Die Flächenheizung und -kühlung arbeitet mit Temperaturen, die dem natürlichen Temperaturbereich des menschlichen Körpers ähneln, und sorgt so für ein angenehmes Raumklima. Ihre hohe Energieeffizienz ergibt sich nicht nur aus dem Betrieb mit niedrigen Temperaturen, sondern auch aus der direkten Aktivierung von Bauteilen wie Boden, Wand oder Decke – anstatt nur die Raumluft zu erwärmen oder zu kühlen.
Dafür werden Systemrohre in die baulichen Flächen integriert, die je nach Betriebsmodus den Raum im Jahresverlauf temperieren. Im Unterschied zu herkömmlichen Heizkörpern hängt die Wärmeübertragung nicht allein von der Installation der Rohre durch einen SHK-Anlagenmechaniker ab. Entscheidend ist die sogenannte Wärmeverteilschicht, die dem Raum entweder Wärme zuführt oder entzieht und das System erst vollständig macht. Für eine reibungslose Umsetzung sind daher eine sorgfältige Planung und eine enge Zusammenarbeit verschiedener Gewerke erforderlich. Dazu gehören unter anderem Estrichleger, Trockenbauer, Verputzer, Stuckateure, Lehmbauer, Elektriker, Lüftungsbauer sowie Fliesen-, Naturstein- und Bodenleger.
In der Fußbodenheizung haben sich die Schnittstellen der Gewerke bereits über Jahrzehnte eingespielt. Die Systeme und ihre Verarbeitung haben sich längst vom Heizestrich über sehr variable Bodenaufbauten bis hin zu Dünnschichtsystemen und Trockenbauweisen in mannigfacher Auswahl entwickelt. Die Anforderung einer Lastabtragung besteht bei einer Wand- oder Deckenheizung und -kühlung ebenso wenig wie Anforderungen an den Trittschallschutz. Wand- und Deckenflächen bestehen in der Regel aus Trockenbauplatten oder Putzmörtel bis hin zu Edel- oder Feinputzen, Anstrichen, Belägen und finaler Oberflächengestaltung verschiedenster Ausprägungen.
Die Bauarten der Wärmeverteilschicht unterscheiden sich bei der Flächenheizung und -kühlung in Bauart A, wo sich die Systemrohrebene innerhalb der Wärmeverteilschicht (Nass- und Modulbauweise) befindet. Bei der Bauart B befindet sich die Systemrohrebene unterhalb der Wärmeverteilschicht, wie es bei der Registerbauweise der Fall ist. Die relevanten Normen der Flächenheizung und -kühlung sind die DIN EN 1264 sowie die DIN ISO 11855. Zwar liegt der Fokus dieser Normen noch sehr auf der Fußbodenheizung und -kühlung, aber auch die Flächen an Wand und Decke wurden mittlerweile aufgenommen.
Wirk- und Funktionsweise
Die Leistungsbezeichnung einer Flächenheizung zeigt ihre flächenbezogene Wirk- und Funktionsweise in der sogenannten Wärmestromdichte q in W/m². Diese ergibt sich aus der Über- bzw. Untertemperatur (Δθ) von mittlerer Oberflächentemperatur (θOber) der thermisch aktivierten Fläche zur Raumtemperatur (θRaum) und des entsprechenden Wärmeübergangskoeffizienten α (in W/m²K) der thermisch wirksamen Fläche.
q = α x Δθ bzw. q = α x (θOber - θRaum) in W/m²
Der Wärmeübergangskoeffizient α wird in der DIN EN 1264 für die drei Flächen Boden, Wand und Decke angegeben, ebenso wie seine Umkehrung im Flächenkühlbetrieb.
