DGUV Information 215-540 - Klima in Industriehallen Antworten auf die häufigsten...

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Anhang 1, Beschreibung und Funktionsprinzipien von Systemen ...
Anhang 1
Klima in Industriehallen Antworten auf die häufigsten Fragen (DGUV Information 215-540)

Anhangteil

Titel: Klima in Industriehallen Antworten auf die häufigsten Fragen (DGUV Information 215-540)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 215-540
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Anhang 1 – Beschreibung und Funktionsprinzipien von Systemen zur Heizung und Kühlung von Industriehallen (zu Abschnitt 2 Frage 4 und Übersichts-Tabelle 2)

A Radiatoren/Heizkörper

Dieses Heizsystem ist im privaten Wohnungsbau und bei Bürogebäuden weit verbreitet und kann auch bei niedrigen oder gut gedämmten und dichten Industriehallen ausreichend sein. Es muss jedoch zuvor in einer Wärmebedarfsberechnung überprüft werden, ob die Wärmeleistung von Radiatoren/Heizkörpern an den Wänden montiert ausreichend ist. Wegen des höheren Wärmestrahlungsverlusts an Fenstern und der damit verursachten lokalen Abkühlung der Luft sollten Radiatoren/Heizkörper grundsätzlich unterhalb von Fenstern installiert werden, um diesen höheren Wärmeverlust dort zu kompensieren. Von Beschäftigten wird dann der höhere Wärmeverlust nicht wahrgenommen.

Durch die Verwendung von Thermostatventilen und Thermostatköpfen oder elektronischen Reglern kann mit Radiatoren/Heizkörpern in Industriehallen eine gute Behaglichkeit erzielt werden. Thermostatköpfe sind Proportionalregler, d. h. sie öffnen und schließen das Ventil entsprechend proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und eingestellter Sollwert-temperatur. Meist entspricht die Stellung 3 der Sollwert-temperatur von 20 C. Liegt die Raumtemperatur bei einer Stellung 3 eines Thermostatkopfes deutlich unter 20 C, wird das Thermostatventil durch den Thermostatkopf automatisch weit geöffnet. Ist die Temperaturdifferenz klein, wird das Ventil durch den Thermostatkopf auch nur leicht geöffnet. Beim Erreichen oder Überschreiten von 20 C ist das Ventil bei Stellung 3 ganz geschlossen. Es reicht also, die Solltemperatur am Thermostatkopf einzustellen, alles andere regelt der Thermostatkopf. Bei elektronischen Temperaturreglern handelt es sich i.d.R. um Zweipunktregler, die bei der Unterschreitung einer Solltemperatur das Thermostatventil vollständig öffnen und beim Erreichen der Solltemperatur vollständig schließen - diese sind damit weniger komfortabel als einfache Thermostatköpfe.

Grundvoraussetzung für eine funktionierende Heizung mit Radiatoren/Heizkörpern ist eine fehlerfreie Installation, ein hydraulischer Abgleich und eine regelmäßige Wartung. Gleiches gilt aber auch für Flächenheiz- und Kühlsysteme sowie für Deckenstrahlplatten (siehe G, H und I). Der hydraulische Abgleich kann durch Berechnung und korrekte Einstellung der Rücklaufventile oder auch spezielle Regelventile erreicht werden und sollte von einer Fachfirma durchgeführt werden. Nur mit dem hydraulischen Abgleich ist überhaupt sichergestellt, dass an jedem Radiator/Heizkörper die richtige Durchflussmenge und damit auch die richtige Wärmemenge ankommt.

