen von 85...115°C erreichen, also eine transportierte Heizleistung von 3...4,3kW pro Ventilator.


5.4 Mögliche Temperaturabsenkung mit HeizturboDie Heizturbo-Ventilatoren sorgen dafür, daß die Heizleistung fast vollständig zur Erwärmung der Luft und danach zur gleichmäßigen Erwärmung aller Wände zur Verfügung steht. Die Raumtemperatur Tluft wird auf diese Weise überwiegend durch die Heizleistung P bestimmt und durch den Wärmeübergangswiderstand Rlw von der Luft zur Wand. Wir bleiben bei der folgenden Rechnung bei der Worst-Case-Annahme, wonach die Wandtemperatur TW konstant niedrig bleibt (die Wand erwärmt sich überhaupt nicht und zeigt permanent die maximale Wärmeaufnahme). Unter diesen Voraussetzungen gilt folgendes Ersatzschaltbild:

Der spezifische Wärmeübergangsleitwert von Luft auf einen Festkörper liegt praktisch unabhängig vom Material bei etwa 4 W/m2K, der spezifische Wärmeübergangswiderstand entspricht dem Kehrwert, also 0,25 m2K/W oder 250 m2K/kW.

Die Summe Aw aus Wand, Decken und Bodenflächen beträgt bei quadratischen Räumen mit Grundfläche A und 3m Höhe:

Aw = 2A + 12 * A0,5

Somit läßt sich für einen Raum mit gegebener Grundfläche A der Wärmeübergangswiderstand Luft/Wand RLW abschätzen mit:

RLW = 250 / (2A + 12 * A0,5)

Der durch Einspeisen der Heizleistung P (in kW) erreichbare Temperaturhub ΔT (in K) in der Raumtemperatur Tluft entspricht der maximal erlaubten Absenkung der Raumtemperatur:

ΔT = P * RLW = P * 250 / (2A + 12 * A0,5)


Heizleistung PRlw

Cluft

Tluft Tw=const.

Das folgende Diagramm zeigt für verschiedene Raumgrundflächen, welcher Temperaturhub sich in Abhängigkeit von der eingespeisten Heizleistung am Ende der Aufheizphase einstellt, um wieviel K also die Raumtemperatur abgesenkt werden kann in Nutzungspausen:

Die oben dargestellte maximale Absenktemperatur stellt den Temperaturhub dar, der beim Einschalten der Heizung innerhalb kürzester Zeit stattfindet (abhängig von der Wärmekapazität der Luft). Dadurch, daß der Heizturbo die Leistung des Heizkörpers steigert, wird auch dieser Temperaturhub vergrößert, was man auf drei Arten nutzen kann:

Entweder nutzt man den durch Heizturbo erhöhten Temperaturhub, um den abgesenkten Raum auf einer niedrigeren Temperatur vorzuhalten, was zu einer verbesserten Energieersparnis führt. Beim Einschalten der mit Heizturbo unterstützten Heizung wird praktisch sofort die normale Raumtemperatur erreicht und kann konstant gehalten werden:


Αβσενκτεµπερατυρ Ηειζλειστυνγ Ραυµγρ ε �

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

0 2 4 6 8 10 12

Heizleistung / kW

max. Absenktemperatur / K

20qm40qm80qm160qm

Tem

pera

tur

Hei

zung

aus

Hei

zung

ein

Zeit

Ober man senkt die Raumtemperatur im abgesenkten Betrieb um weniger als den durch Heizturbo erreichten Temperaturhub, so daß beim erneuten Einschalten der Heizung für eine gewisse Zeit lang eine höhere als die letztlich angestrebte Raumtemperatur erreicht wird. Auf diese Weise erreicht man einen erhöhten Wärmestrom in die Wände (schnellere Aufheizzeit der Wände) und gleichzeitig ein besseres Wohlbefinden der Menschen in dem Raum, weil die Wände nicht so stark abgekühlt sind und weil die anfangs abgeschwächte Wärmestrahlung von den Wänden durch eine erhöhte Raumtemperatur kompensiert wird:

Beispiel: Wenn die Raum- und Wandtemperatur um 5K abgefallen sind und man die Raumtemperatur kurzzeitig nicht um diese 5K, sondern um 7K erhöht, dann ist der Wärmestrom in die Wand am Anfang bereits um 40% größer. Je mehr die Wandtemperatur während des Aufheizvorgangs sich der Soll-Temperatur annähert, desto stärker ist der durch die erhöhte Raumtemperatur erreichte Geschwindigkeitsgewinn, was die Wandaufheizung angeht.

Ober man kombiniert beide Möglichkeiten: Die Raumtemperatur im abgesenkten Betrieb wird genau um den jeweils möglichen Temperaturhub niedriger als die Wohlfühltemperatur gehalten, so daß letztere beim Einschalten der Heizung sofort erreicht wird. Da die Wände sehr schnell ebenfalls in der Temperatur ansteigen, gleichzeitig jedoch der mögliche Temperaturhub konstant bleibt, kann man sehr kurz nach Erreichen der Wohlfühltemperatur bereits eine erhöhte Temperatur im Raum aufbauen, wodurch die Wände sich im Verlauf der Aufheizphase immer schneller aufheizen.


Tem

pera

tur

Hei

zung

aus

Hei

zung

ein

Zeit

Erhöhte Raumtemperatur

Tem

pera

tur

Hei

zung

aus

Hei

zung

ein

Zeit

Erhöhte Raumtemperatur

5.5 Raumaufheizgeschwindigkeit mit Heizturbo

5.5.1 Zeitlicher Verlauf des Aufheizvorgangs

5.5.1.1 Aufheizkurve bei konstanter HeizleistungDer in Kapitel 5.4 berechnete Temperaturhub stellt den Wert dar, dem sich die Raumtemperatur am Ende der Aufheizphase nähert, nachdem die Wärmekapazität der Luft aufgeladen wurde. Der zeitliche Verlauf dieses Aufheizvorgangs wird im Folgenden für verschieden große Räume (A) und verschiedene Heizleistungen (P) dargestellt. Die Heizleistung wird bei diesen Berechnungen konstant eingebracht.

mit

und

Wie schon in Kapitel 5.4, sind wir auch hier wieder von der ungünstigsten Voraussetzung ausgegangen, wonach sich die Wände überhaupt nicht aufheizen. In einem modernen Gebäude sind deshalb noch steiler ansteigende Kurven zu erwarten. Die Bilder zeigen jeweils den Anstieg der Raumtemperatur (in K) in Abhängigkeit von der Zeit (in Minuten) mit 5 verschiedenen Heizleistungen (2, 3, 4, 5 und 6 kW) als Parameter:


Aufheizkurve eines quadratischen 20qm großen Raumes mit 3m Höhe




5.5.1.2 Aufheizkurve bei linear ansteigender HeizleistungBei der nachfolgenden Berechnung gehen wir davon aus, daß die Leistung des Heizkörpers zu Beginn der Aufheizphase bei Null liegt und innerhalb der ersten 5 Minuten linear bis auf 3kW ansteigt.

R(A) = Wärmewiderstand von der Luft zur Wand im Raum mit Fußbodenfläche A= Zeitkonstante R*C aus Wärmewiderstand und Luftkapazität in Minuten

Q = Anstiegsgeschwindigkeit der Heizleistung: Leistung = Q * t tw = Wechselzeit in Minuten. Zu diesem Zeitpunkt soll die Heizung die Heizleistung nicht mehr steigern.Pb = Bis zur Wechselzeit tw erreichte Heizleistung. Im folgenden wird immer tw = 5 Minuten verwendet.

Differentialgleichung, die gelöst werden soll:

eine Lösung ist Ta(t,A):

Tb(t,A) ist die Fortsetzung der Lösung nach der Wechselzeit tw. tx ist der Anpaßparameter für den Übergang von Ta nach Tb. tx wurde aus der Gleichung

Tb(tw,A) = Ta(tw,A)

bestimmt. Tg(t,A) ist die zusammengesetzte Lösung.


Probe, ob die Differentialgleichung durch die angesetzte Lösung auch erfüllt wird: Wir teilen die Temperaturfunktion durch R und multiplizieren die Ableitung mit C und addieren die beiden Teile und vereinfachen sie mit Math-Cad. Die Lösung ist tatsächlich = Q* t:

Zeichnung der gefundenen Lösung für die Fußbodenflächen A = 100, 80, 60, 40, 20 m2 für das Zeitintervall bis 30 Minuten:


5.5.1.3 Aufheizkurve bei linear ansteigender Heizleistung mit 2kW OffsetZu der linear 0..3kW in 5 Minuten ansteigenden Heizquelle Q * t wird noch eine feste Heizquelle P von 2 kW Leistung hinzugefügt (z.B. eine elektrische Zusatzheizung, die sofort einen Wärmestrom in den Raum einbringt, während der normale Heizkörper erst langsam seine Leistung erreicht). Nach 5 Minuten geht die Heizung mit der unveränderlichen, vollen Leistung Pb = Q*tw + P weiter. Die Lösung in der Anlaufphase ist die Summe der Lösungen für ansteigende Quelle Q*t und für feste (stabile) Heizquelle P

aus dieser Überlegung gewonnen wurde Ta(t,A), die Summenlösung für die Hochlaufphase.

Nach der Hochlaufphase wird mit der stabilen Leistung Pb weitergeheizt. Wir modifizieren daher mit dem Korrekturglied tx(A) die Lösung für stabile Heizleistung so, dass sie an die in der Hochlaufphase erreichte Temperatur gut anschließt.

Der Lösungsansatz Tg(t,A) schaltet während der Zeichnung für den Zeitpunkt tw von der Hochlaufphase auf die Endphase des Heizvorganges um. Die Zeichnung dieser Gesamtlösung ist die folgende Zeichnung:


5.5.2 Zeitbedarf für einen Temperaturhub um 5K bei konstanter Heizleistung

Für den praktischen Einsatz ist es wichtig, wie lange man bei gegebener Heizleistung benötigt, um verschieden große Räume z.B. um 5K in der Temperatur zu erhöhen:

Die Grafik zeigt auf der y-Achse den Zeitbedarf für eine 5K-Temperaturerhöhung in Minuten abhängig von der Heizleistung P in kW (x-Achse). Jede Kurve steht für einen Raum mit unterschiedlicher Grundfläche (20...100qm):


5.6 Wandaufheizgeschwindigkeit mit HeizturboDie Aufheizgeschwindigkeit der Wände ist (bei Vernachlässigung eines Strahlungsanteils des Heizkörpers) nur von der Differenz zwischen der aktuellen Wand- und der Raumtemperatur abhängig, da die Wände von der Raumluft aufgeheizt werden. Je höher die Raumtemperatur, desto schneller erwärmen sich die Wände. Ohne Heizturbo brauchen Räume 1...2 Stunden, bis sie die gewünschte Raumtemperatur erreicht haben und genauso langsam wie die Raumtemperatur steigt auch der Wärmestrom in die Wände an.

Dadurch, daß durch den Heizturbo jedoch innerhalb weniger Minuten die gewünschte Raumtemperatur erreicht ist, beginnt der Wandaufheizvorgang praktisch sofort mit maximalem Wärmestrom, was den steilen Anstieg der Wandtemperatur erklärt, den wir in Kapitel 4.3.1.2 gemessen haben.

Und weil es durch Heizturbo möglich wird, selbst eine über den letztlich angestrebten Wohlfühlwert liegende Temperatur praktisch sofort zu erreichen, kann man die Wandaufheizgeschwindigkeit noch weiter erhöhen – je höher die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wand, desto größer der Wärmestrom in die Wand, desto höher die Wandaufheizgeschwindigkeit.


5.7 Laufzeit der VentilatorenDurch die Ventilatoren erreichen wir das sehr schnelle Einsetzen eines so hohen Wärmestroms durch die Luft, daß die Raumtemperatur praktisch sofort den gewünschten Wert annimmt. Wie bereits erläutert, ist auch eine über den eigentlichen Wohlfühlwert erhöhte Raumtemperatur während der Aufheizphase praktisch sofort nach dem Einschalten erreichbar.

Die Aufheizphase ist im Sinne des Heizturbo-Prinzips dann beendet, wenn die normale Heizung ohne Ventilatorunterstützung die gewünschte Raumtemperatur aufrecht erhalten kann.

