Heizmittelübertemperatur

Die Fußbodenheizung gehört zur Gruppe der Flächenheizungen.

Erste Fußbodenheizungen wurden bereits von den Römern verwendet (Hypokaustum), später, etwa 700 n. Chr., auch von den Koreanern, die Fußbodenheizung „Ondol“.

Der große Durchbruch der Fußbodenheizung hat sich seit den 1980er Jahren rasant vollzogen. Ein wichtiger Grund dafür ist die Behaglichkeit. So ermöglicht es etwa eine Fußbodenheizung, selbst im Winter im Haus barfuß zu gehen. Ein weiterer Vorteil ist die architektonische Freiheit der Raumgestaltung. Dazu kommen noch die hygienischen Aspekte einer Fußbodenheizung. Staubaufwirbelung findet nicht statt. Durch die gleichmäßige Flächenwärme wird das Wachstum der Hausstaubmilbe und die Schimmelpilzbildung verhindert.

Warmwasser-Heizungen

Im oder unter dem Heizestrich werden Rohre aus überwiegend Kunststoff oder seltener Kupfer verlegt. Als Kunststoff kommen verschiedene Materialien zum Einsatz. Der am meisten verwendete Kunststoff ist das vernetzte, sauerstoffdichte (ansonsten Korrosionsgefahr im Heizungskessel) Polyethylen (PE-X). Die Verlegung erfolgt entweder modular, mäanderförmig oder bifilar (Schneckenform). Der bifilaren Verlegung wird nach Möglichkeit der Vorrang gegeben, da mit dieser Verlegeart eine gleichmäßige Wärmeverteilung im beheizten Raum erreicht wird. Die modulare Verlegung erfolgt auch bei der Betonkernaktivierung. Schließlich gibt es noch Verlagearten mit Kunststoffkapillarrohrmatten, wobei die parallel angeordneten PP-Röhrchen (Abmessungen z. B. 4,3x0,8 mm) vorzugsweise im Gleichsinn durchflossen werden. Die kleinen Rohrabstände von 15...30 mm bewirken eine sehr geringe, praktisch nicht merkbare Temperaturwelligkeit auf der Fußbodenoberfläche. Die Anwendung bei der Betonkernaktivierung führt zu einer sehr homogenen Bauteiltemperaturverteilung, wodurch die Wärmespeicherkapazität gegenüber großen Rohrabständen stark steigt.^[1] Die Fußbodenheizung wird nochmals in Nasssysteme (Zementestrich oder Anhydritestrich, sehr häufig aufgrund der besseren Wärmeübertragung in Fließestrich) und Trockensysteme (Trockenestrichplatten) unterschieden. Beim Nasssystem werden die Rohre im Estrich installiert.

Nasssysteme

Rohre für eine Fußbodenheizung (Nasssystem)

Regler für eine Fußbodenheizung (Nasssystem)

Beim Nasssystem gibt es dabei verschiedene Möglichkeiten, um das Rohr im Estrich zu fixieren:

• die Rohre werden auf Trägermatten aus Stahl mit Klammern befestigt
• die Rohre werden auf Klemmschienen aus Stahl oder Kunststoff befestigt
• die Rohre werden mit Klammern auf einer Trägerdämmung befestigt (wegen der Beschädigung der Schutzschicht zur Dämmung und der Dämmung eigentlich nicht zulässig)
• die Rohre werden zwischen eine Stahlwabenplatte eingefädelt

Wabenplatte

Trockensysteme

Beim Trockensystem befinden sich die Rohre unterhalb des Bodenbelages. Die Befestigung erfolgt dort auf der Trägerdämmung, die mit Nuten und Wärmeleitlamellen ausgestattet ist. Die Wärmeleitbleche sollen der besseren Wärmeverteilung dienen. Das Trockensystem eignet sich für niedrige Fußbodenaufbauten und wird im Altbau oder in der Gebäudemodernisierung eingesetzt. Trockensysteme können auch mit direkt aufgelegten Oberböden (Estrichziegeln, Fliesen, schwimmendes Parkett und Laminat) ausgeführt werden und führen dadurch zu einer weiteren Reduzierung der Vorlauftemperatur und zu einer schnelleren Auf- und Abheizphase.