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Abb. 14
Heizung durch Radiatoren/Heizkörper, erhöhter Wärmeverlust durch Fenster, Konvektion

B Warmluftheizung

Warmluftheizungen (Abbildung 15) gibt es direktbefeuert oder auf Warmwasser- oder Dampf-Basis. Da die Warmluftheizungen meist unter der Decke angebracht werden und warme Luft durch den thermischen Auftrieb nach oben steigt, wird viel Energie benötigt, um gegen den natürlichen Auftrieb der Luft zu arbeiten und die oben erzeugte Warmluft in der gesamten Halle zu verteilen. Dies geschieht i.d.R. mit Gebläsen, die hohe Strömungsgeschwindigkeiten erzeugen und dadurch lokal Zuglufterscheinungen verursachen können. Weitere negative Begleiterscheinungen sind oft z. B. Lärm und das Aufwirbeln von Staub, der sich so gleichmäßig in der gesamten Hallenluft verteilt.

Aus der Sicht der Behaglichkeit sind Warmluftheizungen nur dort brauchbar, wo hohe Luftwechselraten erforderlich sind und die Warmluftheizung nicht nur mit Umluft, sondern auch mit Außenluft fährt und diese gut verteilt wird. Von Vorteil sind geringe Investitionskosten, Nachteile sind unter anderem eine schlechte Wärmeverteilung (Hallen-Temperaturprofil: unten kühl, oben sehr warm), lokal hohe Luftgeschwindigkeiten, Staubaufwirbelungen, z. T. Geräuschbelästigung durch Gebläse und hohe Betriebskosten.

Insbesondere zu berücksichtigen ist, dass eine Erfassung und Absaugung von Gefahrstoffen und Biostoffen, wie sie bei Produktionsprozessen oft erforderlich sind, durch Luftströmungen von Warmluftheizungssystemen beeinträchtigt werden können.

Zu C, D, und G

Allgemeines zu Strahlungsheizsystemen

Bei der Strahlungsheizung wird - im Gegensatz zu überwiegend konvektiv wirkenden Heizsystemen - nicht die Hallenluft als Wärmeträger genutzt. Die Energie wird in Form von Wärmestrahlung in den Raum gebracht. Erst beim Auftreffen auf feste Körper wandelt sich die Strahlungsenergie in Wärme um. Damit wird in erster Linie nicht die umgebende Luft, sondern die absorbierende Materie - also auch der menschliche Körper - erwärmt. Dieses Prinzip wirkt sich insbesondere in Industriehallen positiv aus. In der betrieblichen Praxis kommen häufig Gasinfrarotstrahler (siehe C, Hellstrahler), Heißgasstrahlungsheizungen (siehe D, Dunkelstrahler) und Deckenstrahlplatten (siehe G) zum Einsatz.

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Abb. 15
Prinzip von Warmluftheizungssystemen

C Hellstrahler

Hellstrahler sind Infrarotstrahler und direktbefeuerte Gasgeräte (Abbildung 16). Sie werden in Größenordnungen von 6 - 40 kW gebaut. Es sind offene Gasfeuerungsanlagen, die das Gas offen atmosphärisch mit dem Sauerstoff der Hallenluft verbrennen und keine Feuerstätten. Sie unterliegen damit auch nicht der jährlichen Prüfpflicht der Abgaswerte. Das Gas wird in einer perforierten Keramik katalytisch verbrannt und heizt diese auf ca. 900 C auf. Die Abgasführung soll entweder durch thermische oder mechanische Entlüftung erfolgen oder durch den natürlichen Luftwechsel. Die Verbrennungsabgase mischen sich mit der Raumluft. Der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW) fordert in seiner DVGW-Regel G 638/I, dass bei der Installation von Hellstrahlern 10 m3 Raumluft pro Stunde je installierte kW Nennwärme mit Außenluft zu ersetzen sind. Dies geschieht meist über Wandventilatoren.

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Abb. 16
Prinzip von "Hellstrahlern" (Gas-Infrarotheizung)

D Dunkelstrahler

Dunkelstrahler werden heute in einer Länge von 3 bis 60 m und mit einer Leistung von bis zu 100 kW hergestellt. Es sind direktbefeuerte Gasgeräte mit einem zur Halle hin geschlossenen Brennraum, bei denen in der Regel mit einem Gasbrenner ein Strahlungsrohr auf 180 - 450 C erhitzt wird. Dieses Strahlungsrohr gibt die aufgenommene Energie in Form von Wärmestrahlung wieder ab (Abbildung 17). Die Abgase werden über Abgasleitungen direkt ins Freie geführt.