Da die Luft im Raum nur eine sehr geringe Wärmekapazität besitzt, geht es während der Aufheizphase vor allem darum, die Wände aufzuheizen. Die dafür notwendige Zeit hängt überwiegend davon ab, wieviel Materie in der Wand aufgeheizt werden muß, bis die eingespeiste Heizleistung auf die normalerweise (wegen des Taupunktes) außen angeordnete Wärmeisolierung trifft:

Die während der Aufheizphase im Raum erwünschte Temperatur kann durch einen immer kleineren Wärmestrom aufrecht erhalten werden, weil die Wände sich aufheizen und somit die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Wand kleiner wird. Die Leistung des Ventilators kann somit kontinuierlich verkleinert werden, bis der Ventilator ganz stillsteht und der notwendige Wärmestrom allein durch die herkömmliche Heizung aufrecht erhalten wird.

Zu diesem Zeitpunkt haben die Wände zwar noch nicht ihre stationäre Temperatur für die Temperatur-Haltephase erreicht, aber der Ventilatoreinsatz ist nicht mehr notwendig, weil die Leistungsreserve der herkömmlichen Heizung ausreicht und weil man die störenden Ventilatorgeräusche so früh wie möglich abschalten möchte.

Wie lange die Ventilatoren laufen müssen, bis die herkömmliche Heizung die gewünschte Temperatur alleine aufrecht erhalten kann, hängt davon ab, welche Masse in den Wänden verbaut wurde zwischen Raum und Isolationsschicht und von dem Wärmestrom, der in die Wände fließt. Letzterer kann dadurch maximiert werden, daß man während der Aufheizzeit eine erhöhte Raumtemperatur einstellt.


Innenraumz.B. 23°C

Außenweltz.B. 10°C

Mauerwerk Außenisolierung des Gebäudes

5.8 Anforderungen an die Führung des Luftstroms

5.8.1 Leitung der vom Ventilator angesaugte LuftBei der Konstruktion des Ventilators muß sichergestellt werden, daß dieser möglichst die gesamte warme Abluft des Heizkörpers absaugt. Da jedoch der Strömungswiderstand für diese warme Luft, die durch den Heizkörper fließt, notwendigerweise größer ist als der Strömungswiderstand durch ein Leck direkt in den Raum, muß der Ventilator möglichst dicht mit dem Heizkörper verbunden sein. Schon ein kleines „Leck“ setzt den Wirkungsgrad des Ventilators herab und erfordert eine Überdimensionierung der Ventilatorleistung.


5.8.2 Abdichtung des Ventilator-Ansaugbereiches gegen FremdluftWenn der Ventilator die warme Abluft an der gleichen Stelle aus dem Heizkörper ansaugt, an der sie nach Abschluß der Aufheizphase auch ohne Ventilatorkraft in den Raum treten soll, besteht das Problem, daß diese Stelle notwendigerweise sowohl eine Öffnung zum Heizkörper, aber auch eine (während des Ventilatorbetriebs ungewünschte) Öffnung zum Raum hin haben muß. Dieses Problem läßt sich wie folgt lösen:

- Überdimensionierung der Ventilatorleistung. - Oder: Bei speziell konstruierten Heizkörpern dadurch, daß der Ventilator die

warme Luft aus dem Heizkörper an anderer Stelle saugt, nicht dort, wo sie normalerweise auch austritt.

- Oder: Dadurch, daß ausschließlich die Ventilatorflügel/Schaufeln die Trennstelle zwischen der Öffnung zum Heizkörper und der Öffnung zum Raum darstellen.

- Oder: Durch ein Ventil / eine Klappe, die durch Unterdruck oder motorisch betrieben den Luftausgang für die natürliche Konvektion zum Raum hin solange abdichten, wie der Ventilator arbeitet, so daß der Ventilator nur Luft aus dem Heizkörper ansaugen kann.


5.8.3 Leitung der vom Ventilator ausgeblasenen LuftDie Austrittsöffnung des Ventilators sollte so konstruiert werden, daß die Warmluft sich möglichst vollständig im Raum vermischt, bevor sie auf Wände, Decken oder Gegenstände trifft. Gleichzeitig darf die Warmluft die Bewegung der kalten Luft nicht stören, die der Heizkörper unten ansaugt und sie darf sich nicht mit dieser vermischen. Um dies bei unterschiedlichen räumlichen Gegebenheiten sicherstellen zu können, sollte der austretende Luftstrahl in seiner Richtung veränderbar sein (z.B. durch einen kippbar gelagerten Ventilator, durch Klappen vor der Austrittsöffnung oder durch andere bekannte Mittel, um einen Luftstrahl zu richten).

Vorteilhaft ist es auch, den Weg der natürlichen Konvektionsströmung während der Temperaturhaltephase getrennt vom Luftweg der Ventilatorluft zu führen. Auf diese Weise kann man in den Luftpfad der Ventilatorluft sehr einfach einen Luftfilter integrieren, so daß die Staubentwicklung durch den Heizturbo minimiert wird. Ein solcher Luftfilter kann i.A. nicht im Weg der natürlichen Konvektionsströmung liegen, weil er diese zu sehr behindern würde – deshalb ist eine Trennung sinnvoll.

Hinweis: Wenn der Strom der Abluft nicht von Wänden und Decken ferngehalten werden kann, dann ist es vorteilhaft, die Wand und Decke, die sich im direkten Luftweg der Abluft des Heizkörpers befindet, thermisch zu isolieren, so daß diese Flächen der Abluft möglichst wenig Energie entziehen. Diese thermische Isolierung muß so gestaltet werden, daß sich keine Feuchtigkeit in der Wand bildet (Problem: Taupunkt)


5.8.4 Leitung der vom Heizkörper angesaugten LuftDie Leistungsabgabe des Heizkörpers an die Luft ist um so größer, je kälter die von ihm angesaugte Luft ist. Aus diesem Grund soll die vom Ventilator kommende warme Abluft sich zunächst mit der Raumluft vermischen, und der Heizkörper soll im Idealfall möglichst kalte Luftströmungen unten einsaugen:


Heizkörper

Wan

dFußboden

6 Zusammenfassung der Effekte

Der Heizturbo bringt folgenden Nutzen:

a) Der warme Abluftstrom kann dank Ventilatorkraft direkt in den Raum geblasen werden. Dadurch wird es möglich, weiterhin flach an der Wand oder in Nischen hängende Heizkörper zu montieren und dennoch die Überhitzung der Heizkörperumgebung (meist Außenwände) zu vermeiden. Folgen:1. Der Wärmestrom durch die Luft in die Wände setzt praktisch sofort ein.2. Der Raum ist innerhalb weniger Minuten nutzbar.3. Alle Wände werden gleichmäßig warm.4. Erhebliche Energieeinsparung, weil die Verluste durch unnötig hohe Wand- und

Deckentemperaturen in der Heizkörperumgebung vermieden werden.5. Erhebliche Energieeinsparung, weil die Räume bedarfsweise heizbar werden.

b) Die Heizkörperleistung wird erhöht, weil der Volumenstrom der Luft durch den

Heizkörper gesteigert wird. Damit ergeben sich zwei Alternativen: 6. Entweder kann die Raumtemperatur in Nutzungspausen auf einen niedrigeren

Wert abgesenkt werden,7. oder man kann die Wände beim Aufheizvorgang noch schneller wärmen, indem

man während dieser Zeit eine erhöhte Raumtemperatur akzeptiert.


Heizkörper


Ohne Heizturbo:1 Stunde

Aufheizzeit, Raum darf nur 5K abgesenkt werden

Heizkörper


Mit Heizturbo:5...10 Minuten Aufheizzeit,

Raum darf 10K abgesenkt werden


Keine Überhitzung der Heizkörperumgebung, alle Wände erwärmen sich gleichmäßig und schnell

7 Überlegungen zur Produktgestaltung7.1 RaumthermostatBei Anwendung des Heizturbo-Prinzips muß die Raumtemperatur während der Aufheizphase durch langsames Zurücknehmen des Ventilators und anschließend erst über den normalen Heizkörper geregelt werden. Im folgenden Diagramm ist grün die Leistung des herkömmlichen Heizkörpers dargestellt und blau die Leistung des zusätzlichen Ventilators:

Falls eine elektrische Zusatzheizung zum Zwecke einer weiteren Verkürzung der Aufheizzeit zugeschaltet wird, sollte die Regelung so ablaufen, daß mit ansteigender Raumtemperatur zunächst die Leistung des elektrischen Heizelementes und dann die Leistung des Ventilators zurückgenommen wird. Anschließend erfolgt die normale Regelung des Heizkörpers. Im folgenden Diagramm ist grün die Leistung des herkömmlichen Heizkörpers dargestellt, blau die Leistung des zusätzlichen Ventilators und rot die Leistung des elektrischen Heizelementes:

Hinweis: Wenn ein ruhiger, zugluftfreier Betrieb während der Aufheizphase wichtiger eingeschätzt wird, als die Stromkostenersparnis durch frühestmögliches Ausschalten des elektrischen Heizelementes, dann kann die Reihenfolge, in der Ventilator und Heizelement in ihrer Leistung herabgefahren werden, auch umgedreht werden.


Haltephase der Absenk-

Temperatur

Aufheizphase: Raumtemp. wird durch Ventilator

geregeltRestliche Aufheizphase, Raumtemp. wird durch

Heizung geregeltHaltephase der

Wohlfühl-Temperatur

Leis

tung

Zeit

Haltephase der Absenk-

Temperatur

Raumtemp. wird durch Ventilator

geregelt

Raumtemp. wird durch Heizung geregelt

Haltephase der Wohlfühl-

Temperatur

Leis

tung

Zeit

Raumtemp. wird durch Heizelement

geregelt

Es ist vorteilhaft, wenn in einem solchen Raumthermostaten drei Temperaturen gespeichert und einstellbar sind:

- die Absenktemperatur, auf die die Raumtemperatur heruntergefahren wird in Phasen, in denen der Raum nicht genutzt wird

- die langfristige Wohlfühltemperatur, auf die geregelt wird, nachdem die Aufheizphase vorbei ist und auch die Wände warm sind

- eine erhöhte Temperatur, auf die während der Aufheizphase geregelt wird. Diese bewirkt ein besseres Wohlbefinden während der Zeit, in der die Luft warm, aber die Wände noch kalt sind. Außerdem bewirkt sie eine beschleunigte Aufheizung der Wände weil ein größerer Temperaturunterschied zwischen Luft und Wand aufrechterhalten wird und kürzt somit die Aufheizphase weiter ab.

Ein solcher Raumthermostat kann entweder alle Heizelemente (den herkömmlichen Heizkörper, die Ventilatoren, ggf. noch ein elektrisches Heizelement) kontrollieren, oder er kann aus zwei Teilen bestehen – je eine Komponente für jedes Heizelement.


7.1.1 Einteiliger RaumthermostatWenn ein einziger Raumthermostat sowohl den Heißwasserfluß durch den Heizkörper, als auch die Ventilatoren / das elektrische Heizelement kontrolliert, dann kann das Heizturbo-Verfahren sehr einfach in diesem Thermostaten realisiert werden.

Der Thermostat hat in diesem Fall einen Sensor für die Raumtemperatur, eine Einstellmöglichkeit für die in Kapitel 7.1 genannten Temperaturvorgaben, einen Ausgang zur Steuerung eines Stellantriebs für den Heißwasser-Zufluß des Heizkörpers, einen Ausgang zur Regelung der Drehzahl des Ventilators und ggf. einen Ausgang zur Regelung der Leistung des elektrischen Heizelementes:

Ein so gestalteter Raumthermostat kann ein herkömmliches Modell ersetzen. Falls der Raum bisher über einen Heizkörper-Thermostaten gesteuert wurde, der rein mechanisch auf dem Vorlauf des Heizkörpers aufgeschraubt ist, so muß dieser Thermostat durch einen Stellantrieb ausgetauscht werden, oder man realisiert den im nächsten Kapitel beschriebenen zweiteiligen Raumthermostaten.


Einstellmöglichkeit der

Temperaturvorgaben

Raumtemperatur-Sensor

Raumthermostat Stellantrieb für herkömmlichen Heizkörper

Ventilatoren

Elektrisches Heizelement

7.1.2 Zweiteiliger RaumthermostatIn vielen Anwendungen existiert bereits eine herkömmliche Konvektionsheizung sowie ein Raumthermostat, der diese regelt. Der erfindungsgemäße Raumthermostat sowie die zusätzliche Luftheizung bzw. die Ventilatoren werden lediglich nachgerüstet. In solchen Fällen ist es von großem Vorteil, wenn der erfindungsgemäße Raumthermostat den vorhandenen Heißwasserheizungs-Raumthermostaten mitnutzt, so daß der erfindungsgemäße Gesamt-Raumthermostat sich aus der Kombination der vorhandenen Komponente (bisher war dies der gesamte Raumthermostat) und einer neuen Komponente ergibt.