Eine weitere Variante der Trockensysteme besteht aus Trockenestrichplatten mit einer vorgefertigten Fräsung, die die Heizungsrohre fixiert. So fasst dieses System die vormals getrennten Komponenten, Trockenestrichplatten und Fußbodenheizung, früherer Systeme zusammen. Die geringe Montagezeit kommt besonders Architekten zugute, die in öffentlichen Einrichtungen, wie Schulen und Kindergärten, nur die Ferienzeiten zum Einbau zur Verfügung haben. Außerdem kann dieses vereinfachte System auch vom Privatmann verlegt werden, so dass der "Häuslebauer" nur noch für die Rohranschlüsse einen Heizungsbauer benötigt.

Neuere Fußbodenheizungssysteme werden verstärkt für die Gebäuderenovierung konzipiert, ohne dabei in die bestehenden Fußbodenaufbauten einzugreifen. Dabei entstehen sehr niedrige Aufbauhöhen ab ca. 8 mm. Eine spezielle Ausgleichsmasse ist die Grundlage für den Bodenbelag.

Warmwasserverteilung

Bei beiden Systemen wird zur Wärmeverteilung ein Heizkreisverteiler benötigt. Alle Heizkreise (Rohrleitungsschleifen) werden jeweils mit einem Vorlauf und Rücklauf an den Heizkreisverteiler angeschlossen. An dem Heizkreisverteiler kann jeder einzelne Heizkreis mittels eines Ventils hydraulisch abgeglichen werden. Der hydraulische Abgleich ist erforderlich, da die einzelnen Bauteile der Fußbodenheizung (z. B. Heizkreisverteiler, Rohrkreise etc.) verschieden hohe Strömungswiderstände erzeugen. Eine gleichmäßige Wärmeverteilung ist nur mit gleich hohen Durchsätzen in allen Heizkreisen möglich. Durch in den Heizkreisverteiler integrierte Durchflussmengenmesser kann der Volumenstrom (in Liter pro Minute) optisch sichtbar gemacht werden. Die Energiezufuhr wird mit Thermostaten (Raumregler), deren Temperaturfühler im Heizbereich (z. B. Wohnzimmer) montiert werden, geregelt. Der Thermostat gibt ein elektrisches Signal an den Stellmotor, der dann das entsprechende Ventil am Heizkreisverteiler öffnet bzw. schließt. Die Heizleistung beträgt bei gut gedämmten Wohngebäuden etwa 50 bis 100 Watt/m². Zudem kann bis zu einer bestimmten Quadratmeterzahl (abhängig vom Durchflusswiderstand der eingesetzten Fußbodenheizung), die Fußbodenheizung direkt an den bestehenden Heizkreislauf angeschlossen werden. Die Regelung erfolgt dann über ein RTL-Ventil (Return-Temperature-Limiter zu deutsch: Rücklauf-Temperatur-Begrenzer), das im Rücklauf der Fußbodenheizung montiert wird.

Es sind zahlreiche Verlegearten der Rohre möglich. Um eine weitestgehend gleichmäßige Wärmeverteilung im Raum zu erreichen, sollten Rohre mit gegenläufiger Warmwasser-Fließrichtung verlegt werden. Dies wird erreicht, indem die Vor- und Rückläufe jeweils nebeneinander angeordnet werden.

Elektro-Heizungen

Neben warmwassergebundenen Heizsystemen kommen auch elektrisch betriebene Heizungen zum Einsatz. Hierbei werden Widerstandskabel oder Folien mit eingearbeiteten Heizleitern unter, im oder auf dem Estrich verlegt. Sie eignen sich für alle Verlegungsarten, die auch bei Warmwassersystemen üblich sind. Wegen der geringen Bauhöhe empfehlen sie sich besonders für die direkte Verlegung unter Fußbodenbelägen. Heizkabel mit einem Durchmesser ab 3 mm können im Kleberbett von Fliesen und Folien sogar unter Laminat verlegt werden. Für die Fußbodentemperierung (nicht Vollheizung) gibt es Matten ab ca. 2 mm Höhe. Für Bade-, Dusch- und andere Feuchträume werden Leitungen mit geerdetem Schirm verwendet, um Sicherheit gegen Elektrounfälle zu garantieren.