Dunkelstrahler haben keine offene Flamme - das Strahlrohr ist gleichzeitig Brennkammer. Weitere Bauformen sind die sogenannten Strahlungsbänder. Das sind Rezirkulationsstrahler, bei denen ein Teil der Abgase wieder in das System zurückgeführt wird. Das Strahlungsrohr dieser Rezirkulationsstrahler wird auf bis zu +250 C aufgeheizt. Niedrige Hallen können so großflächig beheizt werden. Bei anderen Dunkelstrahlheizungen werden Oberflächentemperaturen von ca. +450 C erreicht. Um die Wärmestrahlen in die gewünschte Richtung zu lenken und zur Verminderung von auftretender Konvektionswärme sind über den Strahlrohren Wärmereflektoren angebracht.

Hersteller von Dunkelstrahlern weisen immer darauf hin, dass es beim Einfahren der Dunkelstrahler zur Bildung von Gerüchen und Dämpfen kommen kann, wenn die Strahlrohre mit einer hitzebeständigen Beschichtung ausgestattet sind. Deshalb sind Industriehallen in dieser Einfahrphase gut zu Be- und Entlüften.

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Abb. 17
Prinzip von "Dunkelstrahlern"

Zu E, F, G, H und I

Allgemeines zu Heiz- und Kühl-Systemen

In jedem Raum muss nicht nur der Wärmebedarf für die korrekte Auslegung einer Heizungsanlage berücksichtigt werden, sondern auch die "inneren" Wärmelasten, z. B. EDV-Technik, Maschinen, Beleuchtung, Personen, usw., müssen bilanziert werden. Bei neu nach Energieeinsparverordnung errichteten Gebäuden wird eine Kühlung häufig ganzjährig betrieben und eine Heizung kaum noch benötigt. Die elektrische Anschlussleistung zum Betreiben von Geräten und Maschinen und die Anzahl der Personen geben einen ersten Überblick über innere thermische Lasten.

E Klimaanlagen (zentral)

Von Klimaanlagen (Abbildung 18) spricht man i.d.R., wenn die Raumluft gekühlt werden soll, aber Klimaanlagen können auch heizen. Bei bekanntem Wärmebedarf und bekannter Kühllast können Klimaanlagen mit entsprechenden Heiz- und Kühlregistern ausgelegt werden. Meist muss bei Klimaanlagen für den notwendigen Wärmetransport wegen der geringen Wärmekapazität mehr Luft bewegt werden, als nur zur Aufrechterhaltung einer gesundheitlich zuträglichen Atemluft notwendig wäre. So wird meist ein Teil der bewegten Luft als Umluft und nur ein Teil als Fortluft mit dem Ersatz von frischer Außenluft gefahren. Auch die Luftfeuchte kann über zentrale Klimaanlagen reguliert werden.

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Abb. 18
Prinzip einer "Klimaanlage" (hauptsächlich dargestellt: Klimazentrale)

F Klimageräte (Splitgeräte)

Die Heizung und die Kühlung (Abfuhr der thermischen Lasten eines Raumes) kann aber auch durch in den Raum eingebaute, dezentrale Klimageräte (sog. Split-Geräte, reine Umluftführung im Raum) erfolgen. Diese Splitgeräte gibt es für die Montage in abgehängte Zwischendecken (Abbildung 19) und auch für die direkte Decken- oder Wandmontage. Sie bewirken eine Temperierung der Luft mittels Wärmetauscher im Raum.