7.1.2.1 Raumthermostat-Komponente, die den Heizkörper regeltDer herkömmliche, meist schon vorhandene Raumthermostat kann (muß aber nicht) erfindungsgemäß so konstruiert werden, daß eine spätere Erweiterung durch die neue Komponente, die die Ventilatoren steuert, erleichtert wird:

7.1.2.1.1 Signalisierung einer Solltemperatur-ErhöhungEine manuelle Erhöhung der Solltemperatur-Einstellung (also der Beginn eines Aufheizvorgangs) sollte an die neue Komponente signalisiert werden. Diese Signalisierung kann per Funk, Infrarot, mechanisch oder elektrisch erfolgen:

Eine mechanische Signalisierung könnte z.B. darin bestehen, daß die Erhöhung der Solltemperatureinstellung eine mechanische Gegebenheit am herkömmlichen Raumthermostaten verändert, die von der neuen Komponente abgetastet wird (ein Pin, der durch das manuelle Erhöhen der Solltemperatur herausfährt und wieder zurückgeht, wenn die Temperatur erreicht wurde oder ähnliches).

Eine elektrische Signalisierung wird vorzugsweise über eine Steckverbindung nach außen geführt, an die man die neue Komponente im Falle der Nachrüstung anschließen kann.

7.1.2.1.2 Information über die Heizleistung bereitstellenDie Information, wie stark die Heizleistung zur Zeit geregelt wird, sollte an die neue Komponente signalisiert werden. Zumindest sollte die binäre Information „Volle Heizleistung ein/aus“ übermittelt werden. Diese Signalisierung kann mit einer der in Kapitel 7.1.2.1.1 genannten Techniken erfolgen.

7.1.2.1.3 Trägheit des eingebauten Temperatursensors veränderlich machenEine Nachrüstung kann auch dadurch vorbereitet werden, daß die Trägheit der herkömmlichen Raumtemperaturregelung veränderbar gestaltet wird. Ohne zusätzliche Ventilatoren möchte man eine geringe Trägheit erreichen, damit die herkömmliche Heizung schnell reagiert. Mit Ventilatoren und neuer Raumthermostat-Komponente beschränkt sich die Aufgabe der herkömmlichen Regelung jedoch auf das Temperatur-Halten nach Abschluß der Aufheizphase. Für diese Aufgabe wäre es also sinnvoll, einen trägen herkömmlichen Raumthermostaten zu haben, der den schnellen Anstieg der Raumtemperatur mit Ventilator-Einsatz gar nicht mitbekommt und deshalb seine herkömmliche Heizung während der ganzen Zeit auf voller Leistung arbeiten läßt. Eine solche träge herkömmliche Regelung könnte ihre Aufgabe in der Temperatur-Haltephase problemlos erfüllen. Eine „umschaltbare Trägheit“ läßt sich entweder elektronisch erreichen oder auch mechanisch. Im letzteren Fall könnte man die effektive Masse des Temperaturfühlers veränderlich gestalten (z.B. durch beigelegte Massen, die auf den Sensor gesteckt werden können, um diesen träger zu gestalten) oder man könnte den Zugang der Raumluft zum Sensor veränderlich gestalten (Lüftungsschlitze größer oder kleiner machen, so daß die Raumluft besser oder schlechter zum Sensor gelangt).


7.1.2.2 Raumthermostat-Komponente, die die Ventilatoren (und ggf. das elektrische Heizelement) regelt

Die neue Komponente, die nachgerüstet wird und die die erfindungsgemäße Steuerung der Ventilatoren übernimmt, wird vorteilhafter weise wie folgt konstruiert (die Regelung eines ggf. zusätzlich vorhandenen elektrischen Heizelementes wird beschrieben in Kapitel 7.1.3):

7.1.2.2.1 Regelung auf Soll-RaumtemperaturGenauso, wie die herkömmliche Raumthermostat-Komponente über die Heizkörperleistung die an ihr eingestellte Soll-Raumtemperatur regelt, kann auch die neue Komponente über die Ventilator-Drehzahl auf eine an ihr eingestellte Soll-Raumtemperatur regeln.

In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Prinzip dadurch verwirklicht werden, daß der Anwender dort eine niedrigere Solltemperatur einstellt, als sie an dem Raumthermostaten der herkömmlichen Heizung eingestellt wird. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erleichtert werden, daß die Beschriftung des Solltemperatur-Einstellers so erfolgt, daß bei einer Einstellung auf 20°C z.B. auf 18°C geregelt wird. Die neue Raumthermostat-Komponente kann die Ventilatoren so regeln, daß die (niedrige) Solltemperatur im Raum gehalten wird. Während dieser Zeit wird der herkömmliche Raumthermostat die herkömmliche Heizung mit voller Leistung arbeiten lassen, weil seine (höhere) Solltemperatur noch nicht erreicht ist. Sobald die (niedrige) Solltemperatur ohne Zutun des Ventilators gehalten oder überschritten wird, wird sich die zusätzliche Heizung auf diese Weise automatisch zurückziehen und die Arbeit der herkömmlichen Heizung überlassen.

Nachteilig ist bei diesem Prinzip, daß während der Aufheizphase eine niedrigere Temperatur als die Wohlfühltemperatur herrscht (dies läßt sich nur vermeiden, indem wie in Kapitel 7.1.2.2.5 erläutert, der herkömmliche Raumthermostat durch den neuen beeinflußt wird). Außerdem ist die Einstellung dieser, während der Aufheizphase herrschenden, Temperatur, kritisch. Man möchte sie so hoch wie möglich einstellen, muß jedoch unter dem Wert bleiben, bei dem die herkömmliche Heizung beginnt, herabzuregeln (da die herkömmlichen Raumthermostaten oft kontinuierlich herabregeln bei Annäherung an ihren Sollwert). Außerdem haben herkömmliche Raumthermostaten oft eine Hysteresis und man muß mit der Solltemperatur des zusätzlichen Raumthermostaten unter dem unteren Regelpunkt bleiben, damit die Ventilatoren nach Abschluß der Aufheizphase ausgeschaltet bleiben.

Letzteres Problem ließe sich erfindungsgemäß dadurch lösen, daß der autarke neue Raumthermostat automatisch dann seinen Ventilator ausgeschaltet läßt, wenn seine Solltemperatur bei ausgeschaltetem Ventilator für eine längere Zeit (z.B. 5 Minuten) gehalten oder überschritten wird.

Ebenso ist es erfindungsgemäß möglich, daß der zusätzliche Raumthermostat selbstlernend erkennt, auf welchen Wert seine Solltemperatur gesetzt werden muß. Zu diesem Zweck kann er aus der Beobachtung vergangener Regelungsvorgänge der herkömmlichen Heizung die Regelpunkte der Hysteresis erkennen.


7.1.2.2.2 Regelung auf Maximalleistung des HeizkörpersDie neue Komponente kann die Leistung der Ventilatoren kontinuierlich so zurückregeln, daß die herkömmliche Heizung immer auf Maximalleistung arbeitet. Zu diesem Zweck steigert die neue Komponente die Leistung des Ventilators zu Beginn der Aufheizphase und regelt diese Leistung nach und nach zurück, sobald sie erkennt, daß die herkömmliche Raumthermostat-Komponente den von ihr kontrollierten Heißwasser-Volumenstrom durch den Heizkörper nicht mehr auf volle Leistung regelt.

Erläuterung: Wenn der Anwender den Raum nutzen will, dreht er am herkömmlichen Raumthermostaten die Heizung auf, wodurch der Heizkörper warm wird. Gleichzeitig wird (siehe Kapitel 7.1.2.1) der zusätzlichen Raumthermostat-Komponente mitgeteilt, daß nun eine Aufheizphase beginnt. Sie regelt die Leistung des Ventilators so, daß die herkömmliche Raumthermostat-Komponente drosselt (daran erkennt die zusätzliche Komponente, daß die Soll-Temperatur im Raum erreicht ist). In dem Maße, wie sich nun die Wände des Raums aufheizen, wird die Raumtemperatur steigen und die herkömmliche Raumthermostat-Komponente reagiert darauf mit einer Rücknahme der Heizleistung. Jede Rücknahme erkennt die zusätzliche Raumthermostat-Komponente, die daraufhin die Leistung des Ventilators reduziert, bis die herkömmliche Raumthermostat-Komponente wieder auf volle Leistung schaltet. Auf diese Weise wird letztlich das Regelverhalten der herkömmlichen Raumthermostat-Komponente genutzt, um zuerst die Leistung des Ventilators zurückzufahren und erst dann, wenn diese nahe Null liegt und nicht weiter reduziert werden kann, erfolgt die Raumtemperaturregelung auf herkömmliche Weise. Vorteil dieser Lösung ist die leichte Nachrüstbarkeit, die einfache Realisierbarkeit und die Tatsache, daß der Anwender nach wie vor am gleichen herkömmlichen Raumthermostaten die Wunschtemperatur einstellt

Die neue Komponente kann die Informationen über den Beginn der Aufheizphase und über die Leistung, auf die der Volumenstrom des heißen Wassers durch den Heizkörper geregelt ist, in der in Kapitel 7.1.2.1 beschriebenen Art von der herkömmlichen Raumthermostat-Komponente erhalten, sofern diese dafür vorbereitet wurde oder sofern diese Informationen z.B. bei elektrisch arbeitenden Raumthermostaten ohnehin an vorhandenen elektrischen Signalen abgegriffen werden können.

Alternativ bestehen jedoch auch Möglichkeiten, diese Informationen ohne jede Kopplung zum herkömmlichen Raumthermostaten zu ermitteln.


7.1.2.2.2.1 Den Beginn des Aufheizvorgangs erkennenEine solche autarke neue Raumthermostat-Komponente kann den Beginn des Aufheizvorgangs auf eine der folgenden Methoden erkennen:

Dadurch, daß der Anwender eine zusätzliche Taste drückt, um diesen Beginn anzuzeigen. Die Taste ist mit der neuen Komponente verbunden. Diese Taste kann vorteilhafterweise mechanisch zu einer Einheit zusammengefaßt werden mit dem Temperaturfühler am Vorlauf, an der Heizkörperoberfläche oder am Rücklauf.

Durch einen Näherungssensor, der den Griff des Menschen zum Solltemperatur-Einsteller der vorhandenen Raumthermostat-Komponente erkennt. Ein Aufheizvorgang beginnt immer dann, wenn die Raumtemperatur auf abgesenktem Niveau liegt und der Näherungssensor einen Griff zum Solltemperatur-Einsteller erkannt hat. Dieser Sensor kann vorteilhafterweise mechanisch zu einer Einheit zusammengefaßt werden mit dem Temperaturfühler am Vorlauf, an der Heizkörperoberfläche oder am Rücklauf.

Die Oberflächentemperatur des Heizkörpers überschreitet den Wert, der zum Halten der Temperatur erforderlich ist (Erläuterung: Wenn ein Heizkörper kontinuierlich – nicht: ein/aus – geregelt wird, dann nimmt er zum Halten der Absenktemperatur eine niedrigere Temperatur an, als diejenige, die er während der Aufheizphase einstellt).

Der Heizkörper wird warm oder die Raumtemperatur steigt an, obwohl der untere Hysteresis-Regelpunkt der vorhandenen Raumthermostat-Komponente noch nicht erreicht ist.

Eine Unregelmäßigkeit in der normalen Raumtemperaturregelfunktion wird erkannt: Die neue Komponente kann den Verlauf von Oberflächen-, Vorlauf- oder Rücklauftemperatur des Heizkörpers, oder auch Raumtemperatur oder Lufttemperatur über dem Heizkörper verfolgen. Solange die herkömmliche Regelung lediglich die Aufgabe hat, die abgesenkte Vorgabetemperatur zu halten, kann ein regelmäßiger Verlauf beobachtet werden. Abweichung von dieser Regelmäßigkeit kann als Eingriff in die Solltemperatur gewertet werden. Und wenn dieser Eingriff auf niedrigem Raumtemperaturniveau erfolgt und/oder in die Richtung auf „zusätzliche Heizleistung“, dann ist es ausreichend wahrscheinlich, daß die Solltemperatur erhöht wurde.


7.1.2.2.2.2 Das Herabregeln der Heizleistung erkennenEine solche autarke neue Raumthermostat-Komponente kann erkennen, wann die herkömmliche Raumthermostat-Komponente die Heizleistung herabregelt, auf eine der folgenden Arten:

An der Vorlauftemperatur. Man würde z.B. einen Temperaturfühler außen an das Vorlauf-Rohr befestigen oder auch in das Rohr einbauen.

An der Rücklauf-Temperatur. Man würde z.B. einen Temperaturfühler außen an das Rücklauf-Rohr befestigen oder auch in das Rohr einbauen.