Anwendungen im gewerblichen und kommunalen Bereich

Neben den auch im Wohnungsbau verwendeten Fußbodenheizungen kommen hier Industrieflächenheizungen oder Schwingbodenheizungen (Sporthallen) zum Einsatz.

Raumklimatisierung mit Warmwassersystemen

Fußbodenheizungssysteme werden auch zur Fußbodenkühlung genutzt. In Verbindung z. B. mit Wärmepumpen und der Erdwärme bietet sich diese Variante an. Die Oberflächentemperatur des Fertigfußbodens sollte 20 °C nicht unterschreiten und 29-35°C - je nach Standort - nicht überschreiten (siehe Abschnitt Randbedingungen). Weiterhin sollte der Taupunkt mit einem entsprechenden Feuchtigkeitsfühler überwacht werden und die Vorlauftemperatur entsprechend regeln. Die Vorlauftemperatur des Kaltwassers beträgt in der Regel 16 °C bei einer Spreizung von 2 - 3 K.

Nachteile einer Fußbodenheizung

Neben den je nach Gegebenheiten hoch ausfallenden Einbau- bzw. Reparaturkosten sind weitere Probleme, dass zum einem nur eine langsame Anpassung der Raumtemperatur möglich ist, zum anderen ist eine Kombination der Fußbodenheizung mit einem Teppichboden nicht empfehlenswert, da dieser den Wärmeaustausch zu stark hemmt. Es gibt aber im Handel auch spezielle Teppichböden zu kaufen, die für Fußbodenheizungen geeignet sind.

Randbedingungen

Für Fußbodenheizungen gilt folgende Norm:

• DIN EN 1264 (alt DIN 4725).

Weitere Normen, die eine Schnittstelle zur Fußbodenheizung haben:

• EnEV - Energieeinsparverordnung
• DIN 18560 - Estrichnorm
• DIN 1055 - Verkehrslasten
• DIN 18202 - Toleranzen im Hochbau
• DIN 4109 - Schallschutz im Hochbau

Die Vorlauftemperatur des Heizwassers ist auf 35(bei älteren Systemen bis 55) °C festgelegt. Die Oberflächentemperaturen des Fertigfußbodens dürfen 29 °C im Aufenthaltsbereich, 33 °C im Bad und 35 °C in den Randzonen nicht überschreiten. (Die Temperaturen sind in langjährigen Untersuchungen ermittelt worden. Dabei wurde die Physiologie des Menschen berücksichtigt und es wurde festgestellt, dass diese Temperaturen von dem überwiegenden Teil der Menschen als unbedenklich eingestuft wurde. Somit haben sie Eingang in den entsprechenden DIN-Normen gefunden und jetzt auch in der europäischen Norm für die Fußbodenheizung. Damit wurde auch ein einheitlicher Standard für die Fußbodenheizung gefunden. Vielleicht sind noch die "schlechten" Eigenschaften der Fußbodenheizung bekannt, dicke Füße, Krampfadern etc. Damals wurde teilweise mit Oberflächentemperaturen oberhalb dieser Grenzwerte operiert.)

Der Wärmedurchlasswiderstand R_λ,B in $\mathrm{\frac{m^2\,K}{W}}$ des Fußbodenbelages soll 0,15 m²K/W nicht überschreiten. Die meisten textilen Beläge sind mit dem Fußbodenheizungssymbol gekennzeichnet und damit zugelassen.

An den Rändern des Estrichs sind Randdämmstreifen anzuordnen. Sie sollen die Ausdehnung des Estrichs ermöglichen und auch den Schallschutz gewährleisten. Bei größeren Flächen sind zusätzlich Dehnungsfugen vorzusehen. Es gilt hierbei die Estrichnorm DIN 18560.

Die Führung der Rohre wird durch den Verlegeabstand, der aus einer Berechnung ermittelt wird, bestimmt. Die Abweichung vom ermittelten Rohrabstand darf in einer bestimmten Toleranz nicht überschritten werden, weil dadurch die Gefahr einer zu großen Welligkeit im Estrich entsteht. Die Welligkeit ist der Temperaturunterschied zwischen den Rohren.