Meist außerhalb des Gebäudes müssen dann aber zusätzlich sog. Kaltwassersätze (oder andere technische Lösungen, z. B. Wärmepumpen) installiert werden. Von dort aus müssen Wasserrohrleitungen zu den einzelnen Splitgeräte verlegt werden, so dass das gekühlte Wasser als Wärmeträger zwischen Kaltwassersatz und Splitgeräten dient. Diese Wasserrohre haben einen wesentlich geringeren Platzbedarf im Gebäude als die Luftkanäle von zentralen Klimaanlagen. Wegen der höheren Wärmekapazität des Wassers gegenüber Luft werden dennoch ähnlich große Wärmemengen transportiert. Nachteilig bei den Splitgeräten ist, dass sich im Kühlbetrieb aus der gekühlten Raumluft Kondenswasser am Wärmetauscher der Splitgeräte bildet, das aufgefangen oder abgeleitet werden muss. Daraus ergeben sich zusätzliche hygienische Anforderungen bei der Wartung dieser Geräte.

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Abb. 19
Splitgerät als Umluftkühlgerät in der Zwischendecke

G Deckenstrahlplatten

Deckenstrahlplatten werden mit Heizwasser durchströmt und unter der Hallendecke montiert (Abbildung 20). Unter der Hallendecke findet keine Verbrennung von Brennstoffen statt, die Hallenluftqualität wird dadurch nicht verschlechtert und unter der Decke muss auch niemand die Abgaswerte jährlich überprüfen. Nach oben sind die Deckenstrahlplatten gedämmt, damit die Wärme hauptsächlich nach unten strahlt. Dies funktioniert mit heißem Wasser zum Heizen wie auch mit "kaltem Wasser" (z. B. 16 C) zum Kühlen. Im Kühlbetrieb besteht die Gefahr der Kondenswasserbildung. Die Deckenstrahlplatten selbst tragen nicht zur Staubbildung bei und wirbeln auch keinen Staub in der Halle auf. Aber wenn in der Halle Staub vorhanden ist, kann sich dieser auf der Oberseite der Deckenstrahlplatten ablagern. Sollten sich dickere Staubablagerungen bilden, sollten diese von den Deckenstrahlplatten regelmäßig entfernt werden.

Die Heizwasservorlauftemperatur kann je nach Deckenhöhe bei ca. 30-75 C liegen. Eine einzelne Platte kann bis zu 8 m lang sein und bis zu 100 kW Wärmeleistung in die Halle einbringen. Deckenstrahlplatten sind ideal zur großflächigen Beheizung und ggf. auch zur Kühlung von Räumen und Hallen mit einer Höhe von 3-30 m.

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Abb. 20
Prinzipskizze für die Funktion von Deckenstrahlplatten

Zu H und I

Allgemeines zu Flächenheiz- und Kühlsystemen, Betonkernaktivierung

Werden die raumumschließenden Flächen, also Fußboden, Wände und Decke, ganz oder teilweise auf Temperaturen unterhalb oder oberhalb der Raumtemperatur gebracht und gehalten, spricht man von Flächenheiz- und -kühlsystemen. Die Temperierung der großen raumumschließenden Flächen erfolgt durch geschlossene Wasserkreisläufe. Auch die Betonkernaktivierung funktioniert ähnlich (mehr zum Aufbau siehe H und I). Aufgrund der Systemtemperaturen ("relativ niedrige" Vorlauftemperaturen zum Heizen, z. B. 30 C und "relativ hohe" Vorlauftemperaturen zum Kühlen, z. B. 16 C) von Flächenheiz- und -kühlsystemen können auch umweltfreundliche, natürliche Ressourcen wie Erdreich, Grund- und Oberflächenwasser genutzt werden. Dies ermöglicht die Wärmepumpentechnik, die nur wenig Strom benötigt und die Wärme aus der Umwelt zum Heizen und Kühlen nutzbar macht.

