Zu den wichtigsten positiven Eigenschaften von Fußbodenheizungssystemen zählen u.a.: behaglich und komfortabel, hygienisch, gesundes Raumklima, „unsichtbar“, wartungsarm, energiesparend. Die entscheidenden Voraussetzungen dafür, dass diese positiven Eigenschaften in der Praxis auch zum Tragen kommen, sind:
- Ein weitsichtiger Bauherr, für den technische Argumente sowie eine fachmännische Planung und Ausführung mehr zählen als ein möglichst billiges Angebot mit schlechtem Material.
- Ein erfahrener Planer, der die Anlage unter Einbeziehung aller Normen und Vorschriften nach dem neuesten Stand der Technik richtig berechnet und auslegt (und auch die Nutzerwünsche berücksichtigt).
- Ein erfahrener, auch für neue Systeme offenen Installateur, der die Baustelle erst nach Durchführung des hydraulischen Abgleichs verlässt.
Wichtige Begriffe zum besseren Verständnis
Nachfolgend einige wichtige Begriffe zum besseren Verständnis der Funktion der Fußbodenheizung:
Heizlast
Die Raumheizlast ist die Wärmemenge, die stündlich aus einem wärmeren Raum über alle Raumumschließungs-Flächen an die kältere Umgebung abfließt. Dazu kommt noch der Anteil, der nach dem Lüften die kalte Frischluft aufheizt. Die in Bild 1 symbolisch dargestellte abfließende Raumheizlast muss dem Raum über die Raumheizfläche dauernd zugeführt werden, um die vorgegebene Raumtemperatur zu halten.
Die Größe der Raumheizlast verändert sich in Abhängigkeit der sich verändernden Außentemperatur. Die automatische außentemperaturabhängige Steuerung der Heizwassertemperatur stellt dem Raum immer die richtige, der Heizlast entsprechende Wärmemenge zur Verfügung. Die Heizwassertemperatur ist für alle Räume des Hauses gleich.
Wärmebilanz
Wie in Bild 2 dargestellt, muss die Heizlast, die der Raum laufend an seine kältere Umgebung verliert, dem Raum auch laufend (zu 100 %) über die Heizfläche wieder zugeführt werden.
Fremdwärme
Der Fremdwärme-Eintrag ist die dem Raum zusätzlich zugeführte Wärmemenge. Wie in Bild 3 dargestellt handelt es sich um Wärme, die entweder von außen über die Sonne in den Raum eingestrahlt wird oder im Raum von Geräten abgegeben wird (Heizkamin, Küchenherd, Backofen, Kühlschrank, Beleuchtung, Fernseher, EDV, Personen usw.). Die Größenordnungen der meist kurzfristigen Fremdwärme-Einträge können nur geschätzt werden, denn die Intensität, Dauer und Häufigkeit sind sehr unterschiedlich: So kann z.B. der Wärmezufluss durch einen voll verglasten Giebel im Februar für einige Stunden bis ca. 70 % und der eines Kaminofen über 100 % der Heizlast der Raumheizlast betragen. Die anderen Formen von Fremdwärme-Einträgen liegen meistens unter 25 %.
Trägheit
Bei der Fußbodenheizung ergibt sich durch das Wärmespeichervermögen des Heizestrichs und je nach Stärke und Art des Bodenbelags eine Verzugs- oder Reaktionszeit von ca. zwei Stunden. Das heißt, dass sich die tatsächliche Trägheit auf den Wärmefluss vom Rohr (Heizwasser) an die Estrichoberfläche (Heizfläche) beschränkt. Finden keine mechanischen regeltechnischen Eingriffe statt, dann fließt die Wärme dauernd und man merkt diese Verzugszeit nicht.
Die eigentliche Regelung der Fußbodenheizung, die die Raumtemperatur und somit den Nutzer direkt beeinflusst, funktioniert optimal und reaktionsschnell zwischen Fußbodenoberfläche und Raumluft, der sogenannte „Selbstregeleffekt“. Voraussetzung ist jedoch die konstante Wärmezufuhr über das Heizwasser an den Estrich. Denn der Selbstregeleffekt funktioniert nicht bei einem kaltem Estrich nach einem längere Zeit geschlossenen Thermostatventil. Dies ist die Folge von
– übermäßiger Fremdwärme-Einwirkung,
– falsch verstandenem Energiesparwillen durch Schließen des Thermostatventils,
– Überdimensionierung der Boden-Wärmeabgabe durch engeren Rohrabstand,
– fehlendem hyraulischem Abgleich.