Am Abfall der Heizkörpertemperatur selbst (z.B. Oberflächentemperaturfühler auf dem Heizkörper oder auch Temperaturfühler im Wassers im Heizkörper).

An der warmen Abluft aus dem Heizkörper.

An der Raumtemperatur bzw. deren Steigung.

Akustisch an den Geräuschen, die das fließende Wasser im Heizkörper oder im Vor- oder Rücklaufrohr verursacht.

Mit Hilfe eines Durchflußsensors im Vor- oder Rücklauf oder im Heizkörper selbst.

Mit Hilfe eines berührungslosen Temperatursensors, der auf den Heizkörper gerichtet ist.


Wir haben untersucht, an welchen Stellen man durch einen externen Temperaturfühler das Herabregeln der Heizleistung am schnellsten erkennen kann. Dazu wurden Meßfühler an den folgenden Punkten eines Heizkörpers angebracht, sowie an seinen Vorlauf- und Rücklaufrohren:

Jeder Meßpunkt wurde durch zwei Buchstaben kennzeichnet und der Verlauf der Temperatur an jedem Meßpunkt wurde aufgezeichnet. In der folgenden Tabelle zeigt ein Wechsel von „1“ zu „0“ in der Spalte „SW“ den Zeitpunkt an, zu dem manuell der Vorlauf des Heizkörpers schlagartig abgedreht wurde (um 14:04:00 Uhr):

Man erkennt zwischen 13:54 und 13:58 ein Maximum in der Heizleistung, das durch die vom Heizkessel verursachten Schwankungen in der Vorlauftemperatur bewirkt wird. Um 14:04 wird die Heizleistung manuell abgeschaltet und die Temperaturen beginnen an den einzelnen Meßpunkten unterschiedlich zeitversetzt zu sinken. Am schnellsten sinkt die Temperatur am Meßpunkt „UL“.


Nun haben wir die Aufheiz- und die Temperatur-Haltephase eines Raums aufgezeichnet, dessen Heizkörper von einem herkömmlichen mechanischen Thermostatventil kontrolliert wird. Ein Heizturbo war nicht im Einsatz. Bei Beginn des Versuchs waren Raum und Heizung auf etwa 15°C ausgekühlt und der Thermostat wurde von "*" auf Stellung "3" gedreht:

Man erkennt die von der Heizkesselregelung verursachten Schwankungen in der Vorlauftemperatur (rot). Ab etwa 13:30 Uhr hatte die Raumtemperatur den Wert erreicht, auf den der Thermostat regelt. Dieser Zeitpunkt ist deutlich am Abfall der blauen Kurve erkennbar, die die Oberflächentemperatur des Heizkörpers in der Nähe seines Rücklauf-Anschlusses darstellt. Der Abfall dieser Temperatur geht nach 13:30 Uhr erheblich über die zuvor beobachteten Schwankungen hinaus.


Den nächsten Versuch haben wir unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, jedoch wurden diesmal die kleinen Heizturbo-Ventilatoren gleichzeitig mit dem Aufdrehen des Raumthermostaten eingeschaltet:

Erwartungsgemäß wird die Raumtemperatur konstant gehalten, indem die Leistung des Heizkörpers frühzeitig reduziert wird. Durch eine erfindungsgemäße Ventilatorregelung soll dieser Effekt vermieden werden und die Raumtemperatur soll zunächst durch Reduzierung der Ventilatorleistung gehalten werden und dann erst durch Zurücknahme der Heizkörper-Leistung.


7.1.2.2.2.3 MeßergebnisseBei diesem Versuch wurde der Heizkörper von einem herkömmlichen Heizthermostaten geregelt. Ein PC regelte die Drehzahl von 21 Ventilatoren, die unter dem oberen Abdeckgitter des Heizkörpers installiert waren. Die Drehzahl wurde nach dem ersten Temperaturabfall des Heizkörpers gesenkt. Danach wurde die Drehzahl gesenkt, wenn das Maximum eines Regelzyklus kleiner als 70% der maximalen Heizkörpertemperatur betrug.

Dieser Regelungsalgorithmus hat mehrere Nachteile:

- Die Leistung des Heizkörpers (blaue Kurve) wird um 16h30 herabgeregelt und erreicht danach nicht mehr ihren Maximalwert. Die Ventilatoren werden nicht ausreichend gedrosselt.

- Die Gesamtlaufzeit des Ventilators ist sehr lang (5 Stunden!), weil die Raumtemperatur nicht durch Zurückfahren der Ventilatorleistung, sondern durch Drosselung der Heizkörperleistung gehalten wird.

- Die Regelung reagiert sehr träge.


7.1.2.2.3 Zeitliche Steuerung des VentilatorsNun haben wir verschiedene rein zeitliche Steuerungen des Ventilators getestet. In allen Fällen waren 21 Ventilatoren senkrecht in einem Kasten auf der Oberseite des Heizkörpers montiert, so daß die Abluft horizontal in den Raum geblasen wurde. Die Ventilatoren wurden von einem PC angesteuert. Bei Beginn der Versuche wurde der Heizkörper an seinem mechanischen Thermostaten eingeschaltet und die Ventilatoren auf 100% Drehzahl gestellt.

Der Thermostat wurde auf „3“ gestellt. Nach 20 Minuten wurde die Drehzahl auf 70% reduziert, danach in zehn Minuten Intervallen auf 60%, 50%, 40% und 0%.

Dieses Verfahren hält die Heizkörperleistung (blaue Kurve) während der gesamten Aufheizphase auf Maximalwert. Die Raumtemperatur wird gut konstant gehalten.


Beim nächsten Versuch wurde der Thermostat wieder auf „3“ gestellt. Nach 10 Minuten wurde die Ventilator-Drehzahl auf 70% reduziert, nach weiteren 10 Minuten auf 40%, nach weiteren 70 Minuten auf 0%:

Auch hier konnte die Heizleistung des Heizkörpers während der überwiegenden Aufheizphase auf Maximalwert gehalten werden. Lediglich um 12h15 fiel die Heizkörper-Leistung schon ab, obwohl der Ventilator noch arbeitete. Problematisch ist auch, daß die steigende Flanke der Raumtemperaturkurve erheblich flacher ist, weil der Ventilator schon sehr früh abgeschaltet wurde. Diese Regelung verlängert die Raumaufheizzeit unnötig.


Bei Beginn des folgenden Versuchs wurde der Thermostat auf "4" und die Ventilatoren auf 100% Drehzahl gestellt. Nach 30 Minuten wurde die Drehzahl auf 40% reduziert, nach weiteren 60 Minuten auf 0%.

Diese Kurven stellen eine brauchbare Regelung dar: Die gewünschte Raumtemperatur wird sehr schnell erreicht (steile Kurve), die Leistung des Heizkörpers wird auf Maximalwert gehalten. Doch die Ventilatoren könnten früher abgeschaltet werden.


Bei Beginn des nächsten Versuchs wurde der Thermostat auf "4" und die Ventilatoren auf 100% Drehzahl gestellt. Nach 20 Minuten wurde die Drehzahl auf 70% reduziert, nach weiteren 20 Minuten auf 40%, nach weiteren 40 Minuten auf 0%.

Auch diese Kurven zeigen eine brauchbare Regelung. Man erkennt sehr schön, wie die Leistung des Heizkörpers gegen 16h40 zurückgeregelt wird und wie dieser Vorgang durch das Abschalten der Ventilatoren aufgehalten wird – die Heizleistung wird wieder gesteigert, weil die Ventilatorunterstützung fehlt.


Ergebnisse:

Das Heizturbo-Prinzip läßt sich auch ohne eigenen Temperaturfühler an der eigenständigen Ventilatorsteuerung realisieren, indem rein per zeitlicher Steuerung die Ventilatorleistung zurückgefahren wird. Dabei ist eine kontinuierliche oder vielstufige Ventilatorregelung unnötig. Es reicht, wenn die Ventilatorleistung zwischen 100%, 40% und 0% geschaltet wird.

- Die Zeit, während der die Ventilatorleistung auf 100% liegen soll, hängt vom Luftvolumen des Raumes und vom gewünschten Temperaturhub ab. Sie muß nach Installation einmal eingestellt werden. Stellt man eine zu kurze Zeit ein, so ist der dank Heizturbo erreichte unmittelbare Temperaturhub zu klein. Stellt man eine zu lange Zeit, so arbeiten die Ventilatoren unnötig lange auf voller Drehzahl.

- Die Zeit, während der die Ventilatorleistung auf 40% liegen soll, hängt davon ab, wie schnell der Heizkörper auch ohne Ventilatoren den notwendigen Wärmestrom an den Raum abgeben kann. Hier spielt die Leistung des Heizkörpers, seine mechanischen Einbaubedingungen (frei oder in einer Nische) sowie die Wärmeaufnahme der Wände eine Rolle. Auch diese Zeit sollte bei Installation einmal eingestellt werden. Stellt man eine zu kurze Zeit ein, so ergibt sich während der Aufheizphase ein Temperaturabfall, weil die Ventilatoren bereits ausgeschaltet werden, bevor der Heizkörper allein ausreichend heizt. Stellt man eine zu lange Zeit, so arbeiten die Ventilatoren unnötig lange.

- Der notwendige Temperaturhub ist nicht konstant: Selbst wenn man immer die gleiche Absenk- und Wohlfühltemperatur einstellt von z.B. 15°C und 22°C, dann benötigt man im Winter einen Temperaturhub von 7K, doch in der Übergangszeit, wenn die Raumtemperatur nur auf 18°C abfällt, braucht man nur 4K. Entweder muß man die Zeiten also der Temperatur nachführen, nachstellen oder permanent auf den längsten notwendigen (Winter-) Wert setzen.

Durch Einbau geräuscharmer Ventilatoren kann man ggf. auf die Einstellung der Zeiten verzichten, indem man beide o.g. Zeiten so lang vorgibt, daß der Ventilator in allen üblichen Installationsbedingungen länger als notwendig läuft, aber nicht als störend empfunden wird.


7.1.2.2.4 Kombiniertes Raumtemperatur/Zeit-VerfahrenDie Steuerung des Ventilators auf Basis der Raumtemperatur (siehe Kapitel 7.1.2.2.1) führt dazu, daß während der Aufheizphase eine zu niedrige Raumtemperatur herrscht. Die in Kapitel 7.1.2.2.3 untersuchte rein zeitliche Steuerung der Ventilatoren hat das Problem der individuell einzustellenden Parameter.

Nun haben wir beide Verfahren kombiniert. Während des ersten Teils der Aufheizphase, wenn es darum geht, das vorhandene Luftvolumen so schnell wie möglich auf eine angenehme Temperatur zu bringen, arbeitet der Ventilator mit voller Leistung. Anschließend ist ein viel kleinerer Wärmestrom notwendig, der dem entspricht, der in die Wand abfließt.

Für diese zweite Phase reicht bereits die Katalogleistung des Heizkörpers aus, sofern diese tatsächlich in die Raumluft eingebracht wird. Die Ventilatoren haben also weniger die Aufgabe, die Leistung des Heizkörpers zu steigern, als vielmehr die normale Leistung in die Raumluft zu bringen. Dies wird schon mit kleinen Drehzahlen erreicht – die Luft muß lediglich in den Raum geblasen und von Wand und Decke ferngehalten werden.

Wenn man also eine Solltemperatur einstellbar macht, bis zu deren Erreichen der Heizturbo auf voller Kraft arbeitet und zusätzlich eine Nachlaufzeit, während der der Ventilator auf kleiner Leistung läuft, dann

a) wird das Luftvolumen auf den gewünschten Wert erwärmtb) der Ventilator läuft automatisch für kürzestmögliche Zeit auf voller Leistungc) stört eine zu lange Nachlaufzeit des Ventilators nicht, weil Ventilatoren auf kleiner

Drehzahl fast lautlos arbeiten

Außerdem könnte es sein, daß die Solltemperatur sogar unabhängig von der am normalen Raumthermostaten eingestellten Solltemperatur gewählt werden kann, weil dieser normalerweise sehr träge reagiert. Man kann sie also z.B. höher wählen.

die Aufheiz- und die Temperatur-Haltephase eines Raums aufgezeichnet, dessen Heizkörper von einem herkömmlichen mechanischen Thermostatventil kontrolliert wird. Bei Beginn des Versuchs waren Raum und Heizung auf etwa 15°C ausgekühlt. Anschließend wurde der Thermostat von "*" auf Stellung "3" gedreht und die 21 kleinen Ventilatoren eingeschaltet.