Die thermischen Kennwerte zeigen auch die Unterschiede entsprechend den maximalen Oberflächentemperaturen bei der Fußboden- und Deckenheizung. DIN EN 1264 und DIN ISO 11855 nennen an dieser Stelle unterschiedliche Werte bezüglich der Wandheizung. Während DIN EN 1264 eine maximale Oberflächentemperatur der Wandheizung mit 40 °C empfiehlt, lautet die Empfehlung der DIN ISO 11855 hingegen 50 °C. Die Wandheizung nimmt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine bevorzugte Position gegenüber Boden- und Deckenheizungen ein, insbesondere, wenn es darum geht, in bestehenden Gebäuden höhere Einzelraum-Heizlasten zu kompensieren.
Mit Wärmestromdichten von 200 W/m² und mehr vermag eine Wandheizung auf deutlich geringerer Fläche Einzelraum-Heizlasten zu kompensieren, als es mit einer Fußboden- oder Deckenheizung der Fall wäre, da diese einer Oberflächentemperatur von maximal 33 °C unterliegen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere auf die Materialgüte der Wärmeverteilschicht zu achten. Anwendungshinweise der Putz-Werkmörtel-Hersteller sind auch hinsichtlich der maximalen Vorlauftemperatur zu beachten. Lehmputze eignen sich auch für höhere Temperaturen, welche die Kombination von Wandheizungen mit Heizkörpern über einen gemeinsamen Wärmeverteilkreis ermöglichen.
Und wer immer noch glaubt, dass eine Deckenheizung nicht funktioniert, weil Wärme immer von unten nach oben steigt, der möge sich bei Eiseskälte in die strahlende Sonne stellen. Die Wärmeübergabe einer Flächenheizung und -kühlung erfolgt durch Wärmestrahlung und Wärmekonvektion, deren Anteil im Wärmeübergangskoeffizienten α abgebildet ist. Die Wärmeleitung ist vernachlässigbar. Der Strahlungsanteil überwiegt und liegt stets bei etwa 5,5 W/(m²K). Die Differenz zum Gesamtwert entspricht jeweils dem Konvektionsanteil.
Umkehrung des Wärmestromes
Der Wärmeübergang verhält sich im Flächenkühlbetrieb entgegengesetzt, was sich in den Unterschieden der Flächenkühlleistung der verschiedenen Flächen zeigt. Während die Deckenheizung bei einer lichten Raumhöhe bis 2,7 m zwar eine überschaubare Wärmestromdichte bietet, ist sie im Flächenkühlbetrieb deutlich stärker. Dieser Umstand macht die Deckenheizung und -kühlung für den Neubau von Wohngebäuden und Nichtwohngebäuden gleichermaßen interessant. Besonders in jenen Nichtwohngebäuden, wo die Kühllast mittlerweile eine größere Rolle spielt als die Heizlast. Diese werden oft nach der Kühllast ausgelegt, womit im Umkehrfall auch die Heizlasten problemlos kompensiert werden.
Die Leistungsbereiche der Flächenkühlung unterscheiden sich von denen der Flächenheizung nicht nur bezüglich des Wärmeübergangskoeffizienten α, sondern auch in der Auslegung bzw. Ausführung der Verlegeabstände. Dementsprechend sind zwei Flächenkühlleistungen zu unterscheiden:
Die Ankühlung
Die Ankühlleistung resultiert aus der Auslegung nach der Heizlast gemäß DIN EN 12831 und ist die einfachste Funktion, allein durch Umkehr des Wärmestromes. Die Auslegung und Dimensionierung der thermisch aktivierten Flächen erfolgt jedoch für den Heizbetrieb. Daher kann in diesem Kühlbetrieb keine definierte Soll-Raumtemperatur von beispielsweise 26 °C sichergestellt werden. Dennoch kann allein durch Umkehrung des Wärmestromes und verfügbare Wärmesenke eine Ankühlung realisiert werden. Diese Ankühlung vermag zwar nicht eine definierte Soll-Raumtemperatur zu leisten, schafft aber dennoch ein Wärmegefälle im Raum, das der Mensch im Sommer als thermisch behaglich empfindet. Die Ankühlung kann gewissermaßen als der Mitnahmeeffekt einer Flächenheizung betrachtet werden. Eine stets für den Kühlbetrieb notwendige Wärmesenke kann als passive Kühlung auch unabhängig von einer Wärmepumpenanlage realisiert werden.