Die technische Lösung, das komplette Auskühlen des Bodens bei geschlossenem Thermostatventil zu vermeiden, sind zusätzliche elektrische Bodenfühler oder mechanische Raumregler wie die Unibox EBV von Oventrop mit patentiertem Bypass (Einsatz auch als preiswerte Alternative zu Bodenfühlern). In Bild 4 schließt der Raumthermostat bei Fremdwärme-Eintrag (Sonne), doch der Heizestrich gibt noch ca. zwei Stunden lang Wärme an den Raum ab, bis der Boden kalt ist. Bild 5 zeigt den kritischeren Fall: Der Fremdwärme-Eintrag hört auf und infolge des kalten Bodens sinkt die Raumtemperatur; der Raumthermostat öffnet. Allerdings dauert es nun wieder ca. zwei Stunden, bis der Boden seine volle Leistung von 100 % erreicht.
Selbstregeleffekt
Der Bundesverband Flächenheizungen schreibt: „Der Selbstregeleffekt der Fußbodenheizung erfolgt unabhängig von regeltechnischen Anlagen und zeitgleich mit den veränderten Raumbedingungen.“ Der Selbstregeleffekt ist ein komplizierter dynamischer Prozess. Die physikalischen Grundbegriffe hierfür lauten:
– Die Wärme fließt immer von warm nach kalt: vom warmen Boden zur kälteren Raumluft
– Die Größe des Wärmeflusses wird von der Temperaturdifferenz zwischen warm und kalt bestimmt (Temperaturdifferenz in °K [Kelvin]).
In den folgenden Beispielen bleiben Außentemperatur, Bodenoberflächen-Temperatur und Heizwassermenge konstant. Nur die Raumlufttemperatur verändert sich durch Fremdwärme-Einträge oder durch die kalte Außenluft nach Stoßlüften.
- <b>Kein Fremdwärme-Eintrag</b>:
In Bild 6 ist der durchschnittliche Betriebszustand während der Heizperiode dargestellt: Der Boden gibt bei einer Oberflächentemperatur von 24 °C die geforderte Heizleistung (100 %) an die Raumluft ab, das entspricht der abfließenden Heizlast. Dadurch wird die Raumtemperatur von 20 °C gehalten.
Bilanz: 24 °C – 20 °C = 4 K
4 K = 100 % Wärmeabgabe Boden
0 % Fremdwärme-Eintrag
100 % Heizlast nach draußen
- <b>Fremdwärme-Eintrag:</b>
In Bild 7 gelten gleiche Randbedingungen wie vor, doch durch den Fremdwärme-Eintrag steigt die Raumtemperatur auf +22 °C. Der Temperaturunterschied halbiert sich auf 2 K, was 50 % Wärmeabgabe des Bodens an den Raum bedeutet.
Bilanz: 24 °C – 22 °C = 2 K
2 K = 50% Wärmeabgabe Boden
50% Fremdwärme-Eintrag
100% Heizlast nach draußen
- <b>Extremer Fremdwärme-Eintrag:</b>
In Bild 8 gelten die gleichen Randbedingungen wie zuvor, jedoch ist die Raumtemperatur durch extremen Fremdwärme-Eintrag auf +24 °C gestiegen. Temperaturunterschied 0 K. Zeitgleich ist die Wärmeabgabe des Bodens auf Null gegangen. Es fließt keine Wärme mehr.
Bilanz: 24 °C – 24 °C = 0 K
0 K = 0 % Wärmeabgabe Boden
100 % Fremdwärme-Eintrag
100 % Heizlast nach draußen
- <b>Fensterlüftung:</b>
In Bild 9 gelten die gleichen Randbedingungen wie zuvor, jedoch ist die Raumtemperatur nach Fensterlüftung kurzfristig auf +16 °C abgesunken. Der Temperaturunterschied ist auf 8 K gestiegen. Die Wärmeabgabe des Bodens beträgt jetzt 200 %.
Bilanz: 24 °C – 16 °C = 8 K
8 K = 200 % Wärmeabgabe Boden
100 % Heizlast nach draußen
100 % Heizlast zum Aufheizen der Frischluft nach dem Lüften
Hinweis: Diese Darstellungsweise ist vereinfacht. In Wirklichkeit handelt es sich um einen komplizierten dynamischen Prozess.
Regelungsfunktion und praktische Auswirkungen
Die Energieeinsparverordnung (EnEV) verlangt zwei gleichzeitig wirkende Formen der Regelung von Heizungsanlagen (Bild 10):
1. Die gebäudeweise Regelung der Heizwasser-Temperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur.
2. Die raumweise Regelung der Heizwasser-Menge in Abhängigkeit der Raumtemperatur.
Die praktischen Auswirkungen dieser Vorschriften sind:
- Die gebäudeweise außentemperaturabhängige Regelung stellt unter Einbeziehung aller individuellen Gebäudedaten und -parameter für jede Außentemperatur die entsprechende Heizwasser-Temperatur im gesamten Gebäude bereit. Bei richtig berechneter und hydraulisch abgeglichener Heizungsanlage – ohne Fremdwärme-Einträge – wäre allein diese Form der Regelung ausreichend.