Die Drehzahl der Ventilatoren wurde gesenkt, wenn die Raumtemperatur über 20°C lag und innerhalb von zehn Minuten um mehr als 0.5°K anstieg. Dadurch, daß wir die Raumtemperatur als Regelungskriterium verwenden, ist der Regelkreis sehr kurz:


Die Raumtemperatur wird sehr konstant gehalten, die Ventilatorleistung wird frühzeitig zurückgefahren, und der Heizkörper bleibt lange Zeit auf voller Leistung. Der Regelungsalgorithmus ist gut brauchbar.

Nachteilig ist lediglich, daß bei diesem Verfahren der Wert von „20°C“, ab dem die Herabregelung der Ventilatorleistung einsetzt, willkürlich gewählt ist und nicht mit der jeweiligen Wunschtemperatur zusammenhängt. Da die meisten Anwender jedoch immer auf die gleiche Wunschtemperatur regeln, könnte dieser Wert bei der Installation einmal eingestellt werden. Selbst wenn oft andere Solltemperaturen gewählt werden, dann muß dieser Wert nicht verändert werden, weil sich die Einstellung nur auf die Regelung der Ventilatoren bezieht und nicht auf die Raumtemperatur, auf die geregelt wird.


Beim nachfolgenden Versuch waren 21 Ventilatoren senkrecht in einem Kasten auf der Oberseite des Heizkörpers montiert, so das die Abluft horizontal in den Raum geblasen wurde. Die Ventilatoren wurden von einem PC angesteuert. Bei Beginn des Versuchs wurde der Thermostat auf "4" und die Ventilatoren auf 100% Drehzahl gestellt. Als die Raumtemperatur 20°C überschritt, wurde die Drehzahl auf 40% gesenkt, nach weiteren 30 Minuten wurden die Ventilatoren ausgeschaltet:

Man erkennt einen leichten Rückgang der Raumtemperatur in dem Moment, wo die Ventilatorleistung auf 40% zurückgeschaltet wird – mit 40% Ventilatorleistung wird demnach in diesem Moment noch nicht der notwenige Wärmestrom aufrecht erhalten, um die Raumtemperatur auf 20°C zu halten.


Wir haben deshalb den Versuch wiederholt, wobei die 100%-Ventilatorleistung bis zu einer Raumtemperatur von 21°C gehalten wurde und die Ventilatorleistung dann lediglich auf 60% reduziert wurde. Auch diese 60%-Leistung wurde für weitere 30 Minuten aufrecht erhalten:

Erwartungsgemäß sinkt die Raumtemperatur beim Zurückregeln der Ventilatorleistung von 100% auf 60% viel weniger als im vorhergehenden Versuch.


7.1.2.2.5 Möglichkeiten, den vorhandenen Raumthermostaten zu beeinflussenDie neue Komponente kann den vorhandenen Raumthermostaten in seiner Regelfunktion beeinflußen. Dies ist z.B. sinnvoll, um es möglich zu machen, daß während der Aufheizphase auf die bereits zuvor als vorteilhaft herausgestellte „erhöhte Raumtemperatur“ geregelt wird. Es ist erfindungsgemäß möglich auf eine der folgenden Arten:

Der Sensor des vorhandenen Raumthermostaten kann während der Aufheizphase durch ein Peltier-Element gekühlt werden, das vom neu hinzugefügten Raumthermostaten gesteuert wird und dem herkömmlichen so eine niedrigere als die tatsächliche Raumtemperatur vortäuscht.

Den während der Aufheizphase aktiven Ventilator kann man so konstruieren, daß ein Teil der vom Ventilator bewegten Luft (also auf Saug- oder auf Blasseite) nicht erwärmt am Temperatursensor des vorhandenen Raumthermostaten vorbeigeführt wird. Da die Luft, die den Heizkörper durchströmt, im Interesse einer möglichst hohen Energieabgabe des Heizkörpers ohnehin vorzugsweise aus kühlen Bereichen des Raums stammt, wird auch durch diese Maßnahme dem vorhandenen Raumthermostaten eine niedrigere Raumtemperatur vorgetäuscht. Alternativ dazu, einen Teil der vom Ventilator bewegten Luft am Sensor vorbeizuführen, kann auch ein kleiner zusätzlicher Ventilator eingesetzt werden, der z.B. kalte Luft von Wand oder Fußboden am Sensor vorbeiführt und der vom neu hinzugefügten Raumthermostaten nur während der Aufheizphase eingeschaltet wird.

Der Raumtemperatursensor eines elektronisch arbeitenden vorhandenen Raumthermostaten kann durch eine durch den neuen Raumthermostaten steuerbare zeitweise Serien- oder Parallelschaltung mindestens eines elektronischen Bauelementes so beeinflußt werden, daß diesem während der Aufheizphase eine niedrigere Raumtemperatur vorgetäuscht wird.

Die Trägheit des vorhandenen Raumtemperatursensors kann (wie bereits in Kapitel 7.1.2.1.3 erläutert) auch nachträglich vergrößert werden:

o Im Falle eines elektronisch arbeitenden vorhandenen Raumthermostaten kann man dies durch zeitweise Serien- oder Parallelschaltung mindestens eines elektronischen Bauelementes (z.B. Kondensator, Spule) erreichen.

o Besonders gut für die Nachrüstung sind jedoch mechanische Maßnahmen geeignet, bei denen (wie zuvor schon beschrieben) die Masse des vorhandenen Raumtemperatursensors vergrößert wird und/oder seine Umströmung mit Raumluft verschlechtert wird.


7.1.3 Dreiteiliger RaumthermostatFalls neben Heizkörper und Ventilator ein zusätzliches elektrisches Heizelement zur weiteren Verkürzung der Aufheizzeit existiert, so kann dieses vorteilhafter weise in einem einteiligen Raumthermostaten realisiert werden oder es kann in den Teil des Raumthermostaten integriert werden, der wie in Kapitel 7.1.2.2 beschrieben, die Ventilatorleistung regelt. Alternativ kann das elektrische Heizelement auch durch eine dritte Komponente des Raumthermostaten gesteuert werden.

In jedem Fall gelten leicht abgewandelt die gleichen Gesichtspunkte, wie in Kapitel 7.1.2 beschrieben. Die Reihenfolge, ob Ventilator oder elektrisches Heizelement zu Beginn des Aufheizvorgangs als erstes herabgeregelt werden, hängt davon ab, ob die Ventilatorluft und das Ventilatorgeräusch als störender empfunden werden oder die Stromkosten des elektrischen Heizelementes:

- wenn das elektrische Heizelement als erstes herabgeregelt werden soll, dann kann dies (wenn keine direkte Kopplung/Integration mit der Ventilator-Regelung existiert) dadurch erfolgen, daß durch Zurücknahme der elektrischen Heizleistung die Ventilator-Drehzahl auf Maximum gehalten wird.


7.2 Heizkörper mit integriertem VentilatorMarktübliche Konvektoren können in den meisten Fällen mit einer zusätzlichen Heizturbo-Funktion ausgestattet werden. Auf diese Weise ergeben sich zwei Betriebsarten für den Konvektor:

- Im Normalbetrieb (Temperatur wird gehalten) arbeitet der Konvektor unverändert auf der Basis von natürlicher Konvektion,

- im Aufheizbetrieb wird der gleiche Konvektor (oder Teile des Konvektors) mit Ventilatorkraft von Luft durchströmt.

Ein in den Heizkörper integrierter Ventilator soll die Warmluft direkt in den Raum blasen, er soll einen ausreichenden Volumenstrom der Luft durch den Heizkörper erzeugen und er soll die natürliche Konvektion nicht behindern.


7.2.1 Ventilator in die Frontseite des Heizkörpers integriertEine sehr gute Lösung für obenstehende Forderungen besteht darin, einen oder mehrere Ventilatoren auf halber Höhe in die Frontseite des Heizkörpers einzubauen:

Der Ventilator erzeugt zwischen den beiden Heizkörperplatten (bzw. zwischen Heizkörperplatte und Wand, wenn es nur eine Platte gibt) einen Unterdruck, so daß er Luft sowohl von unten, als auch von oben ansaugt und dann nach vorn in den Raum ausbläst. Im Querschnitt ergibt sich folgende Luftströmung:

Auf diese Weise wird doppelt soviel kalte Raumluft durch den Heizkörper transportiert, weil sowohl unten, als auch oben angesaugt und der Weg der Luft durch den Heizkörper halbiert wird. Nach Abschalten des Ventilators wird die natürliche Konvektion nicht behindert, weil die stillstehenden Ventilatorflügel außerhalb des Strömungskanals liegen. Außerdem kann der Ventilator bei dieser Konstruktion für minimalen Volumenstrom dimensioniert werden, weil er keine Fremdluft ansaugt. Da die warme Luft, die zunächst waagerecht oder sogar leicht nach unten gerichtet in den Raum geblasen wird, einen Auftrieb besitzt, erreichen wir auch einen relativ großen Abstand zwischen der am Fußboden angesaugten Kaltluft und der ausgeblasenen Warmluft, so daß beide nur wenig vermischen werden. Weiterer Vorteil ist, daß auf Grund des getrennten Pfades der natürlichen und der Zwangskonvektion sehr einfach ein Luftfilter integriert werden kann (siehe Kapitel 5.8.3).


Hintere Heizkörperplatte

Vordere Heizkörperplatte

Ventilatoröffnung

Heizkörper

Wan

d

Fußboden

Bei dieser Lösung kann es sinnvoll sein, die bisher in Heizkörpern senkrecht angeordneten Metallrippen auch für Luftströmungen aus anderen Richtungen in Richtung auf den / die Ventilatoren durchgängig zu machen. Das folgende Bild zeigt eine Aufsicht auf die zwischen zwei Platten eines Heizkörpers befindlichen Rippen. Links für den Fall, daß nur ein Ventilator integriert ist, rechts mit zwei Ventilatoren:

Alternativ ist es möglich, den Ventilator lediglich in seinem eigenen Umfeld Luft aus dem Heizkörper saugen zu lassen und die effektive Wärmetauscheroberfläche in diesem Bereich durch dichter stehende Rippen zu vergrößern:


Beim folgenden Versuch wurde ein Heizkörper mit zwei mittig in seiner vorderen Heizplatte angebrachten Ventilatoren ausgerüstet. Es wurde der Aufheizvorgang im Frühstücksraum gemessen. Im ersten Versuch waren die Ventilatoren eingeschaltet, im zweiten nicht. In beiden Versuchen wurden beide Heizkörper betrieben. Die Thermostate wurden für die Versuche abmontiert. Im Diagramm wurden die beiden Kurven zeitlich übereinander gelegt. Im zweiten Versuch (ohne Ventilatoren) war die Aussentemperatur ca. 2-3K höher als im ersten Versuch, daher konnte der Raum vor Versuchsbeginn nicht so weit abgekühlt werden wie im ersten Versuch. Versuchsbeginn war um 16:15.

Die Aufheizkurve mit Ventilatoren steigt innerhalb von 10...15 Minuten steil um etwa 3K an und wird danach flacher.

Folgerung: Die in den Raum eingebrachte Wärmeleistung in diesem Versuch war nicht groß genug. Das Luftvolumen war zwar nach wenigen Minuten erwärmt, doch das sich einstellende Gleichgewicht zwischen Wärmezustrom vom Heizkörper und Abfluß in die Wände liegt auf einem Niveau unter dem Wohlfühlniveau.

Abhilfe würden stärkere Ventilatoren schaffen, die eine erhöhte Konvektion durch den Heizkörper bewirken und damit den Wärmestrom an den Raum steigern.


7.2.2 Heizkörper mit für Ventilator optimiertem StrömungskanalWird der gleiche Heizkörper im Normalbetrieb von natürlicher Konvektion durchströmt und im Aufheizbetrieb mit einer durch Ventilatorkraft verstärkten Konvektion, so unterscheiden sich in beiden Betriebsarten die Anforderungen an die Gestaltung des Strömungskanals.

Während man der natürlichen Konvektion keinen hohen Strömungswiderstand entgegensetzen kann, darf dieser dank Ventilatorkraft erheblich größer werden. Der Kanal, durch den die Ventilatorluft strömt, kann erheblich mehr Energie an die Luft abgeben, wenn er entsprechend ausgelegt ist. In Kapitel 5.3 wurde berechnet, daß pro kW gewünschter Heizleistung ein Volumenstrom von rund 100m3/h notwendig ist, was grob der Leistung marktgängiger Einbauventilatoren mit etwa 120mm x 120mm Baugröße entspricht. Bei einem typischen 2...3kW-Heizkörper sind somit 2...3 dieser Ventilatoren erforderlich (wenn sie keine Fremdluft ansaugen).

Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, einen Teil der Wärmetauscherfläche des Heizkörpers für natürliche Konvektion und einen anderen Teil für Zwangskonvektion zu optimieren. Der Ventilator kann dann im Zwangskonvektionsbereich dicht am Heizkörper anliegen, so daß er keine Fremdluft ansaugt und entsprechend schwächer dimensioniert werden kann. Gleichzeitig findet die natürliche Konvektion im anderen Teil des Heizkörpers ungehindert statt.


7.3 Nachrüstbarer Ventilator für vorhandene HeizkörperDie zuvor beschriebenen Konstruktionen sind für neu konstruierte Heizkörper sinnvoll. Für vorhandene Heizkörper bieten sich nachrüstbare Lösungen an. Die Anforderungen sind identisch, zusätzlich sollte der gleiche nachrüstbare Heizturbo vorteilhafterweise

- für möglichst viele Heizkörpermodelle und- in den unterschiedlichsten räumlichen Gegebenheiten

einsetzbar sein.


7.3.1 Ventilator-Aufsatz für vorhandene HeizkörperEine nachrüstbare Lösung besteht darin, daß ein Aufsatz oben auf dem Heizkörper befestigt wird, der die Luft aus dem Heizkörper saugt und nach vorne in den Raum bläst:

Die Ventilatoren können entweder waagerecht zwischen den Platten des Heizkörpers bzw. zwischen Platte und Wand befestigt sein. Oft können sie auch unter ein vorhandenes Abdeckgitter eines Heizkörpers montiert werde (Seitenansicht):




Heizturbo-Aufsatz

Austrittsöffnung in den Raum

Heizkörper

Ventilatoren

Oder man bringt die Ventilatoren senkrecht an den Luftausgang an, was in beengten räumlichen Anordnungen (Fensterbank liegt dicht über den Heizkörper) nachteilig sein kann:

Der Aufsatz sollte so flach wie möglich konstruiert sein. Die Anpassung des Aufsatzes an den Heizkörper kann vor Ort formbar gestaltet werden (modular bzw. durch biegsame Materialien), so daß er verschiedenen Heizkörpermodellen angepaßt werden kann.


Austrittsöffnung in den Raum

Heizkörper

Ventilatoren

7.3.1.1 Luftklappen gegen angesaugte FremdluftDas folgende Bild zeigt die Aufheizkurve eines Raumes mit und ohne Unterstützung durch einen Ventilatoraufsatz auf dem Heizkörper. Es wurden zwei Versuche im Seminarvorraum durchgeführt, einmal ohne Turbo und einmal mit Turbo. Der Turbo besteht aus einem Kabelkanal mit Luftklappen (siehe Kapitel 7.3.3) und 5 Ventilatoren 50x50x25mm. Der Turbo lief 20 Minuten mit 100%, 20 Minuten mit 70% und dann eine Stunde lang mit 40%. Die Versuche wurden nacheinander durchgeführt und nachträglich für das Diagramm zeitmässig überlagert. Beide Versuche fanden am gleichen Tag statt:

Innerhalb von etwa 7 Minuten ergibt sich ein Temperaturhub um etwa 3...4K. Danach verläuft die Kurve flacher.

Folgerung: Die in den Raum eingebrachte Wärmeleistung in diesem Versuch war nicht groß genug. Das Luftvolumen war zwar nach 7 Minuten erwärmt, doch das sich einstellende Gleichgewicht zwischen Wärmezustrom vom Heizkörper und Abfluß in die Wände liegt auf einem Niveau unter dem Wohlfühlniveau.

Abhilfe würden stärkere Ventilatoren schaffen, die eine erhöhte Konvektion durch den Heizkörper bewirken.


7.3.1.2 Saugrüssel in den Heizkörper hineinDie Ventilatoren können bei einem vorhandenen Heizkörper auch so nachgerüstet werden, daß für die Ventilatoren ein spezieller Luftkanal geschaffen wird, so daß keine Fremdluft angesaugt wird. Zu diesem Zweck kann jeder Ventilator oder Gruppen von Ventilatoren mit einem oder mehreren „Saugrüsseln“ versehen werden, die (wie bei einem Staubsauger) im Ansaugbereich des Ventilators liegen und vorzugsweise bis zur mittleren Höhe des Heizkörpers in diesen hineinragen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Ventilatoren nur Warmluft aus dem Heizkörper ansaugen, die mindestens einen vorhersagbaren Weg durch den Heizkörper geströmt ist:

Der folgende Versuch fand im Seminarraum statt. Oberhalb des Heizkörpers befanden sich zehn Ventilatoren 50x50x25mm. Jeder der Ventilatoren saugte Luft durch zwei Saugrüssel, die ca. 40cm zwischen die Heizrippen des HK hinabragten. Oberhalb der Ventilatoren wurde die Luft zur Raummitte hin abgelenkt. Der Versuch begann um 18:12 Uhr:

Nach 10 Minuten sind etwa 3K Temperaturerhöhung erreicht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der Querschnitt von eingeführten Saugrüsseln relativ klein sein muß, damit die Saugrüssel zwischen die Lamellen eines Heizkörpers passen. Außerdem (selbst wenn die Saugrüssel aus Metall konstruiert sind), besteht ein hoher Wärmeübergangswiderstand zwischen Heizkörper und der Luft im Saugrüssel, so daß der Weg der Luft durch den Saugrüssel nicht sehr gut zur Wärmeübertragung genutzt wird.




Ventilator-Aufsatz

„Saugrüssel“

Ventilator-Aufsatz

„Saugrüssel“

7.3.1.3 Luftkanal im Heizkörper abtrennenBei den meisten Heizkörpern ist es möglich, durch Einbringen von zusätzlichen seitlichen Abtrennungen einen oder mehrere Luftkanäle für auf oder neben den Heizkörper montierte Ventilatoren zu erzeugen, die das Ansaugen von Fremdluft verhindern. Blick von oben auf die (vorhandenen) Metalllamellen zwischen den beiden Heizplatten. Das Beispiel zeigt zwei Luftkanäle, die sich jeweils zwischen den gezeigten paarweise angeordneten Abtrennungen ergeben (die obere Abdeckung auf jedem der beiden entstehenden Luftkanäle ist nicht sichtbar in diesem Bild) und die sicherstellen, daß der jeweils zugeordnete Ventilator nur Luft aus dem Heizkörper und keine Fremdluft ansaugt:

Blick von vorn auf den Heizkörper:

Das Einbringen solcher Abtrennungen hat gegenüber der in Kapitel 7.3.1.2 beschriebenen Lösung den Vorteil, daß der Querschnitt des Luftkanals optimal groß wird und die Luft auf ihrem gesamten Weg im Heizkörper Kontakt zu den Heizplatten hat. Diese Luftkanäle/bzw. die sie bildenden Abtrennungen sollten so tief in den Heizkörpers hineinreichen, daß die vom Ventilator angesaugte Luft einen ausreichend langen Weg durch den Heizkörper nehmen muß. Sinnvoll ist es, die Abtrennungen nur etwa 1/4 ... 1/2 der Heizkörperhöhe nach unten ragen zu lassen, so daß der Ventilator innerhalb des Heizkörpers auch seitlich Luft ansaugt, aber tendenziell mehr warme Luft aus den oberen Bereichen des Heizkörpers saugt.


Abtrennung

Luft, die in den Raum geblasen wird



Ventilator-Aufsatz

Ventilator-Aufsatz

Abtrennungen

Ventilator

Abtrennungen

Lamellen

Ventilator

Abtrennung

Lufkanal 1 Lufkanal 2

Abtrennungen werden möglichst genauso wie die Metall-Lamellen bereits bei der Produktion des Heizkörpers eingebaut und aus Metall, das thermisch leitend mit den Heizkörperplatten verbunden ist. Auf diese Weise kann die Metalloberfläche des Heizkörpers vergrößert und der Übergangswiderstand zwischen Heizkörper und Luft minimiert werden. Solche Abtrennungen stören den normalen Betrieb eines Heizkörpers auch dann nicht, wenn keine Ventilatoren aufgesetzt werden. Es ist deshalb vorteilhaft, diese metallischen Abtrennungen grundsätzlich in jeden Heizkörper einzubauen, um eine spätere Nachrüstung vorzubereiten.

Für die Nachrüstung ist es günstiger, auf die Vergrößerung der Metalloberfläche zu verzichten und statt dessen für die Abtrennungen ein flexibles Material (z.B. Schaumstoff) zu verwenden, das vom Anwender leicht auf die gewünschten Maße zugeschnitten werden kann. Auch die selbstklebenden Isolationsmaterialien, die zum Umwickeln von Heizungsrohren üblich sind, kann man verwenden.

Mit Hilfe von abgetrennten Luftkanälen im Heizkörper, die 1/3 der Heizkörperhöhe in den Heizkörper hineinragen, haben wir folgendes Meßergebnis erzielt. Oberhalb des Heizkörpers befanden sich zehn Ventilatoren 50x50x25mm. Jeder der Ventilatoren saugte Luft durch einen Schacht innerhalb der Heizrippen des HK, der seitlich durch zwei 30cm lange Pappstreifen begrenzt wurde, die von oben in den etwa 100cm hohen Heizkörper eingeführt wurden:

Die Ventilatoren bliesen die Luft zur Raummitte hin. Die Versuchsbedingungen entsprachen denen von Kapitel 7.3.1.2, jedoch war die Außentemperatur um 7K höher an diesem Versuchstag:

Mit diesem Aufbau haben wir eine 5K Raumtemperaturerhöhung innerhalb von 10 Minuten erreicht (mit den Saugrüsseln in Kapitel 7.3.1.2 brauchten wir erheblich länger, 40 Minuten).


Nun haben wir weitere Versuche mit reduzierter Anzahl und verschiedenen Typen von Ventilatoren gemacht, und einen Versuch, bei dem wir an Stelle einfacher Ventilatoren zwei Haarföns verwendet haben. Gemessen wurde die Raumaufheizkurven mit folgenden Aufsätze auf dem Heizkörper:

5 Ventilatoren 50x50x25mm 2 Ventilatoren 50x50x25mm 2 Ventilatoren 120x120x25mm 2 Haushaltsföns, je 1400W

Die Aufsätze bestanden aus jeweils zwei, den Saugschacht zur Seite hin abgrenzenden, Pappstreifen und einem Kopfteil, an dem der Ventilator/Fön befestigt war. Die Luft wurde durch den im HK liegenden senkrechten Schacht gesaugt und in Richtung Raummitte geblasen. Im Diagramm wurden die Kurven zeitmäßig übereinandergelegt. Der Zeitpunkt 00:00 Uhr ist das Aufdrehen (Abschrauben) des Ventils:


Zusammenfaßtes Ergebnis:

- 5K Raumtemperaturerhöhung nach 10 Minuten, wenn wir 10 Ventilatoren Typ 50mm verwenden 15 Minuten, wenn wir 5 Ventilatoren Typ 50mm verwenden 20 Minuten, wenn wir 2 Ventilatoren Typ 50mm verwenden 10 Minuten, wenn wir 2 Ventilatoren Typ 120mm verwenden 5 Minuten, wenn wir 2 Haarföns 1400 Watt verwenden

- Ein verkaufbares Produkt könnte zwei Ventilatoraufsätze mit je einem 120mm Ventilator benutzen.

- Noch besser ist es, diese zwei Ventilatoraufsätze mit einer Elektroheizung zu kombinieren.


Weitere Messungen zu dem obenstehenden Versuch, bei dem an Stelle der Ventilatoren elektrische Haarföns verwendet wurden:

- Wenn die Haarföns normale Raumluft ansaugten, dann konnten wir als Ablufttemperatur 75°C am Haarfön messen bei 20°C Raumtemperatur, also rund 55K Temperaturhub durch den Fön bei 1,4kW Leistung.

- Wenn die Haarföns auf dem Heizkörper montiert sind, dann konnten wir als Ablufttemperatur etwa 108°C messen bei rund 10°C Zulufttemperatur unter dem Heizkörper, also rund 98K Temperaturhub durch die Reihenschaltung aus Heizkörper und Haarfön oder rund 80% mehr als beim Betrieb des Föns alleine.

- Die Reihenschaltung Heizkörper/Haarfön dürfte demnach etwa 2,5kW pro Einheit an Wärmeleistung in den Raum gespeist haben – in der Summe beider Haarföns somit etwa 5kW.

In einer konkreten Realisierung ist es vorteilhaft, die Ablufttemperatur etwas zu senken, damit Personen, die unmittelbar am Luftaustritt sich aufhalten, keine zu hohen Temperaturen spüren. Aus dem spezifischen Energieinhalt der Luft von etwa 0,36W/cbmK, dem „normalen“ Temperaturhub des Föns von 55K und der elektrischen Leistung von 1400 Watt können wir für den vorliegenden Versuch auf einen Volumenstrom von etwa 70cbm/h für den Haarfön schließen. In Verbindung mit dem Heizkörper ergab sich damit ein Temperaturhub von 98K.