Die Frage der Flächenkühlung stellt sich oft im Zusammenhang mit reversiblen Wärmepumpen. Grundsätzlich sollte zuerst festgestellt werden, ob auch tatsächlich ein Kühlbedarf besteht und was der Nutzer von der Flächenkühlung erwartet.
Die Vollkühlung
Besteht der ausdrückliche Wunsch nach einer Flächenkühlung mit einer definierten Soll-Raumtemperatur analog zum Heizbetrieb, muss die Flächenheizung und -kühlung nach der Kühllast ausgelegt werden (vgl. VDI 2078). Diese Kühllasten sind in der Regel nur mit einer Vollkühlung realisierbar, um eine definierte Raumtemperatur zu erreichen. Für eine maximale Flächenkühlleistung erfolgt die Auslegung und Dimensionierung nach der Kühllastberechnung gem. VDI 2078. Daraus resultieren in der Regel höhere Masse-Volumenströme, engere Verlegeabstände sowie eine größere Anzahl von Heiz- und Kühlkreisen, um die gewünschte Oberflächentemperatur im Auslegungsfall erreichen zu können.
Die Oberflächentemperatur der thermisch aktivierten Flächen darf im Kühlbetrieb eine Mindesttemperatur nicht unterschreiten. Damit wird eine Annäherung an die Taupunkttemperatur unterbunden, um einen Tauwasserausfall in und am Bauteil zu vermeiden. Diese sicherheitstechnische Einrichtung durch Taupunktwächter bewirkt analog zum Sicherheits-Temperaturbegrenzer im Heizbetrieb die Abschaltung der Flächenheizung und -kühlung.
Wohngebäude
Im Wohngebäude-Neubau hat sich die Flächenheizung und -kühlung in Form von Fußbodenheizungen in ihrer mittlerweile 50-jährigen Geschichte längst durchgesetzt. In Bestandsgebäuden trifft man seit den 1990er-Jahren auf eine Vielzahl von Einfamilienhäusern (etwa 2/3 des Wohngebäudebestandes sind Einfamilienhäuser), in denen oftmals im gesamten Erdgeschoss bereits eine Fußbodenheizung integriert ist. Im Obergeschoss sind in der Regel Heizkörper montiert. Derartige Wärmeübergabe-Anlagen bieten einen hervorragenden Ansatz, die bestehende Fußbodenheizung im Erdgeschoss nicht nur zu optimieren (ggf. Nachrüstung der Einzelraumregelung, Austausch des Heizkreisverteilers usw.), sondern auch die bestehenden Heizkörper gegen eine Wand- oder Deckenheizung zu tauschen (siehe SBZ 09.2024, S. 42 ff.). Nicht selten ist es die Dachschräge, die sich als vierte Ebene zur thermischen Aktivierung anbietet. Eine nachhaltige Heizungsmodernisierung beginnt in jedem Fall bei der Wärmeübergabe.
Im Neubau kann eine Wandheizung und -kühlung eine Alternative zur Fußbodenheizung sein, wenn ein Holzbodenbelag, Teppich oder andere fußwarme Materialien gewünscht sind. Eine Deckenheizung und -kühlung bietet in der Regel eine ebenso hohe Belegungsdichte wie der Boden. Sollte ein Kühlbedarf bestehen, kann die Decke ihre Vorzüge ausspielen. Betrachtet man aber die unterschiedlichen Systeme der Bauarten in Nass- und Trockenbauweise, ihre Wirk- und Funktionsweise im Kontext des Gebäudes und ihrer Bewohner, können auch Kombinationen von thermisch aktivierten Flächen sinnvoll sein. Warum also nicht einmal eine träge Fußbodenheizung mit einer flinken Wand- oder Deckenheizung kombinieren?