- Die raumweise Temperaturregelung durch Veränderung der Heizwasser-Menge erfüllt die Funktion des Energiesparens. Die tatsächliche raumweise Regelung wird vom Selbstregeleffekt übernommen (Hinweis: Dieser Energiesparwille des Gesetzgebers geht zu Lasten des Komforts, wenn die Anlage ohne Estrichfühler oder ohne Oventrop EBV-Box mit Bypass ausgerüstet ist).
- Beispiel 1
In Bild 11 gibt es kein Fremdwärme-Eintrag, das Ventil ist offen. Dem Raum wird nur die Wärmemenge über den Boden zugeführt, die als Heizlast über die Raumumschließungsflächen abfließt.
Bilanz:
100 % FBHZ-Wärme an den Raum
100 % Heizlast nach Draußen
- Beispiel 2
In Bild 12 schließt das Ventil nach Fremdwärme-Eintrag durch Sonneneinstrahlung. Boden und Raum kühlen innerhalb von ca. zwei Stunden aus.
Bilanz:
0 % FBHZ-Wärme an den Raum
50 % Fremdwärme-Eintrag an den Raum
100 % Heizlast nach draußen
50 % Defizit durch Fehlfunktion!
Die Leistungsdefizite entstehen durch die bereits angeführten Mängel, die insbesondere bei kurzen, intensiven Fremdwärme-Einträgen auch vom gutmütigen dynamischen Verhalten des Raumes nicht aufgefangen werden können. Raum- und Boden-Temperaturschwankungen sind die Folge. Fälschlicherweise sollen engere Rohrabstände dieses Manko beheben. Dadurch wird jedoch die Heizleistung des Bodens an den Raum angehoben. Dieses künstliche Überheizen hat eine noch höhere Schaltfrequenz des Thermostatventils zur Folge.
Echte Hilfe bringt hier nur ein Raum-Regelventil, das beim Schließvorgang nur den Heizwasseranteil absperrt, der der Wärmemenge des maximal möglichen Fremdwärme-Eintrages entspricht. Dadurch wird die Leistungs-Amplitude oder die Schwankung der Wärmeabgabe des Heizestrichs flacher. Raum- und Bodentemperatur bleiben konstanter. Besser gedämmte Häuser mit niedriger spezifischer Heizlast reagieren besonders empfindlich auf Fremdwärme-Einträge. Hier ist die Komforteinbuße am größten.
Wie bereits erwähnt, können Bodenfühler und das Bypass-System die oben genannten Probleme minimieren bzw. beheben.
- Beispiel 3
Bild 13 zeigt ein Thermostatventil mit Bypass in geöffnetem Zustand. Die Heizwassermenge wird zu je 50 % durch Ventil und Bypass der Bodenheizfläche zugeführt. In diesem Beispiel ist mit einer Fremdwärme von maximal 50 % zu rechnen.
Bilanz:
50 % + 50 % FBHZ-Wärme an den Raum
100 % Heizlast nach draußen
- Beispiel 4
In Bild 14 gelten die gleichen Randbedingungen wie zuvor, jedoch entsteht ein Fremdwärme-Eintrag durch Sonneneinstrahlung. Der Raumthermostat schließt, reduziert somit die Wärmezufuhr an die Boden-Heizfläche (Energieeinsparung). Die durch den Bypass zirkulierende Restwassermenge reicht jedoch aus, um den Boden nicht komplett auskühlen zu lassen. Dadurch wird der Komfort erhöht. Nach Beendigung der Sonneneinstrahlung ist die Wiederaufheizphase kürzer.
Bilanz:
50 % FBHZ- Wärme an den Raum
50 % Fremdwärme in den Raum
100 % Heizlast nach Draußen
Zentrale Wohnungsverteilung
Bei der zentralen Wohnungsverteilung (Bild 15) sind die Raumfühler (messen) eines jeden Raumes mit den Stellmotoren der Regelventile (regeln) auf den Verteilern über Elektroleitungen oder per Funk miteinander verbunden. Zusätzlich ist jeder Raum bzw. Heizkreis über Heizungszuleitungen im Estrich mit dem Verteiler verbunden. Diese Zuleitungen geben in den durchfahrenen Räumen unkontrolliert Wärme ab, die das Energiesparziel der Raumthermostate in Frage stellen.