Eine Steigerung des Volumenstroms des Ventilators auf 100cbm/h (also auf 143%) würde einen Rückgang des Temperaturhubs auf 100/143%= 70%, also auf etwa 70K erwarten lassen. Bei 10°C Raumtemperatur hätten wir somit etwa 80°C Ablufttemperatur und bei 25°C etwa 95°C Ablufttemperatur.

Es muß geprüft werden, welche Ablufttemperaturen gesetzlich zulässig sind.


7.3.1.4 Blas-Luftkanal im Heizkörper abtrennenIn den meisten Räumen ist unter dem Heizkörper erheblich mehr Platz, als über ihm. Es ist deshalb vorteilhaft, blasende Ventilatoren mit 1/3 in den Heizkörper reichenden Abtrennungen unter den Heizkörper zu montieren:

Weiterer Vorteil ist, daß an diesem Montageort unsere Ventilatoren direkt die Raumluft ansaugen und man deshalb direkt am Ventilator einen Thermostaten zur Regelung der Ventilatorleistung anordnen kann.

Beim nachfolgenden Versuch haben wir zwei Ventilatoren des Typs 120x120mm unter dem Heizkörper im Seminarvorraum montiert. Beide Ventilatoren hatten Papp-Abtrennungen, die 1/3 der Heizkörperhöhe von unten in diesen hineinragten und einen seitlichen Abfluß der vom Ventilator in den Heizkörper geblasenen Luft verhindern. Die blaue Kurve zeigt die Raumaufheizung.

Die grüne Kurve zeigt die Raumaufheizung mit oben beschriebenem Aufbau, aber mit zusätzlich einer in 45° Winkel über dem oberen Luftaustritt des Heizkörpers angeordneten Styropor-Luftleitfläche, die nicht über die vordere Fläche des Heizkörpers hinausragte und die die Warmluft in den Raum leitete (weg von der Wand).

Zum Vergleich zeigt die braune Kurve die Raumaufheizung mit den gleichen Ventilatoren, aber oben auf dem Heizkörper montiert und saugend (wie in Kapitel 7.3.1.3).




„Blaskanal“

Ventilator-Unterbau

„Blaskanal“

Ventilator-Unterbau


7.3.2 Ventilator wird neben dem Heizkörper montiertWeil der Platz über einem Heizkörper oft begrenzt ist, kann es sinnvoll sein, einen Luftkanal über dem Heizkörper anzuordnen und den Ventilator als separate Einheit daneben zu positionieren. Der Luftkanal kann vor Ort formbar gestaltet werden (modular bzw. durch biegsame Materialien), so daß er an verschiedenen Heizkörpermodellen angepaßt werden kann:

Weiterer Vorteil ist, daß auf Grund des getrennten Pfades der natürlichen und der Zwangskonvektion sehr einfach ein Luftfilter integriert werden kann (siehe Kapitel 5.8.3).

Wichtig ist, bei dieser Konstruktion einen ausreichenden Luftvolumenstrom zu erreichen. Handelsübliche Staubsauger liegen (wahrscheinlich auf Grund des etwa 2m langen Luftweges durch Schlauch und Rohr) bei nur 100...150m3/h (Quelle: Ökotest Heft 11/2000). Der Luftkanal muß deshalb für die Heizturbo-Anwendung einen erheblich größeren Querschnitt aufweisen und er darf nicht so lang sein. Auf diese Weise sollte auch mit kleinen, leisen Ventilatoren bei dieser Konstruktion ein Luftvolumenstrom von 170...500m3/h erreichbar sein.




Luftkanal

Ventilator-Einheit

7.3.3 Abdichtung des Ventilator-AnsaugbereichsUm das Problem des Ansaugens von Fremdluft zu lösen, kann ein Walzenventilator bzw. eine Vielzahl von Ventilatoren eingesetzt werden, so daß die gesamte Öffnung zum Raum hin mit Flügeln des Ventilators abgedeckt ist. Die Länge der Walze bzw. die Zahl der Ventilatoren kann variabel unterschiedlichen Heizkörpertypen angepaßt werden.

Alternativ (oder wenn dies z.B. bei einem neben dem Heizkörper stehenden Ventilatorkasten nicht möglich ist) kann die Öffnung, durch die natürliche Konvektion bei stillstehendem Ventilator strömen soll, durch den vom Ventilator erzeugten Unterdruck geschlossen werden, sobald der Ventilator arbeitet. Auf diese Weise kann der Ventilator weitgehend unabhängig vom Heizkörper und dessen Dimensionen konstruiert werden, im Ventilatorbetrieb fließt der gesamte vom Ventilator erzeugte Luftvolumenstrom durch den Heizkörper und im anschließenden Temperatur-Haltebetrieb gelangt die natürliche Konvektion fast ungehindert in den Raum:


Klappe

Anschlag

Ansaugbereich des Ventilators

Austrittsöffnung für natürliche Konvektion in den Raum

Drehgelenk

Heizkörper

7.4 Heizlüfter mit Heizkörper kombiniertUnsere Messungen in Kapitel 4.4.3 haben gezeigt, daß die volle Leistung eines Heizkörpers mit Ventilatorunterstützung etwa 5 Minuten nach dem Einschalten zur Verfügung steht, wodurch die in Kapitel 5.5.1.2 berechnete Verzögerung in der Aufheizphase entsteht. Erweitert man die in den Kapiteln 7.2 und 7.3 beschriebenen Lösungen um ein zusätzliches elektrisches Heizelement, so steht dessen Leistung (rote Linie) praktisch verzögerungsfrei schon während dieser ersten 5 Minuten zur Verfügung und addiert sich anschließend zur langsam ansteigenden Leistung des Heizkörpers (grüne Linie):

Der Aufheizvorgang dieser Kombination aus herkömmlichem Heizkörper und Elektroheizung wurde in Kapitel 5.5.1.3 berechnet, ohne Elektroheizung findet sich die Kurve in Kapitel 5.5.1.2. Vergleicht man die Aufheizzeit, um einen 5K Temperaturhub zu erreichen, so benötigt man bei einem 40qm-Raum unter den berechneten Bedingungen mit herkömmlichem Heizkörper alleine etwa 15 Minuten, ergänzt durch eine Elektroheizung reduziert sich diese Zeit auf 5 Minuten.

Der Nutzen der elektrischen Zusatzheizung ist in dem obengenannten Fall besonders groß, weil nur eine relativ kleine Heizkörperleistung von 3kW angesetzt wurde, so daß die zusätzlichen 2kW elektrischer Heizleistung einen erheblichen Anteil an der sich ergebenden Gesamtleistung haben. In der Praxis wird die Heizleistung in einem üblich dimensionierten 40qm-Raum durch den Ventilator-Effekt wahrscheinlich deutlich über 3kW angehoben, so daß der Vorteil durch die elektrische Zusatzheizung kleiner wird.

In jedem Fall ermöglicht die elektrische Zusatzheizung jedoch eine weitere Verkürzung der Aufheizzeit. Dieser Effekt ist umso größer, je kleiner die Leistung der herkömmlichen Heizkörper ist und je kleiner der Raum ist.


Heizlüfterleistung ist fast verzögerungsfrei vorhanden

Heizkörperleistung steigt langsam an

Leis

tung

Zeit

Heizkörper und Heizlüfter werden

eingeschaltet

Bei der folgenden Messung haben wir in einem Diagramm die Aufheizkurven verschiedener Räume aufgenommen. Dargestellt ist jeweils die Durchschnittstemperatur von fünf Temperaturfühlern, die die Raumtemperatur an verschiedenen Punkten im Raum gemessen haben. In allen Fällen waren die Räume zuvor auf 15°C ausgekühlt und es wurde dann gleichzeitig ein 2kW-Heizlüfter in Betrieb genommen und der im Raum befindliche Konvektor wurde auf volle Heizleistung geschaltet (der Thermostatknopf wurde abgedreht, um ein ungewolltes Drosseln der Heizleistung zu vermeiden):

In drei Räumen (Lagerraum, Seminarvorraum, Zimmer 21) reicht die kombinierte Leistung von Heizkörper und Heizlüfter aus, um die Räume in 10 Minuten um knapp 5K zu erwärmen.

Lediglich im großen Seminarraum kommt keine ausreichende Gesamtleistung zustande (obwohl hier 2 Heizlüfter verwendet wurden).


Beim nächsten Versuch ging es darum, wie weit es möglich ist, einen Heizlüfter hinter einen Konvektor zu schalten. Frage war, ob die Ablufttemperatur nicht zu hoch wird, wenn der Heizlüfter schon die warme Heizkörper-Luft ansaugt. Zu diesem Zweck haben wir das Profil der Ablufttemperatur aus dem Heizlüfter aufgenommen, wobei der Heizlüfter normale Raumluft von etwa 20°C eingesaugt hat. Die Abluft aus dem Heizlüfter ist nicht gleichmäßig warm, sondern weist eine bestimmte Verteilung über die Austrittsfläche (das Austrittsgitter) auf. Da die Luft eines normal seitlich in den Raum blasenden Heizlüfters bereits einen Auftrieb verspürt, der die Verteilung der Warmluft am Austrittsgitter verfälscht, haben wir den Heizlüfter senkrecht nach oben blasen lassen und an verschiedenen Punkten mit Hilfe eines räumlich sehr kleinen Temperaturfühlers an den rot gekennzeichneten Punkten die Ablufttemperatur gemessen:

Gehen wir von einer mittleren Ablufttemperatur von 65°C bei einer Raumtemperatur von 20°C aus, so erwärmt der Heizlüfter die Luft um 45K. Bei einer spezifischen Wärmekapazität der Luft von 1,3kJ/m3K = 0,00036kWh/m3K entspricht diese Temperaturerhöhung einer Erhöhung der in der Luft enthaltenen Wärmeenergie von 0,016kWh/m3. Da wir die elektrische Leistungsaufnahme des Heizlüfters kennen (2kW) können wir daraus den Volumenstrom des Ventilators im Heizlüfter abschätzen mit 2/0,016 m3/h = 125 m3/h.

Wenn ein Heizlüfter so mit dem Konvektor einer Zentralheizung gekoppelt wird, daß er die warme Luft aus dem Konvektor ansaugt, dann wird er auch diese Luft um 45K erwärmen. Der Temperaturhub, den die Raumluft zunächst im Konvektor und anschließend im Heizlüfter erfährt, addiert sich. Wenn der Heizlüfter z.B. 50°C warme Luft aus dem Konvektor ansaugt und diese um 45K erwärmt, dann erreichen wir eine Ablufttemperatur von 95°C im Luftaustritt des Heizlüfters.

Die zulässige Oberflächentemperatur auf dem Abluftgitter beträgt (nach mündlicher Auskunft) 135°C. Ein Hintereinanderschalten von Konvektor und Heizlüfter dürfte demnach ohne Probleme möglich sein.


7.5 Heizlüfter als eigenständiger HeizturboHeizlüfter besitzen Ventilator und Heizelement. Sie bringen praktisch verzögerungsfrei einen Wärmestrom in Höhe von 2kW in den Raum ein. Wegen ihrer flexiblen Anwendungsmöglichkeit kann man außerdem sehr leicht eine Aufstellung finden, bei der dieser Wärmestrom direkt in den Raum gerichtet ist und bei der eine unnötige Aufheizung von Wänden und Decken vermieden werden kann.

In Kombination mit einem erfindungsgemäßen Raumthermostaten (siehe Kapitel 7.1) läßt sich sehr einfach ein Heizlüfter konstruieren, der die Aufheizzeit eines Raumes auf wenige Minuten verkürzt. Der Thermostat, der den Heizlüfter regelt, sorgt einfach dafür, daß der herkömmliche Heizkörper während der Aufheizphase permanent auf voller Leistung arbeitet, indem er die anfänglich maximale Heizlüfter-Leistung immer mehr zurücknimmt. Er regelt also nicht auf eine bestimmte Raumtemperatur, sondern auf Maximalleistung des herkömmlichen Heizkörpers (siehe die ausführliche Beschreibung in Kapitel 7.1 – an Stelle des manuellen Start-Tasters sind dort auch andere Alternativen beschrieben).

