Wärmebereitstellung und -verteilung

Zwar ist die Flächenheizung (in Form von Fußbodenheizungen) heute im Neubau fast Standard, doch in der Modernisierung werden ihre Potenziale bislang kaum genutzt. Flächenheizung bedeutet jedoch mitnichten nur Fußbodenheizung, sondern ebenso auch Deckenheizung. Besonders die Wandheizung überzeugt durch ihre Potenziale und Kombinationsmöglichkeiten mit konventionellen Heizsystemen. Die Heizfunktion wirkt durch eine Übertemperatur. Der Wärmestrom erfolgt aus dem Bauteil in den Raum durch Erhöhung der Oberflächentemperatur. Während der Heizfunktion wirkt der umbaute Raum als Wärmesenke, welche durch die Übertemperatur des Systems thermisch beladen wird und die der Mensch über die Haut wahrnimmt. Dafür ist eine übergeordnete Wärmequelle notwendig, z. B. ein Pufferspeicher, der durch diverse Wärmeerzeuger thermisch beladen wird. Der Pufferspeicher bildet als thermischer Akkumulator im Zentrum der wassergeführten Zentralheizungsanlage die Schnittstelle zwischen Wärmeerzeugung und Wärmenutzung/Wärmeübergabe im Raum. Seine Aufgabe ist die Bereitstellung von Heizungswasser für die Wärmeübertragung an den Raum. Die Wärmebereitstellung in Gebäuden betrifft allerdings nicht nur die Raumwärme, sondern auch die Bereitstellung von Trink-Warmwasser. Drei wesentliche Bauformen von Kombi-Pufferspeichern haben sich heute als Standard durchgesetzt.

Ein Heizungspufferspeicher ist für eine Flächenheizung/-kühlung zwar nicht immer zwingend notwendig, wie beispielsweise für gewerbliche Anwendungen in Nichtwohngebäuden, diverse Sonderfälle oder spezifische bauliche Anforderungen. Dennoch sprechen aber viele Gründe für die Wärmebereitstellung mittels eines zentralen Heizungspufferspeichers. Nicht nur für eine multiple Wärmebereitstellung aus verschiedenen Wärmequellen, sondern auch zur Steigerung des Deckungsanteils zur solarthermischen Heizungsunterstützung ist dies im Kontext des Niedrigtemperatursystems Flächenheizung nicht selten das Argument für einen Pufferspeicher. Im Betriebsfall einer passiven Flächenkühlung wird der Pufferspeicher über einen hydraulischen Bypass umgangen.

Pufferspeicher als zentrales Element

In der Regel sind Pufferspeicher im Bereitstellungsbereich (Schichtenbereich) so temperiert, dass sie den Anforderungen an die Wärmeübertragung an den Raum entsprechen, welche als Bereitstellungstemperatur durch den oder die Wärmeerzeuger sichergestellt wird. Die Integration einer solarthermischen Anlage als Wärmequelle ist bei einem Pufferspeicher entweder intern oder extern möglich. Durch die niedrigen Systemtemperaturen einer Flächenheizung/-kühlung können auch niedrige Temperaturen der thermischen Solaranlage innerhalb der Heizperiode effizient genutzt werden und den Solarertrag in der Energiebilanz deutlich erhöhen.

In der Anwendung einer aktiven Flächenkühlung kann auch ein „Kälte“-Pufferspeicher eingesetzt werden, der somit nicht als Wärmequelle, sondern als Wärmesenke dient und insbesondere in der aktiven Kühlung zum Einsatz kommt. Dieser wird nicht durch einen Wärmeerzeuger thermisch beladen, sondern durch einen Kälteerzeuger thermisch entladen. Bei der passiven Kühlung wird der Pufferspeicher (der als Wärmespeicher in der Regel für den Heizbetrieb bereitsteht), um einen externen Wärmeübertrager ergänzt, der einen hydraulischen Bypass zum Pufferspeicher bildet und die Wärmesenke versorgt, also Wärme aus dem umbauten Raum abführt.

Geregelter Wärmeübertragungskreis

An der Heizwasser-Entnahmeseite wird der Heizkreis zur Wärmeverteilung angeschlossen. Der klassische Heizkreis für eine Flächenheizung/-kühlung wird in der Regel als geregelter Heizkreis ausgeführt, der die Vorlauftemperatur dynamisch in Abhängigkeit der Außentemperatur anpasst und zu den jeweiligen Wärmeübergabesystemen bringt. Über die in der Heizungsregelung integrierte Heizkennlinie wird die maximale Vorlauftemperatur im Auslegungsfall festgelegt, die durch die Mischereinrichtung verwirklicht wird. Diese Einstellung muss im Rahmen der Inbetriebnahme überprüft bzw. vorgenommen werden. Nur so können die energetischen Vorteile von Niedrigtemperatursystemen, insbesondere der Flächenheizung/-kühlung, effizient umgesetzt werden. Natürlich sind die angestrebten Systemtemperaturen wesentliche Planungsgrundlage für die Auslegung der Flächen.

Etagenverteiler als Schnittstelle

Dieser geregelte Heizkreis ist bei der Kühlung derselbe, da die typische Baugruppe „geregelte Heizkreisstation“, bestehend aus den wesentlichen Komponenten Umwälzpumpe und einem motorisch betriebenen Drei-Wege-Mischventil, lediglich die Zwangszirkulation mit dynamischen Vorlauftemperaturen sowohl für das Kühlen als auch für das Heizen erledigt. Außerhalb der Heizperiode und vor allem im Sommer kann durch eine reversible Temperierung mit der Flächenheizung/-kühlung ein doppelter Nutzen erzielt werden.