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Abb. 21
Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Nutzungsmöglichkeiten von Wärmeenergie aus der Umwelt mithilfe von Wärmepumpen

H Flächenheizung und -kühlung

Flächenheizungen sind eine Art Niedertemperatur-Strahlungsheizung, die ihre Wärme großflächig abgeben. Aus wärmephysiologischen Gründen bleiben die Oberflächentemperaturen in niedrigen Bereichen, d. h. unter 30 C oder in Einzelfällen auch bis äußerstenfalls 40 C im Heizbetrieb. Diese Wärmeabgabe erfolgt dabei überwiegend durch Strahlung und weniger durch Konvektion. Als Heizmittel dient vorzugsweise Warmwasser. In Räumen mit einer Flächenheizung kann die Lufttemperatur bei gleicher Behaglichkeit um 2-3 C niedriger sein, als in Räumen mit herkömmlichen Konvektions- bzw. Luftheizungen.

Dieselbe Technik über die temperierten Raumflächen mithilfe von wasserdurchflossenen Rohren kann auch zur Raumkühlung genutzt werden. Dazu werden bei Fußbodenheiz- und Kühlsystemen Rohre in den Nass- oder Trockenestrich verlegt. Bei Wand- und Deckenheiz- und -kühlsystemen können die wasserführenden Rohre ebenso in Nassputzsysteme oder Trockenbausysteme eingebaut werden. Deckenheiz- und Kühlsysteme gibt es zusätzlich als Systeme für abgehängte Decken oder auch architektonisch ansprechend als Heiz- und Kühlsegel. Dabei sind Wasservorlauftemperaturen im Kühlbetrieb von nur 14-19 C üblich. Die Regelungstechnik zur Raumtemperaturregelung muss dann auch für den Kühlbetrieb geeignet sein. Diese sollte auch sicherstellen, dass an keiner Stelle und zu keinem Zeitpunkt der Taupunkt unterschritten wird, damit Feuchteschäden durch Kondenswasser vermieden werden.

Die Luftbewegung im Raum wird von der Flächenheizung und -kühlung nicht beeinflusst, so dass Staubaufwirbelungen vermieden werden. Durch die gleichmäßige Erwärmung des Raumes ohne Luftbewegung kommt es nicht zu Zuglufterscheinungen. Eine freie Lüftung über Fenster oder Dacheinbauten zur Sicherstellung eines Luftaustausches mit Außenluft ist problemlos möglich. Die Flächenheiz- und -kühlsysteme haben sich als Großraumtemperierung in Form von Industriefußbodenheiz- und -kühlsystemen für z. B. Fabrik-, Lager- und Flugzeughallen bewährt (Abbildung 23). Wand- oder Deckenheiz- und Kühlsysteme sind meist unpraktikabel für Industriehallen.

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Abb. 22
Prinzipskizze zu Flächenheiz- und -kühlsystemen

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Abb. 23
Prinzipskizze zur Industriefußbodenheizung (als Beispiel einer temperierten raumumschließenden Fläche)

I Betonkernaktivierung

Die Betonkernaktivierung wird vermehrt bei großen Bauobjekten in Sichtbetonbauweise eingesetzt. Um die Betonkernaktivierung nutzen zu können, muss schon in der Planungsphase klar sein, dass die Betonplatten des Bauwerks nicht großflächig mit Verkleidungen oder Zwischendecken oder Zwischenwänden versehen werden dürfen, so dass die glatten Betonflächen sichtbar bleiben (Sichtbeton). Die Heiz-/Kühlrohre, durch die im Betrieb das temperierte Wasser fließen soll, müssen schon bei der Herstellung der Betonplatten mit eingegossen werden (Abbildung 24). So können dann die im Bauwerk befindlichen Betonplatten temperiert werden. Durch die große Betonmasse reagiert die Betonkernaktivierung sehr träge. Häufig wird deshalb im Kühlbetrieb nachts der Beton abgekühlt und im Laufe des Arbeitstages heizt sich das Gebäude auch innen wieder leicht auf.

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Abb. 24
Prinzipskizze zur "Betonkernaktivierung"