Berechnung

Die Berechnung der Fußbodenheizung erfolgt auf Grundlage der DIN EN 1264 Teil 2 und 3.

Eine wichtige Kenngröße ist die Basiskennlinie. Dort wird der Zusammenhang zwischen der mittleren Fußbodenübertemperatur und der Wärmestromdichte beschrieben.

$\dot q = 8,92(\Theta_{F,m} - \Theta_{i})^{1,1}$

$\dot q$ Wärmestromdichte in W/m²

Θ_F,m mittlere Fußbodenoberflächentemperatur in °C

Θ_i Raum-Innentemperatur in °C

Beispiel:

$\dot q$ = 8,92 (29 °C - 20 °C) = 100 W/m²

Hier sieht man deutlich, das jede Erhöhung der Innentemperatur eine geringere Wärmestromdichte bewirkt.

Aus der Wärmestromdichte können wir auch den Wärmeübergangskoeffizienten berechnen.

$\alpha = \dot q$ : ΔΘ_F,m = 100 W/m² : 9 K = 11,11 W/m²*K

Um die Wärmestromdichte im Auslegungsfall zu berechnen wird noch die so genannte logarithmische Heizmittelübertemperatur benötigt.

$\Delta \Theta_{H} = \frac {\Theta_{V} - \Theta_{R}} {ln \frac {\Theta_{V} - \Theta_{i}} {\Theta_{R} - \Theta_{i}}}$

Θ_V Vorlauftemperatur in °C

Θ_R Rücklauftemperatur in °C

Θ_i Raum-Innentemperatur in °C

Jetzt kann die Wärmestromdichte berechnet werden

$\dot q = \Beta \cdot \Pi_{i} \cdot \Delta\Theta_{H}$

Β Systemabhängiger Koeffizient, der sich aus den Rohreigenschaften ableitet

Π hier werden die spezifischen Eigenschaften des Fußbodenaufbaus in Abhängigkeit von der gewählten Rohrteilung berücksichtigt

Die Hersteller von Fußbodenheizungssystemen liefern zu ihren Systemen Leistungsdiagramme für verschiedene Bodenbeläge und Rohrabstände, aus denen die Wärmestromdichte q' in Watt/m² anhand der oben genannten Heizmittelübertemperatur grafisch ermittelt werden kann.

Weiterhin existiert für Nasssysteme ein allgemeingültiges Berechnungsverfahren auf der Basis des Algorithmus von FAXEN, das für alle Rohrabmessungen und Rohrabstände anwendbar ist.^[1] Das Berechnungsverfahren ist an der DIN EN 1264-2 verifiziert. Das in ^[1] vorgestellte, detailliert beschriebene Verfahren ist in ^[2] auf Trockensysteme und auf Nasssysteme mit dynamischer Betriebsweise unter Einbeziehen von Materialien mit Phasenwandeleffekten (sogenannte PCM) erweitert worden.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} GLÜCK, B.: "Thermische Bauteilaktivierung - Nutzen von Umweltenergie und Kapillarrohrmatten". Bericht der RUD. OTTO MEYER – Umwelt – Stiftung, Hamburg 2004, kostenlos erhältlich unter: http://www.rom-umwelt-stiftung.de (Arbeit bisher; Projekt 9)
2. ↑ GLÜCK, B.: Teilbericht "Innovative Wärmeübertragung und Wärmespeicherung" des vom PTJ betreuten Forschungsverbundkomplexes LowEx, 2008, kostenlos erhältlich unter: http://www.lowex.info/downloads/Abschlussbericht_2008.pdf

Weblinks

• Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen e. V.
• RAL-Gütegemeinschaft Flächenheizungen und Flächenkühlungen e. V.
• Fachgerechter Anschluss von kleinen Fußbodenheizungsflächen (Artikel aus IHKS-Fachjournal - Ausgabe 2006/2007)
• Einzelraumregelung (ERR) bei Flächenheizung – Ja oder Nein?
• Einstellen der Heizkurve