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Heizkörperexponent

Die Heizleistung, die ein Heizkörper in einen Raum abgibt, nimmt mit dessen Temperatur zu. Genauer kommt es auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkörper und der Luft und auch Gegenständen im Raum an.

In einem vereinfachten Modell geht man von einer bestimmten Temperatur des Heizkörpers aus, obwohl diese nicht an allen Stellen des Heizkörpers dieselbe ist. Oft wird der Mittelwert zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur als eine grobe Schätzung der mittleren Temperatur der Oberflächen des Heizkörpers verwendet. Ferner wird angenommen, die Temperatur der Luft stimme mit der der Gegenstände im Raum (abgesehen vom Heizkörper) überein. Unter diesen Umständen kann man eine Temperaturdifferenz <$\Delta T$> zwischen Heizkörper und Umgebung angeben.

Es ist klar, dass die vom Heizkörper abgegebene Heizleistung null sein muss, wenn die genannte Temperaturdifferenz null ist, und dass die Heizleistung mit steigender Temperaturdifferenz zunimmt. Jedoch variiert die genaue Form dieses Zusammenhangs in der Praxis je nach den Verhältnissen deutlich. Im Allgemeinen lässt sich ein Zusammenhang in guter Näherung in der folgenden Form aufstellen:

$$P = C \cdot (\Delta T)^n$$

Hier ist <$P$> die abgegebene Heizleistung, <$C$> eine Konstante (die von der Größe des Heizkörpers abhängig ist) und <$n$> der sogenannte Heizkörperexponent – eine von der Art des Heizkörpers abhängige Zahl.

Das folgende Diagramm zeigt die Abhängigkeit der Heizleistung von der Temperaturdifferenz für verschiedene Werte des Heizkörperexponenten.

Größere Werte des Heizkörperexponenten führen dazu, dass die Heizleistung bei steigender Temperatur des Heizkörpers zunächst langsamer ansteigt, bei höheren Temperaturen dagegen schneller. In diesem Fall wirkt sich eine Absenkung der Vorlauftemperatur tendenziell stärker aus als bei einem Heizkörper mit niedrigem Exponenten.

Heizkörperexponenten typischer Heizungssysteme

Je nach den Verhältnissen liegt der Heizkörperexponent meist zwischen 1 und 1,5:

• Wenn die Wärmeabgabe hauptsächlich durch die Wärmeleitung in festen Körpern limitiert wird, ist die Heizleistung proportional zur Temperaturdifferenz, d. h. der Heizkörperexponent ist 1. Diese Situation kann bei Fußbodenheizungen annähernd gegeben sein (vor allem wenn ein Fußbodenbelag nicht sehr gut wärmeleitend ist); man ermittelt typischerweise Werte zwischen 1 und 1,1.
• Wenn die Wärmeabgabe hauptsächlich durch die Abgabe von Wärmestrahlung erfolgt, und zwar bei relativer hoher Temperatur (z. B. 80 °C), ergibt sich ein etwas größerer Heizkörperexponent von rund 1,2. Diese Nichtlinearität resultiert aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz (siehe den Artikel über Wärmestrahlung). Bei Infrarotstrahlern mit geringer Temperatur (z. B. bei einer Deckenheizung mit weniger als 30 °C) liegt der Heizkörperexponent unter 1,1.
• Wenn die natürliche Konvektion von Luft für die Wärmeabgabe eine wichtige Rolle spielt, ergibt sich ein noch größerer Wert von z. B. 1,4. Dies liegt daran, dass eine höhere Temperaturdifferenz einerseits die Stärke der Konvektion erhöht, d. h. die pro Minute um gewälzte Luftmenge, andererseits aber auch die pro Kubikmeter Luft transportierte Wärmemenge.

Bei Plattenheizkörpern (Radiatoren) überwiegt oft der Strahlungsanteil, obwohl auch eine gewisse Konvektion auftritt, und der Heizkörperexponent liegt dann meist zwischen 1,2 und 1,3. Bei Konvektoren dagegen, bei denen die Konvektion z. B. durch ausgeprägte Rippenstrukturen verstärkt wird, ergeben sich höhere Werte zwischen 1,25 und 1,45.

Es gibt auch Gebläseheizkörper, bei denen die Konvektion durch einen Ventilator erheblich verstärkt wird. Wenn die Drehzahl des Ventilators konstant ist, hängt die Stärke der Konvektion kaum mehr von der Temperaturdifferenz ab, und es ergibt sich ein recht kleiner Heizkörperexponent von z. B. 1,2 oder 1,1. Dagegen resultieren viel höhere Werte, wenn die Drehzahl des Ventilators mit der Temperatur stark ansteigt.

Man erkennt aus diesen Beispielen, dass man aus dem Wert des Heizkörperexponenten nicht unbedingt schließen kann, ob die Wärmestrahlung eine große Rolle spielt.

Praktische Verwendung des Heizkörperexponenten

Der Heizkörperexponent ist eine nützliche Größe bei der Dimensionierung von Heizkörpern und der Wahl der nötigen Vorlauftemperatur. Man kann beispielsweise die Heizleistung für die vorgesehene Dimensionierung und Vorlauftemperatur berechnen und überprüfen, ob diese angesichts der Wärmeverluste des Gebäudes ausreichend ist. Ebenfalls lässt sich damit abschätzen, wie stark die Heizleistung absinken würde, wenn eine gewisse Absenkung der Vorlauftemperatur vorgenommen wird – beispielsweise wenn eine Ölheizung durch eine Wärmepumpenheizung ersetzt werden soll und die niedrigere Vorlauftemperatur für die Energieeffizienz der Wärmepumpe wichtig ist. In diesem Fall kann man ermitteln, wie sehr man die Heizkörperflächen vergrößern oder aber die Wärmedämmung des Gebäudes verbessern müsste, um die Absenkung der Vorlauftemperatur zu kompensieren, d. h. die gewünschte Raumtemperatur immer noch aufrechterhalten zu können.

Siehe auch: Heizkörper, Wärmestrahlung, Leistung