Problem:
Verteiler-Standort
Folgende Kriterien muss der Planer bei der Wahl des Verteilerstandortes beachten:
– Standort in der Nähe des Steigstranges (kurze Leitungsverzüge)
– Standort in der Wohnungsmitte wegen kurzer Zuleitungen zu allen Räumen/Kreisen
– optisch möglichst unauffällig
– Wand muss für Verteiler 60–120 cm ausreichend groß sein
– Wandstärke muss gegen Nassräume eine Mindestdicke aufweisen (Strom)
– Wände im Bereich von Schlafräumen aus Geräuschgründen (Motorantriebe) meiden.
– Unerwünschte Wärmeabgabe des Verteilerkastens berücksichtigen.
Problem:
Zuleitungen vom Verteiler zum Raum
– große Spannungen im Estrich, falls kein eigener Heizkreis im Flur
– höchste Wärmeabgabe und Temperatur an den Raum im Verteilerbereich (hohe Oberflächentemperaturen vor dem Verteiler entsprechen nicht den Forderungen der Estrich-/Parkettleger)
– gedämmte Leitungen im Estrich vor dem Verteiler reduzieren die geforderte Estrich-Mindestabdeckung über dem Rohrscheitel
– Zuleitungen vom Verteiler, isoliert auf dem Rohfußboden, durchbrechen beim Übergang in den darüberliegenden Heizestrich die Trittschalldämmung.
Problem:
Elektroverbindung vom Raum zum Verteiler
– Elektroinstallations-Aufwand
– Stromverbrauch
– Wartungskosten wegen eventuell kürzerer Lebensdauer der Stellmotoren
– eventuell unerwünschte Belastung durch elektromagnetische Felder oder Funkwellen
Dezentrale Wohnungsverteilung
Bei der dezentralen Wohnungsverteilung (Bild 16) werden alle Räume über eine unterhalb des Estrichs liegende, gedämmte Verteilleitung versorgt. Die Zuleitung zu den Räumen gibt keine unkontrollierte Wärme ab. Raumfühler und Regelventil („messen und regeln“) sind in einem Gerät untergebracht (keine Hilfsenergie nötig).
- Systemvorteile im Überblick
Es waren zuerst die Architekten, die die Vorteile dieses Systems erkannten. Dazu gehören vor allem:
– kein zentraler Wohnungsverteiler, kein Standortproblem
– keine Geräusche der Stellantriebe
– Flur wird eigenständiger Heizkreis, absperr- und regelbar
– keine Spannungsprobleme (Dehnfugen) im Estrich bei mehreren Heizkreisen pro Raum (DIN 18560-04)
– keine Probleme mit Estrich- und Parkettleger im (Hochtemperatur-) Verteilerbereich
– kein Durchbrechen der Trittschall-Dämmung durch Zuleitungen
– höherer Komfort durch patentierten Bypass (bei Oventrop) vergleichbar mit zusätzlichen Bodenfühlern
– garantierter geforderter Mindest-Wasserdurchsatz für Wärmepumpen ohne Pufferspeicher
– Kühlung des Bodens mittels Bypass möglich
– EBV-Box wegen der kleinen Abmessung nach Prüfung auch in Wohnungstrenn- und Treppenhauswände einbaubar
– mit mechanischem Fernfühler lieferbar
– Stetigregler
– bessere energetische Bewertung, da keine Hilfsenergie
- Abwägung von Baunebenkosten und Mehraufwand:
– höhere Baunebenkosten durch Einbau von Uniboxen EBV und durch Zuleitungen (Rohr und Formstücke) unter dem Estrich in jeden Raum. Allerdings kann beim Einsatz der Unibox EBV bzw. bei anderen Bypass-Systemen bzw. bei Estrichfühlern der Mindest-Verlegeabstand im Wohnungsbau von 20 auf 25 bzw. 30 cm angehoben werden. Damit lässt sich bei diesen Räumen bis über 20 % Rohrmaterial einsparen.
– die Kosten für den zentralen Verteiler und für die Elektroleitungen vom Raumfühler zum Verteiler entfallen.
Die direkt vergleichbaren Materialkosten zwischen zentralem Verteiler und dezentralen EBV-Boxen sind ungefähr gleich. Wenn jedoch bei der zentralen Wohnungsverteilung alle Räume der Wohnung mit einem Bodenfühler ausgerüstet werden, ist diese Anlageform nicht günstiger (Quelle: Oventrop Bruttopreisliste).