Der Etagenverteiler ist die Schnittstelle sämtlicher Systeme der Flächenheizung/-kühlung, ob Wand, Boden oder Decke. Von hier aus erfolgt die Aufteilung der Wärmestromkreise zu den entsprechenden Flächen, welche in Räumen bzw. Zonen aufgeteilt sind. Im Rahmen der Inbetriebnahme ist an den Ventilen des Rücklaufsammlers der hydraulische Abgleich vorzunehmen, um den für den jeweiligen Wärmestromkreis ermittelten Massen-Volumenstrom sicherstellen zu können. In der Funktion als Wohnungsverteiler kann an dieser Stelle auch eine Wärmemengenerfassung zur Feststellung des Wärmeverbrauchs integriert werden. Ebenso befindet sich im Bereich des Etagenverteilers die Regeleinheit zum Anschluss der Stellmotoren für die Raumregelung. Der Markt bietet hierfür systemintegrierte Draht- und Funkverbindungen an. Über die steuerungs- und regelungstechnischen Bestandteile hinaus sollte ein Etagenverteiler stets auch über eine Spül-, Füll- und Entleerungseinrichtung verfügen sowie über entsprechende Entlüftungsventile. Der Etagenverteiler kann je nach Montagesituation auf Putz und unter Putz installiert werden. Auf leichte Zugänglichkeit ist zu achten. In den Bestandsunterlagen, welche ein Fachunternehmen im Rahmen der Inbetriebnahme übergibt, sind neben dem Nachweis des hydraulischen Abgleichs auch die Auslegung und Zonierung sowie die Planungsgrundlagen der gesamten Wärmeübertragungsanlage zu dokumentieren.

Systemtemperaturen für den Heizbetrieb

Der Begriff Systemtemperaturen umfasst nicht nur die maximale Vorlauftemperatur für die Wärmeübertragungssysteme, sondern gleichermaßen die Raumtemperatur und Rücklauftemperatur. Daraus resultiert die für die Wärmeübertragungsleistung relevante Spreizung. ¹ Diesbezügliche Angaben – wie auch die Übertemperatur ² – sind aber immer im Kontext des Massen-Volumenstroms zu sehen. Sowohl bei der Fußbodenheizung als auch bei der Deckenheizung ist die maximale Vorlauftemperatur allein aus Gründen der thermischen Behaglichkeit ( 2,5 m bei Deckenheizungen notwendig. Ebenso verhält es sich bei einer zu hohen Oberflächentemperatur im Fußbodenbereich. Was einerseits für einen heißen Kopf sorgen kann, führt andererseits zu schweren Beinen. Die Wandflächenheizung ist, was die maximale Vorlauftemperatur angeht, ungleich flexibler, da die Wärmewahrnehmung durch den Menschen eine andere, eine ungleich ausgeglichenere ist. Die Wärmewirkung besitzt bei der Wandheizung einen viel größeren Flächenbezug, als es bei der Decken- oder Fußbodenheizung der Fall ist, wo die Wärmestrahlung auf deutlich kleinere Flächen des menschlichen Körpers wirkt. Aus diesem Grund können bei Wandheizungssystemen deutlich höhere Vorlauftemperaturen gefahren werden. Das ist auch ein Grund, warum Wandheizungen sehr gut mit Heizkörpern kombiniert werden können. Es sind dabei nicht zwingend hydraulische Einrichtungen oder gar ein separater Heizkreis notwendig. Vielmehr können beide Wärmeübertragungskreise an denselben Heizkreisverteiler angeschlossen werden, wenn die maximale Vorlauftemperatur 55 °C nicht überschreitet.

Ein System – doppelter Nutzen

Neben den Vorteilen der Doppelnutzung der Flächenheizung und Flächenkühlung in einem System ist die Energieeffizienz dieses Niedrigtemperatursystems beachtenswert. Insbesondere bei sehr niedrigen Vorlauftemperaturen ist ein maximaler solarer Deckungsgrad realisierbar und somit auch eine Integration einer solarthermischen solaren Heizungsunterstützung möglich. Der Wärmekomfort durch die Strahlungswärme (oder Strahlungskühlung) kommt dem natürlichen Wärmeempfinden des Menschen entgegen. Darüber hinaus lassen sich Elemente der Raumgestaltung mit Systemen für die Wandflächen generieren. In der Modernisierung kann eine Flächenheizung nicht nur im Rahmen einer Badsanierung zur Anwendung kommen, sondern auch bei einer Wohnraumerneuerung, insbesondere einer Umgestaltung von Wohn- und Aufenthaltsbereichen, denen ein höherer Stellenwert zukommen soll. Somit kann eine Flächenheizung/-kühlung im Rahmen von bestandsverschönernden Maßnahmen der erste Schritt zu einer Modernisierungsmaßnahme sein.

Der nächste Artikel dieser Serie wird sich mit der Flächenkühlung und der Kältebereitstellung beschäftigen.

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Frank Hartmann ist Gründer des Forums Wohnenergie für energieeffizientes Bauen und Modernisieren und Referent im Fachbereich Flächenheizung/-kühlung des Bundesverbandes der Deutschen Heizungsindustrie (BDH). Telefon (0 93 81) 71 68 31 frank.hartmann@bdh-koeln.de