Heizkörper-Ventilation mit pfiffig designter Systemtechnik

Die Ventilation von Heizkörpern neu überdacht.

Die patentierte und im Folgenden vorgestellte Entwicklung ermöglicht die Leistungssteigerung von Plattenheizkörpern über einen seitlich belüfteten Strömungskanal unterhalb des Heizkörpers. Der Kanal belüftet über ringförmige Austrittsöffnungen, die auch bei ausgeschaltetem Zustand noch freie Konvektion ermöglichen. Die Ventilation ermöglicht eine geringere Vorlauftemperatur bei gleicher Heizleistung und bewirkt damit Leistungssteigerungen von Wärmepumpen und Brennwerttechnik sowie die Leistungserhöhung von unzureichend dimensionierten Heizkörpern. Über eine Versuchsreihe an der Technischen Hochschule Köln wurde etwa 50 Prozent Leistungssteigerung ermittelt, was – über ein Jahr betrachtet – zu etwa 17 Prozent Heizkostenreduzierung bei Einsatz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe führt.

Die Leistungssteigerung von klassischen Plattenheizkörpern über eine elektrisch erzeugte Luftventilation wird heute schon am Markt angeboten, allerdings setzen sich diese Lösungen nur in Sonderfällen durch, da sie oft wenig ästhetisch gestaltet sind. Klassische Lösungen sind Gebläse aus nebeneinander angeordneten Ventilatoren, die über oder unter dem Heizkörper angebracht werden [1]. Aber diese Lösung hat erhebliche Nachteile: Wer legt sich schon eine Reihe Ventilatoren auf den Heizkörper, dies ist kein schöner Blickfang. Und unter dem System angebracht, blockiert es den Luftstrom, wenn die Gebläse nicht laufen. Häufig fehlt auch jede Art von Gebläseregelung, so dass die Lüfter nur in voller Stärke oder gar nicht laufen.

Auch eingeführte Hersteller von Heizungs- bzw. Heizkörpersystemen bieten keine einfache Nachrüstung für den Privathaushalt an. Zwar werden Heizkörper mit Lüfter als "Wärmeaktivatoren" angeboten [2], diese Technik erfordert aber eine teure und aufwendige Neuinstallation im Raum.

Andererseits erhöht sich der Wirkungsgrad vieler Heizungssysteme bei Verringerung der erforderlichen Vorlauftemperatur – und dies ist mit einem aktiv ventilierten Heizkörper möglich.

Technologieentwicklung für die Ventilation

Um diese Anforderungen an zeitgemäße Heizungstechnik ästhetisch und energiesparend zu lösen, wurde die Ventilation von Heizkörpern von den Autoren neu überdacht und zum Patent angemeldet [3]. Das Ergebnis ist in Abb. 1 zu sehen.

Leise laufende Ventilatoren fördern Raumluft in einen unter dem Heizkörper positionierten Kanal. Aus dem Kanal strömt die Luft durch um die Öffnungen angeordnete Schlitze und zieht dabei Raumluft mit. Abb. 2 zeigt einen Teil des Belüftungskanals mit zwei ringförmigen Austrittsöffnungen.

Die Lüftungselemente sind steckbar, so dass die Länge des Kanals einfach an die Länge des Plattenheizkörpers angepasst werden kann.

Mit diesem Aufbau wird eine einfache und sehr leise Konvektion erzeugt, ähnlich wie es heute schon bei einigen Tischventilatoren realisiert ist [4]. Die Einheit wird ohne Umbauten oder Werkzeug mit Magneten am Heizkörper befestigt. Eine im Kanal integrierte Elektronik misst die Heizkörpertemperatur und regelt entsprechend die Ventilatoren: Mit zunehmender Temperatur des Heizkörpers laufen die Ventilatoren schneller. Ist in der Übergangszeit der Heizbedarf sehr gering, laufen die Ventilatoren nicht. In dieser Situation kann die Luft durch die großen Öffnungen im Kanal in freier Konvektion fließen und der Heizkörper arbeitet konventionell, ohne dass die Einheit entfernt werden müsste.