Einzelraumtemperatur-Regelung mit Bypass
Die Einzelraumtemperatur-Regelung Typ „E-BV“ (Bild 17) der „Unibox“-Reihe von Oventrop kommt ohne Fremdenergie aus und ist dank patentiertem Bypass den zentralen Verteilersystemen ohne Estrichfühler überlegen. Zu den Funktionen Regeln, Steuern, hydraulisch Abgleichen, Entlüften, Entleeren kommt die Funktion der Minimierung der Bodentemperatur als Beitrag zur Steigerung des Komforts dazu.
Je nach möglichem Fremdwärme-Eintrag kann die Wassermenge durch den patentierten Bypass vom Nutzer, über die werkseitige Voreinstellung von 25 % hinaus, zwischen 0 und 100 % eingestellt werden. Die Bilder Bild 18 und 19 zeigen das Aufheizverhalten, die Estrichtemperatur und die Wiederaufheizzeit einer Fußbodenheizung mit und ohne Bypassventil.
Der Gesetzgeber fordert u.a., die Heizkreis so auszuführen, dass sie einzeln absperrbar sind. Daraus ergeben sich mehrere Möglichkeiten der Wohnungsverteilung: Die Einrohrverteilung ist die am häufigsten eingesetzte ,,kostengünstigere“ Variante (Bild 20). Hierbei wird nur der Vorlauf auf dem Rohfußboden unter dem Heizestrich verlegt und mit den EBV-Boxen verbunden. Die Rücklaufleitungen der einzelnen Heizkreise werden, wie bei einer „zentralen Verteilung“, zu einem zentralen kleinen Rücklaufsammler zurückgeführt.
Bei der Variante „Zweirohrverteilung“ (Bild 21) werden Vor- und Rücklaufleitung auf dem Rohfußboden zu den EBV-Boxen (Vorlauf) und den RLA-Boxen (Rücklauf) eines jeden Raumes verlegt.
Bei beiden Varianten erhält der Wohnungsflur einen eigenen Heizkreis.
Praxishinweise für Berechnung und Planung
- Ein Fußbodenheizungs-System mit dezentraler Verteilung kann mit jeder handelsüblichen Software berechnet werden. Der einzige Unterschied ist die Eingabe der Rohrlänge vom Raum zum Verteiler.
- Die Berechnung der Wohnungs-Verteilung über die Steigstränge bis in die Zentrale erfolgt ebenfalls mit der handelsüblichen Software von z.B. Heizkörper-Anlagen mit Verteilung auf der Rohdecke. Der Heizkörper ist in diesem Fall die Unibox EBV am Ende der Fußbodenheizfläche des Raumes mit den Eckdaten wie Raumnummer, Wassermenge und Druckverlust aus der Fußbodenheizungs-Berechnung. Wie beim Heizkörper-Rohrnetz werden die Rohrdimensionen, Voreinstellwerte für die Fußbodenheizkreise (Boxen), Wohnungsabsperrungen und Strangventile ermittelt.
- Bei großen Räumen kann – wegen der Rohrlänge oder des Druckverlustes – ein Heizkreis geteilt werden müssen.
- Zwei gleich große Kreise können mittels „Duo-Anschluss“ an einer Box angeschlossen werden. Bei mehr als zwei Kreisen pro Raum wird eine zweite Box eingebaut.
- Der von der VOB geforderte, nachprüfbare hydraulische Abgleich ist sehr wichtig. Die Voreinstellwerte (Kv-Werte) für Steigstrang-, Verteiler- und Heizkreis-Ventile liefert der Planer. Die Umrechnung der Kv-Werte auf „Spindelumdrehungen“ und die Durchführung der Voreinstellung macht der Installateur. Achtung: Durchflussmengenmesser sind für den hydraulischen Abgleich nicht geeignet.
- Alle auf dem Markt erhältlichen Fußbodenheizungs-Fabrikate sind für diese Art der dezentralen Verteilung geeignet.
- In hochwertigen Wohnungen wird unter den Heizestrich immer häufiger auch hochwertiges Trittschall-Dämmmaterial eingebaut, das bei gleicher Konstruktionshöhe einen erhöhten Schallschutz garantiert. Wer die Baupraxis kennt weiß, dass dies – auch hinsichtlich kreuzender Elektroleitungen auf dem Rohfußboden – eine gute Empfehlung ist. Angestrebt werden sollen verbesserte Trittschallwerte von 30 dB und weniger (z.B. mit Mineralwolle S15-DES SH 30-5).
Weitere Informationen
Unser Autor Dipl.-Ing. (FH) Peter Gabanyi ist seit 35 Jahren Software-Entwickler und Inhaber eines Rechenzentrums für angewandte Heiztechnik