Die Heizturbo-Funktion kann auch als Zusatzgerät für jeden herkömmlichen Heizlüfter realisiert werden. Z.B. als Zwischenstecker, der vorzugsweise die in Kapitel 7.1.2.2.2 beschriebene Funktion aufweist. Der im Heizlüfter eingebaute herkömmliche Raumthermostat wird in diesem Fall manuell auf maximale Soll-Temperaturvorgabe geschaltet, so daß seine Regelfunktion im Effekt abgeschaltet wird.


Fühler für die Temperatur des im Raum befindlichen

Heizkörpers

Taster, der zu Beginn des Aufheizvorgangs

manuell gedrückt werden muß

Heizlüfter-Thermostat

Regelt die Heizlüfterleistung so, daß die Temperatur des Heizkörpers auf Maximum bleibt. Sobald die Heizlüfterleistung einmal zu Null geworden ist, bleibt der Heizlüfter ausgeschaltet.

Elektrisches Heizelement

Ventilator

Nachteilig ist bei einem eigenständigen Heizlüfter, daß seine elektrische Leistung auf 2kW begrenzt ist. Denn während der mit einem Heizkörper kombinierte Heizlüfter zusätzlich zu seiner eigenen elektrischen Leistung durch den erhöhten Luftstrom die Leistung des Heizkörpers erheblich steigert, ist der Nutzen eines eigenständigen Heizlüfters auf das Hinzufügen seiner elektrischen Heizleistung begrenzt.

Obwohl moderne Gebäude nur wenig Heizleistung benötigen (z.B. braucht ein 320 m2-Neubau mit k-Werten für Wand = 0,19 m2K, Dach = 0,12 m2K und Fenster = 0,6 W/m2K bei –14°C Außentemperatur nur 7kW Heizleistung), muß während der Aufheizphase die Masse des Gebäudes aufgeheizt werden. Der geringe Energiebedarf eines modernen Gebäudes wirkt sich vorwiegend in der Temperaturhaltephase aus – während des Aufheizens dagegen wird weiterhin eine hohe Leistung benötigt.

Inwieweit diese Leistung einen ausreichenden Temperaturhub erzeugt, hängt vor allem von der Raumgröße ab. In Kapitel 5.5.1.1 wurde berechnet, daß ein 2kW Heizlüfter in 5 Minuten je nach Raumgröße folgende Temperaturerhöhungen erreichen kann:

Raumgröße Temperaturerhöhung nach 5 Minuten mit 2kW Heizleistung

20qm 4K30qm 3K40qm 2K60qm 1K

Besser als ein eigenständiger Heizlüfter ist die in Kapitel 7.4 beschriebene Kombination Heizkörper/Heizlüfter.


7.6 Heizturbo kombiniert mit FlächenheizungenFußboden- und andere Flächenheizungen haben das Problem, daß sie zunächst die Materie aufwärmen müssen, in die sie eingebettet sind (Fußboden-, Wandmaterial). Bei älteren Fußbodenheizungen befinden sich etwa 130kg/m2 Estrich und Fußbodenbelag über den Heizschlangen, moderne Installationen bringen es immerhin noch auf 50kg/m2. Selbst in einem Neubau sind somit z.B. für einen 30m2-Raum etwa 1500kg Material zu erwärmen. Geht man von einer Wärmekapazität von 2 kJ/kgK aus, so müssen pro K etwa 3000 kJ oder rund 0,9kWh aufgebracht werden. Bei einer Nachtabsenkung um 5K sind somit etwa 4,5kWh aufzubringen, allein um den Fußboden zu erwärmen.

Berücksichtigt man nun, daß eine typische Fußbodenheizung etwa 70W/m2 an Wärme liefert, dann entspricht dies einer Gesamt-Wärmeleistung von rund 2,1kW für unseren beispielhaften 30m2-Raum. Die Fußbodenheizung ist somit allein etwa 2h lang damit ausgelastet, den Estrich über ihren eigenen Heizschlangen zu erwärmen.

Dieser Effekt macht den Heizturbo zu einer äußerst sinnvollen Erweiterung einer Fußbodenheizung.

Nachteilig ist jedoch, daß fußbodengeheizte Räume nur sehr langsam in der Temperatur abzusenken sind. Da nämlich die große Materialmenge im Fußboden auf viel höhere Temperatur aufgeheizt ist, als in konventionell geheizten Räumen, fällt die Raumtemperatur langsamer ab. Nachtabsenkungen erreichen somit in Verbindung mit Fußbodenheizungen einen geringeren Effekt.

Diese Frage müssen wir genauer untersuchen:

Wir brauchen Aufzeichnungen darüber, wie die Temperatur über Nacht abfällt in einem Raum, der mit Fußbodenheizung geheizt wird.

Und weil Flächenheizungen mit niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden müssen, vergeht eine lange Zeit, bevor Wärme an den Raum abgegeben wird.

Durch Kombination mit einem Heizturbo wird die Trägheit von Flächenheizungen beseitigt. Der größte Nachteil dieser Heizungsart entfällt.

Wie bei jeder anderen Heizungsart kann natürlich auch in Verbindung mit Flächenheizungen ein speziell gesteuerter elektrischer Heizlüfter kombiniert werden. Alternativ kann bereits bei der Konstruktion der Flächenheizung ein Luftkanal vorgesehen werden, und ein Ventilator kann während des Aufheizvorgangs Luft in den Raum blasen, die in diesem Kanal erwärmt wurde.

Das nachfolgende Beispiel zeigt eine Fußbodenheizung, in die in einem kleinen Bereich ein Luftkanal integriert ist. Durch Ventilatorkraft wird die Raumluft während der Aufheizphase durch diesen Kanal getrieben, so daß während der Aufheizphase überwiegend der Charakter einer Luftheizung existiert und der Raum sehr schnell warm wird:



Raumlufteingang

Warmluftausgang, Ventilator

Warmwasser-Rohre der Fußbodenheizung

Luftkanal

Bei der Dimensionierung des Luftkanals im Fußboden und des Ventilators müssen drei Parameter bestimmt werden:

1. Länge des Luftkanals2. Querschnitt des Luftkanals3. Volumenstrom des Ventilators

Um diese Größen bestimmen zu können, gehen wir von der Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung aus. Nehmen wir hier einen Wert von 30°C an und eine abgesenkte Lufttemperatur im Raum von 15°C, so kann die Luft im Luftkanal höchstens um 15K erwärmt werden. Bei einer Wärmekapazität von 1,3 kJ/m3K ergibt sich ein Energieinhalt von rund 20 kJ oder 0,006 kWh pro Kubikmeter Luft. Um 1 kWh in den Raum einzuspeisen, müssen demnach rund 170 m3 Luft durch den Luftkanal transportiert werden. Mit anderen Worten: Für jede 170 m3 Volumenstrom pro Stunde speisen wir 1kW in den Raum ein.

Aus den Aufheizkurven in Kapitel 5.5.1.1 ergibt sich die notwendige Heizleistung und somit der notwendige Volumenstrom.

Damit kann der Ventilator und der Querschnitt des Luftkanals dimensioniert werden – man kann sich für einen dünnen Luftkanal entscheiden und die Luft schnell durch diesen leiten oder man entscheidet sich für geringe Luftgeschwindigkeiten und einen größeren Querschnitt des Luftkanals.

Aus der Luftgeschwindigkeit ergibt sich die Länge des Luftkanals. Dieser sollte ausreichend lang sein, damit die Luft an seinem Ausgang möglichst bis auf Vorlauftemperatur aufgeheizt ist. Weitere Verlängerung bringt keinen Vorteil. Die notwendige Länge ergibt sich aus der Luftgeschwindigkeit im Kanal: Bei hoher Geschwindigkeit muß der Kanal etwas länger sein, damit der Temperaturaustausch Heizrohre/Luft stattfindet.

Fußboden- und andere Flächenheizungen decken eine solch große Fläche ab, daß es keinerlei Probleme und keine nennenswerten Kosten verursacht, einen ausreichend großen Luftkanal zu integrieren.


Alternativ kann jedoch auch ein speziell konstruierter zusätzlicher Wärmetauscher Wasser/Luft in den Vorlauf geschaltet werden. Ein solcher Wärmetauscher kann als eigenständiges Gerät im Raum aufgestellt werden:

Oder er kann in den Fußboden integriert werden:

Oder in die Wand:


Wärmetauscher Wasser/Luft mit Ventilator

Vorlauf Rücklauf


Vorlauf Rücklauf


Vorlauf Rücklauf

Wärmetauscher dieser Art sind handelsüblich erhältlich:

Beispiel eines Wärmetauschers für Wandeinbau, Fabrikat Rixner (siehe http://www.rixner-klimageraete.de/data/technik/dll.htm)


8 Mustergeräte8.1 Ventilatorkasten neben dem HeizkörperEin separates Ventilatorgehäuse, das über einen Luftkanal die warme Abluft aus dem Heizkörper saugt, ist eine sehr universelle Lösung:

- Der externe Ventilator ist unabhängig von der Bauform des Heizkörpers, man benötigt meist nur einen Ventilator.

- Man kann sehr einfach einen Luftfilter integrieren.- Der Luftkanal kann sehr flach gestaltet werden, weil der Ventilator extern

angeordnet ist.- Die Anpassung des Heizturbos an den Heizkörper erfolgt ausschließlich über

den Luftkanal. Länge und Breite des Luftkanals kann angepaßt werden: vor Ort mit einfachen Werkzeugen durch „Aufziehen“ oder „Aufklappen“ von Bestandteilen durch Zusammenfügen/Abnehmen von modularen Bestandteilen durch klebbare Abdeckungen

Zelt: Musterheizkörper bauen?


9 Patente- und PatentanmeldungenWir haben folgende Patentanmeldungen eingereicht:

- DE 100 16 098.0: Vorhandene Konvektoren werden nur während der Aufheizphase durch zusätzliche Ventilatoren unterstützt. Anschließend ist der Raum so leise und zugfrei wie immer, weil die Ventilatoren nur während der Aufheizphase aktiv sind. Hintergrund: In Ländern mit Luftheizung sind die in Deutschland üblichen Klimmzüge (Zeitschaltuhren zur Planung der Nutzungszeiten von Räumen) unüblich. Doch unsere lautlosen und zugluftfreien Konvektionsheizungen sind während der Nutzung des Raumes angenehmer. Die Erfindung verbindet die Vorteile beider Techniken und erfordert nur minimalen Aufwand.

- DE 101 19 070.0: Zusätzliche Anmeldung diverser Details

- (DE 100 09 365.5-34: Regelung der Vorlauftemperatur. Diese Anmeldung ist nur in Randbereichen interessant, wahrscheinlich lassen wir sie sogar fallen)

- DE 101 30 566.4: Zweiteilung eines Konvektors zur Raumheizung in einen Bereich, der für natürliche Konvektion und einen zweiten, der für Zwangskonvektion optimiert ist. Hintergrund: Ein Heizkörper mit dicht stehenden Rippen in dem Bereich, der von Ventilatorluft durchströmt wird und konventionellen Rippenabständen im Bereich natürlicher Konvektion stellt eine sehr kostengünstige Realisierungsart dar. Siehe Kapitel 7.2.2.

- DE 101 40 189.2: Gestaltung eines Konvektors zur Raumheizung dadurch, daß ein weiterer Strömungskanal hinzugefügt wird, dessen Richtung abweichend von der natürlichen Strömungsrichtung des erwärmten Luftstroms ist. Hintergrund: Heizkörper werden normalerweise an (Außen-)Wänden montiert. Ihre warme Abluft erwärmt erst einmal diese Wand und den darüberliegenden Deckenbereich. Man kann etwa 1 Stunde Aufheizzeit und auch den unnötigen Wärmeverlust durch überheizte Außenwände im Heizkörperbereich sparen, wenn man die Luft waagerecht in den Raum bläst. Siehe Kapitel 7.2.1.

- DE 101 40 190.6: Gestaltung eines Konvektors zur Raumheizung dadurch, daß die Richtung des Luftaustritts einstellbar ist. Hintergrund: Bei unterschiedlichen räumlichen Gegebenheiten kann der Installateur einen Heizkörper auf diese Weise immer so einstellen, daß die warme Luft in den Raum und nicht gegen Wände, Decken und Möbel gerichtet wird. Siehe Kapitel 7.2.1.

- DE 101 49 994.9: Gestaltung eines Luftansaug- oder Luftausgangsbereichs eines Ventilators, so daß bei laufendem Ventilator Luft nur durch den Heizkörper transportiert wird, nicht direkt aus bzw. in den Raum. Siehe Kapitel 7.3.3.

- Gestaltung eines Raumthermostaten für das beschriebene Heizturbo-Prinzip. Siehe Kapitel 7.1.

- Gestaltung eines Heizlüfters für das beschriebene Heizturbo-Prinzip. Siehe Kapitel 7.4


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