Die Regelgüte einer Flächenheizung und -kühlung ist neben der Art der Wärmeverteilschicht wesentlich von der Systemrohrüberdeckung und dem Verlegeabstand abhängig und kann entsprechend variiert werden. Im Badezimmer kann die Fußbodenheizung die Grundlast abdecken, während die Wandheizung im Duschbereich für die Deckung der Spitzenlast sorgt. Ein Handtuchhalter an einer thermisch aktivierten Wandfläche sorgt dafür, dass das Handtuch gleichmäßig erwärmt wird und gleichzeitig den Konvektionsanteil im Wärmeübergang erhöht.
Auch wenn ein Regal oder Sideboard vor einer Wandheizung steht, kann die Wärme weiterhin in den Raum gelangen. Eine Stellfläche vor einer thermisch aktivierten Wandfläche sollte im Detail abgewogen werden, da die Wirkung auf den Menschen an diesen Stellen etwas eingeschränkt sein könnte. Dennoch gelangt die Wärme in den Raum.
Nichtwohngebäude
Die Anwendungen in Nichtwohngebäuden sind ebenso vielfältig wie die Definition dieser Gebäudekategorie an sich. Hierzu zählen beispielsweise Büro- und Verwaltungsgebäude, Schulen, von der Grundschule bis zur berufsbildenden Schule, Hochschulen, Kindergärten oder Kinder-Tagesstätten. Es handelt sich um eine Vielzahl von Gebäuden, in denen sich Menschen zwar nicht zum Wohnen, aber dennoch eine gewisse Zeit aufhalten und einen entsprechenden Wärmekomfort benötigen. Anforderungen an die thermische Behaglichkeit sind längst auch beispielsweise in Arbeitsstätten-Richtlinien verankert und beinhalten im Sommer immer öfter einen Kühlbetrieb.
Industriegebäude, Manufakturen und Werkstätten zeigen das Spektrum von Sonderbauten mit ganz spezifischen Anforderungen. In Hallen kann eine Fußbodenheizung und -kühlung auch in hohe Lasten abtragende Flächen integriert werden.
Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen
Die Wärmequelle einer erdgekoppelten Wärmepumpenanlage kann im Sommer als Wärmesenke genutzt werden. In Nichtwohngebäuden kann diese Kongenialität der Systeme optimal umgesetzt werden. Dies kann sowohl passiv als auch aktiv erfolgen. In jedem Fall kann ein Erdwärmesondenfeld während des Kühlbetriebes im Sommer regeneriert werden. Der effiziente Betrieb der gesamten Anlage wird so optimiert.
Nutzungsänderung von Gebäuden
Die Nutzungsänderung oder Umwidmung eines bestehenden Gebäudes ist ein ebenso großes Feld. Dies betrifft nicht nur alte Industriegebäude in Ballungsgebieten, die beispielsweise zu Wohnungen, Working-Spaces oder dergleichen umgebaut werden, sondern auch Gebäude in ländlichen Regionen, wie landwirtschaftliche Gebäude.
Fazit
Die Flächenheizung und -kühlung stellt eine zukunftsweisende Lösung für sowohl Wohn- als auch Nichtwohngebäude dar, indem sie nicht nur effizient Heizlasten kompensiert, sondern auch eine angenehme Kühlung bietet. Ihre hohe Energieeffizienz und die thermische Behaglichkeit über das ganze Jahr hinweg machen sie zu einer nachhaltigen Wahl. Besonders in Nichtwohngebäuden eröffnet sie vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Die Schnittstellenkoordination sollte dabei nicht als Hindernis, sondern als eine spannende Herausforderung für das moderne SHK-Handwerk betrachtet werden, um die Potenziale dieser Technologie optimal auszuschöpfen.
Bild: Forum Wohnenergie
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Forum Wohnenergie
