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Heizlastberechnung starten
Normkonforme Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 — direkt im Browser.
Heizlastberechnung startenKonvektion als Wärmeübertragungsmechanismus: natürliche und erzwungene Konvektion, Wärmeübergangskoeffizient α, Bedeutung für Heizkörper, Kühldecken und Lüftung.
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Heizlastberechnung startenKonvektion ist die Wärmeübertragung durch die Bewegung eines Fluids (Luft, Wasser oder ein anderes Gas/Flüssigkeit). Im Gegensatz zur Wärmeleitung (Wärme fließt durch ruhenden Stoff) und zur Wärmestrahlung (elektromagnetische Wellen) transportiert Konvektion Wärmeenergie durch die physikalische Verlagerung von Fluidteilchen von einem Ort zum anderen.
In der TGA-Planung ist Konvektion der dominierende Wärmeübertragungs-Mechanismus an allen fluid-berührten Oberflächen — Heizkörper, Kühldecken, Wärmetauscher, Leitungsaußenflächen. Der Wärmeübergangskoeffizient α (oder h) [W/(m²·K)] quantifiziert die Intensität der konvektiven Wärmeübertragung an einer Oberfläche.
Norm: DIN EN ISO 6946 (Wärmedurchgangswiderstand, Normwerte für α), DIN EN ISO 13789 (Transmissionswärmeverluste), DIN EN 12831 (Heizlastberechnung)
Bei natürlicher Konvektion entsteht die Strömung ausschließlich durch Dichteunterschiede infolge von Temperaturunterschieden — ohne äußeren Antrieb (Pumpe, Ventilator):
Typische α-Werte bei natürlicher Konvektion (Luft):
| Oberfläche | Orientierung | α [W/(m²·K)] |
|---|---|---|
| Horizontale Fläche, Wärme nach oben | Decke (Heizung) | 5,0 |
| Horizontale Fläche, Wärme nach unten | Boden (Kühlung) | 0,7–1,5 |
| Vertikale Fläche | Wand, Heizkörper | 2,5–4,0 |
| Horizontale Fläche, Wärme nach oben | Fußbodenheizung | 5,5–7,0 |
Bei erzwungener Konvektion wird das Fluid durch einen äußeren Antrieb bewegt — Pumpe (Wasser), Ventilator (Luft), Wind:
Typische α-Werte bei erzwungener Konvektion:
| Fluid | Strömungsgeschwindigkeit | α [W/(m²·K)] |
|---|---|---|
| Luft (langsam, v = 1 m/s) | Raumluft mit Ventilator | 10–20 |
| Luft (mittel, v = 3 m/s) | Gebläsekonvektor | 25–50 |
| Luft (schnell, v = 10 m/s) | Klimakanal | 50–100 |
| Wasser (v = 0,5 m/s) | Heizungsrohr | 500–2.000 |
| Wasser (v = 1,5 m/s) | Wärmetauscher | 2.000–5.000 |
| Wasser (Kondensation) | Kondensator Kältemaschine | 5.000–15.000 |
Für die Berechnung des U-Werts von Bauteilen nach DIN EN ISO 6946 werden normierte Wärmeübergangswiderstände (R_si, R_se) verwendet, die die konvektive und strahlungsbedingte Wärmeübertragung an den Bauteiloberflächen zusammenfassen:
| Wärmeübergang | Symbol | R [m²K/W] | Entspricht α ges. [W/(m²K)] |
|---|---|---|---|
| Innenoberfläche (horizontal, Wärme nach oben) | R_si | 0,10 | 10,0 |
| Innenoberfläche (vertikal) | R_si | 0,13 | 7,7 |
| Innenoberfläche (horizontal, Wärme nach unten) | R_si | 0,17 | 5,9 |
| Außenoberfläche (Windlast nach NORM) | R_se | 0,04 | 25,0 |
Der Gesamtwärmedurchgangswiderstand eines Bauteils ist: R_T = R_si + Σ R_i + R_se = 1/U
Der Anteil von Konvektion und Strahlung an der Wärmeabgabe von Heizflächen beeinflusst den Raumkomfort und die erforderliche Vorlauftemperatur:
| Heizflächentyp | Konvektionsanteil | Strahlungsanteil | Behaglichkeit |
|---|---|---|---|
| Heizkörper (Typ 11, 1-lagig) | 50–60 % | 40–50 % | Gut |
| Heizkörper (Typ 22, 2-lagig) | 65–75 % | 25–35 % | Mittel |
| Gebläsekonvektor (Fan Coil) | 90–95 % | 5–10 % | Weniger behaglich |
| Fußbodenheizung | 30–40 % | 60–70 % | Sehr gut |
| Wandheizung | 25–35 % | 65–75 % | Optimal |
| Deckenheizung | 20–30 % | 70–80 % | Gut |
| Kühldecke | 20–30 % | 70–80 % | Optimal (Kühlen) |
Heizflächen mit hohem Strahlungsanteil (Fußboden, Wand) erzielen bei gleicher Luft-Raumtemperatur ein höheres Wärmeempfinden, weil sie den Mittleren Strahlungstemperaturwert (MRT) der Umgebungsflächen erhöhen. Das erlaubt eine Absenkung der Luft-Solltemperatur um ca. 1–2 K ohne Komfortverlust.
