Leistungsverstärkung durch Ventilation
In einer Ingenieur-Abschlussarbeit an der Technischen Hochschule Köln [7] wurde die Leistungsverstärkung an Heizkörpern durch Ventilation untersucht. Eingesetzt wurde ein klassischer Plattenheizkörper des Typs 22 mit den Maßen 300 x 600 mm (H x L) und einer maximalen Wärmeleistung von 316 Watt bei 55 °C Vorlauftemperatur. Abb. 3 zeigt den Versuchsaufbau.
Der Heizkörper wurde mit einem elektrischen Heizstab von max. 300 W Leistung beheizt, der für jeden Versuch so lange eingeregelt wurde, bis sich ein stationärer Zustand mit 40 °C Vorlauftemperatur bei 22 °C Raumtemperatur ergab. Ohne Ventilation wurde eine Dauerleistung von 180 W benötigt und mit Ventilation von etwa 60 Prozent des Heizkörpers mit zwei Lüftern von je 3 W Leistung waren 240 W erforderlich. Geht man näherungsweise davon aus, dass der nicht-ventilierte Teil des Heizkörpers 40 Prozent von 180 W, also 72 W, benötigt, so erhöht sich durch die Ventilation die Energieabgabe von 108 W auf 168 W, also um etwa 55 Prozent.
Einflüsse unterschiedlicher Rücklauftemperaturen konnten vernachlässigt werden, da mit einer starken Umwälzpumpe gearbeitet wurde. Damit hatte das gesamte System im stationären Zustand die gleiche Wassertemperatur von 40 °C.
Da alle übrigen Versuchsparameter unverändert blieben, hat sich durch die Ventilation nur der Wärmeübergangskoeffizient α vom Heizkörper an die Luft verändert. Für die weitere Berechnung wird gemäß der folgenden Gleichung etwa 50 Prozent Erhöhung angesetzt:
αVentilation = 1,5 · αKonvektion
Mit der Annahme aus dieser Gleichung lässt sich nun abschätzen, um welchen Wert sich die Vorlauftemperatur durch Ventilation bei gleicher vom Heizkörper abgegebener Wärmemenge reduzieren lässt. Hierbei wurde die Temperaturänderung des Wärmeträgermediums im Heizkörper selbst vernachlässigt, da sie in beiden Fällen ähnlich ist. Abb. 4 zeigt den Vergleich der Vorlauftemperaturen.
Für die Berechnung wurde zunächst der typische Verlauf einer Vorlauftemperatur angenommen, mit einem Maximalwert von 55 °C bei -15 °C Außentemperatur als Auslegungswert der Heizanlage. In diesem Beispiel kann bei einer Außentemperatur von 0 °C über die Ventilation die Vorlauftemperatur von 46 auf 37 °C bei gleich bleibender Heizleistung reduziert werden.
Dies bewirkt eine deutliche Verbesserung des COP-Wertes. Für typische Luft/Wasser-Wärmepumpen erhöht sich der COP-Wert bei 0 °C von etwa 2,4 auf 2,9.
Die erforderliche Heizenergie wurde für ein Jahr mit Hilfe einer einfachen stationären Simulation abgeschätzt. Der monatliche Energiebedarf wurde aus den Jahresgradzahlen [8] ermittelt und die mittlere monatliche Außentemperatur aus Zeitreihen der Lufttemperatur in Deutschland [9]. Abb. 5 zeigt, wie sich der Heizenergiebedarf durch Ventilation der Heizkörper verringert.
Über das Jahr gemittelt ergibt sich ein um etwa 17 Prozent reduzierter Heizenergiebedarf.
Ausblick
Die Berechnungen zeigen, dass sich bei typischen Luft/Wasser-Wärmepumpen durch den Einsatz der Ventilation jährlich etwa 17 Prozent Heizenergie einsparen lässt.
Das unauffällige Design und die einfache Anbringung in Verbindung mit der optimierten Strömungstechnik ermöglichen die Installation auch in bestehenden Heizungsanlagen als Teil einer Optimierungs- oder Modernisierungsmaßnahme.
Diese Technik unterstützt den immer stärker werdenden gesellschaftlichen Trend eines nachhaltigeren Lebens über die Möglichkeit zur Nutzung besserer und ökologischer Heizungssysteme. Die Autoren sind an ihrer Verbreitung sehr interessiert und würden sich über die Kontaktaufnahme von produzierenden Unternehmen zur Markteinführung freuen.
[1] Typische Angebote für ungeregelte Gebläse: www.ebay.de/usr/ekospal-alarm4u
[2] Produktbeschreibung unter: www.jaga.com/de/technologie/heizen/dbh.html
[3] Wolf, H.; Brüggemann, R. (✝) (2015); Deutsches Patent Nr.: DE 10 2015 216 248 A1
[4] Beispielprodukt: www.dyson.de/ventilatoren-und-heizluefter/neue-dyson-ventilatoren.aspx
[5] Beispielprodukt: www.busch-jaeger.de/produkt/future-linear/schuko-usb-steckdose
[6] COP "Coefficient of Performance" ist das Verhältnis von Wärmeleistung zur Antriebsleistung einer Wärmepumpe.
[7] Tarik Bozyurt; "Entwicklung und Implementierung einer Steuerung für einen Versuchsstand zur Untersuchung des Wirkungsgrades von innovativen Konvektionsheizungen"; Bachelorarbeit im :metabolon-Institut der TH Köln; 2019; unveröffentlicht.
[8] Jahresgradzahlen aus: www.iv-mieterschutz.de/mietrecht/heizkosten/gradtagszahlentabelle/
[9] Mittlere Jahrestemperaturen aus: https://de.wikipedia.org/wiki/Zeitreihe_der_Lufttemperatur_in_Deutschland#Jahr
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