Ventilatoren und Elektronik laufen mit 12 V Spannungsversorgung. Damit ist auch eine elektrische Gefährdung, zum Beispiel von spielenden Kindern, ausgeschlossen. Die Stromversorgung kann beispielsweise aus einer "Schuko"-Steckdose mit USB-Anschluss erfolgen [5]. Da Steckdosen oft in der Nähe von Heizkörpern angeordnet sind, kann das Kabel zur Stromversorgung einfach verlegt werden und stört nicht das Gesamtbild.

Einsatzgebiete

Die Auswahl oder Modernisierung von Heizungssystemen ist heute keine rein technische oder wirtschaftliche Frage mehr. Entscheidende Einflussgrößen sind vielmehr gesellschaftliche Überlegungen und sich ändernde gesetzliche Vorgaben. Entsprechend sind die folgenden Ausführungen zu den Einsatzgebieten dieser Ventilationstechnik unter dem Gesichtspunkt der sich verschärfenden Umweltanforderungen und der globalen Anstrengungen zur Reduzierung von CO₂-Emissionen zu betrachten. Speziell für den breiten Einsatz regenerativer Energie sowie von energieeffizienten Heizungssystemen kann diese Technik ein "Türöffner" sein:

Elektro-Wärmepumpen sind bei Betrieb mit "grünem" Strom aus regenerativen Quellen heute eine sehr zukunftsträchtige Heiztechnik. Eine Ventilation der Heizkörper reduziert die erforderlichen Vorlauftemperaturen und verringert damit über einen verbesserten COP-Wert [6] den Energieverbrauch. Hierzu sind in diesem Artikel die Ergebnisse einer Modellrechnung dargestellt.

Durch die Ventilation wird allgemein die Leistung vorhandener Heizkörper deutlich verbessert. Damit können vorhandene Gas- oder Ölheizungen, je nach Auslegung der Heizkörper, durch Elektro-Wärmepumpen ersetzt werden, ohne die Heizkörper vergrößern zu müssen. Dies ermöglicht auch in älteren Häusern die ökologische Modernisierung von Heizungssystemen. Gerade die vergleichsweise preiswerten und einfach zu installierenden Luft/Wasser-Wärmepumpen können wirtschaftlich meist nur mit maximalen Vorlauftemperaturen von 55 °C betrieben werden. Mit Einsatz der Ventilation in den vorhandenen Plattenheizkörpern reicht dieser Wert auch bei niedrigen Außentemperaturen und bei nicht zeitgemäß gedämmten Häusern aus.

Ebenso kann die Ventilation Fehler bei der ursprünglichen Heizungsauslegung ausgleichen. Ist ein einzelner Raum häufig zu kühl und ist dies durch einen hydraulischen Abgleich der Heizkreise nicht zu beseitigen, so wird durch die Ventilation gezielt die Leistung von Heizkörpern in diesem Raum vergrößert.

Heizungssysteme mit Gas-Brennwerttechnik können ihre Leistung ebenfalls deutlich verbessern. Niedrige mittlere Vorlauftemperaturen ermöglichen es, die latente Kondensationswärme im Abgasstrom besser zu nutzen und damit den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen.

In Verbindung mit einem Thermostatventil am Heizkörper kann auch keine Überhitzung des Raumes durch die Leistungssteigerung des Systems erfolgen: Die Ventilation sorgt für eine bessere Wärmeabgabe an den Raum; ist die Solltemperatur erreicht, reduziert das Ventil den Durchfluss des Vorlaufs, der Heizkörper wird kühler und die Lüfter reduzieren ihre Drehzahl. Da die Zeitkonstanten der beiden Regelkreise "Ventilation" und "Thermostatventil" im Allgemeinen um mindestens eine Größenordnung unterschiedlich sind, ist auch keine Schwingung des Gesamtsystems zu erwarten.

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:

α_Ventilation = 1,5 · α_Konvektion

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