Die Wärmeabgabe ungedämmter oder teilgedämmter Rohrleitungen erfolgt durch Kombination aus:
Der äußere Wärmeübergangskoeffizient α_a (natürliche Konvektion bei freier Rohrverlegung):
| Rohrtemperatur über Umgebung (ΔT) | α_a [W/(m²·K)] |
|---|---|
| 20 K | 8–10 |
| 40 K | 10–13 |
| 60 K | 12–15 |
Bei der Dämmdickenberechnung nach GEG Anlage 5 wird ein kombinierterer Wärmeübergangskoeffizient von α = 10 W/(m²·K) an der Außenoberfläche angesetzt.
Erzwungene Konvektion durch Luftströmungen im Raum erzeugt Zugluftgefühl, das ab bestimmten Geschwindigkeiten als unangenehm empfunden wird. DIN EN ISO 7730 (Ergonomie der thermischen Umgebung) definiert Grenzwerte:
| Luftgeschwindigkeit | Empfindung |
|---|---|
| < 0,10 m/s | Keine Zugluft, stagnierend wirkend |
| 0,10–0,15 m/s | Angenehm (Sommerkomfort) |
| 0,15–0,25 m/s | Noch akzeptabel (PPD < 15 %) |
| > 0,25 m/s | Zugluft, Unbehagen bei normaler Tätigkeit |
| > 0,50 m/s | Deutliche Zugluft, unzumutbar |
Kaltluftabfall an ungedämmten Fensterflächen ist eine Form natürlicher Konvektion, die Zugluft im Aufenthaltsbereich verursacht. Die Mindestanforderungen nach DIN 4108-2 für Fenster-U-Werte reduzieren diesen Effekt.
Heizkörper geben Wärme durch Konvektion (Luft strömt am Heizkörper vorbei, erwärmt sich und steigt auf) und Strahlung ab. Der Heizkörper-Normwärmestrom (Φ_N) nach EN 442 wird bei Normbedingungen ermittelt: Vorlauf 75 °C, Rücklauf 65 °C, Raumtemperatur 20 °C (Übertemperatur ΔT_N = 50 K). Bei anderen Betriebstemperaturen (z. B. 55/45 °C bei Wärmepumpen) sinkt die tatsächliche Wärmeabgabe deutlich — der Korrekturfaktor f_K beträgt bei 55/45/20 °C nur ca. 0,65–0,70.
Fußbodenheizungen arbeiten mit niedrigen Vorlauftemperaturen (30–40 °C), weil sie eine große Fläche für die Wärmeabgabe nutzen und einen hohen Strahlungsanteil haben. Der hohe Strahlungsanteil ermöglicht es, die Lufttemperatur bei gleicher Behaglichkeit um 1–2 K niedriger zu halten. Die niedrige Vorlauftemperatur erhöht die Jahresarbeitszahl (JAZ) von Wärmepumpen erheblich: Pro 1 K niedrigere Vorlauftemperatur steigt die JAZ um ca. 2–3 %.
Bei bekanntem α_innen und α_außen gilt: R_gesamt = 1/α_innen + R_Wand + 1/α_außen
Für wasserführende Rohre im Heizsystem (α_innen ≈ 1.000–3.000 W/(m²K)) dominiert der Wandwiderstand R_Wand die Berechnung. Der innere Wärmeübergangswiderstand 1/α_innen ist dann vernachlässigbar.