Auslegungskriterien bei Fußbodenheizungen

Die Fußbodenheizung hat seit den 1970er-Jahren kontinuierlich Marktanteile gewonnen: Heute ist sie in Ein- und Zweifamilienhäusern erste Wahl. Die Rahmenbedingungen für ihren Einsatz haben sich in dieser Zeitspanne massiv verändert. So hat sich der benötigte Wärmebedarf in den vergangenen 30 Jahren auf ein Fünftel des Ausgangswertes reduziert. Mit den Fortschreibungen der EnEV 2012 und dem angestrebten Passivhaus-Standard ab 2021 wird der Bedarf weiter sinken.

Trotz dieser für den Einsatz von Fußbodenheizungen günstigen Entwicklungen bestehen immer noch Vorbehalte: Eine Fußbodenheizung sei teuer, nicht regelbar, verursache Krampfadern und unangenehm warme Füße. Alle diese Vorbehalte können jedoch entkräftet werden. Die Checkliste „Einschlägige Vorbehalte“ listet die gängigen Kritikpunkte mit Gegenargumenten auf.

Nach DIN EN 1264 wird die Wärmeabgabe über folgende Formel bestimmt:

q = 8,92 (t_FB,m - t_i)^1,1

Die mittlere Fußbodentemperatur t_FB,m und die Innentemperatur t_i sind in °C in die Formel einzusetzen. Der Wärmestrom ergibt sich dann in W/m². Die Leistung der Fußbodenheizung ist also abhängig von der treibenden Temperaturdifferenz, korrigiert mit einem Exponenten von 1,1 – im Gegensatz zum Exponenten 1,3 für Heizkörper – und einem Proportionalitätsfaktor. Die exakte Berechnung ist zunächst nicht notwendig. Als Schätzwert ergibt sich aus der Formel ein Proportionalitätsfaktor von etwa 10. Das heißt: Mit einer um 1K höheren Oberflächentemperatur kann etwa eine um 10W/m² erhöhte Wärmeleistung erzielt werden.

Rechenbeispiele mit der vereinfachten Formel

Mit der Einführung der EnEV 2009 wurde der Wärmebedarf auf etwa 35W/m² abgesenkt. Damit ergibt sich im Auslegungsfall bei einer Raumtemperatur von 20°C eine Oberflächentemperatur von etwa 20°C + 35/10°C = 23,5°C. Für nur 5% der gesamten Dauer der Heizperiode gilt dieser Auslegungsfall. In der übrigen Zeit liegt der Wärmebedarf im Schwachlastbetrieb bei etwa 10 bis 20W/m². Daraus resultieren Oberflächentemperaturen von 21 bis 22°C. Im Vergleich zu optimalen Temperaturen, die sich aus der Behaglichkeitsforschung ergeben, sind folgende Schlüsse zu ziehen:

• Im Badezimmer mit Fliesenbelag und einer Innentemperatur von 24°C werden mit den heutigen Wärmebedarfswerten optimale Oberflächentemperaturen erreicht.
• In Aufenthaltsräumen mit 20°C Innentemperatur erreicht die Oberflächen­temperatur nur 22°C. Besteht der Bodenbelag aus Fliesen, wird das von den Bewohnern schon als zu kalt empfunden. Anders ist das bei Parkett: Dieser Belag wird bei 22°C als behaglich eingestuft.

Diese Werte gelten für isotherme Oberflächen. Eine gleichmäßige Temperaturverteilung wird erreicht, wenn die Forderungen der DIN EN 1264 eingehalten werden und die Verlegeabstände damit normgerecht sind. Es ist vorgegeben, dass der Verlegeabstand maximal 1cm vom empfohlenen Wert abweicht. Zudem empfiehlt es sich bei der Auslegung der Fußbodenheizung, dass sich die Verlegeabstände am verwendeten Oberbodenbelag orientieren und nicht nur auf die Deckung des Wärmebedarfs abgestimmt sind. Je niedriger der Widerstandsbeiwert des Oberbodenbelags ist, desto enger ist der Verlegeabstand zu wählen.

Die folgenden Abschnitte geben Hinweise, was bei verschiedenen Oberbodenbelägen zu beachten ist:

Teppichböden

Teppichböden haben relativ hohe Widerstandsbeiwerte gegen Wärmeleitung. Ein Verlegeabstand der Heizkreise von 20cm gilt als ausreichend. Durch den hohen Beiwert werden aber höhere Vorlauftemperaturen benötigt. Der Wärmeerzeuger wird dabei nicht optimal genutzt.

Wird ein Teppichboden beispielsweise gegen einen Fliesenbelag ausgetauscht, ist eine Neuberechnung der Volumenströme in den Heizkreisen erforderlich. Aufgrund der baulichen Gegebenheiten und der Datenlage bzgl. Haus und Fußbodenheizung im Renovierungsfall ist diese häufig nicht zu bewerkstelligen. Uponor begegnet dieser bislang nicht zu bewältigenden Herausforderung mit der Einzelraumregelung mit dynamischem Energie-Management: Diese passt die Wassermengen bei entsprechender Vorlauftemperatur immer an den benötigten Bedarf an.

Parkett

Bei der Verwendung von Holzfußböden sind einige Eigenschaften dieses lebendigen Werkstoffes zu beachten. Holz verformt sich bei einer Änderung der Luftfeuchtigkeit. Dabei steht die releative Luftfeuchtigkeit in direktem Zusammenhang mit der Holzfeuchtigkeit. Wenn das Holz austrocknet, zieht es sich zusammen. Wenn es auffeuchtet, dehnt es sich aus. Werden diese Effekte zu stark, bilden sich Fugen im Holz oder es kommt zum Aufkanten an den Stößen des Parketts.

Die Holzarten zeigen eine unterschiedliche Sensibilität auf Feuchtigkeit. Diese macht sich daran fest, wie schnell sie auf Feuchtigkeitsänderungen reagieren und wie stark die dadurch verursachte Ausdehnung ist.

Buche dehnt sich pro Prozent Feuchtigkeitsänderung um ungefähr 50% stärker aus als Eiche und benötigt für die Anpassung an eine geänderte relative Luftfeuchtigkeit etwa zwei Wochen. So wirkt sich bei dieser Holzart nahezu jede länger andauernde Wetterperiode aus. Eiche hingegen benötigt etwa drei Monate für die Anpassung auf die geänderte Luftfeuchtigkeit. Um den optimalen Wärmeübertrag zu gewährleisten, empfehlen Experten das Verkleben des Parketts. Von den gängigen Holzsorten haben Eiche und kanadischer Ahorn die besten Werte.

Laminat

Laminat hat einen niedrigen Wärmeleitwiderstand. Allerdings wird dieser Fußbodenbelag immer schwimmend verlegt, sodass ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand für die da­runter liegende Luftschicht beziehungsweise Trittschalldämmung aufzuschlagen ist. Bei Betrachtung des gesamten Wertes ist der Wärmeübertrag geringer als bei den meisten textilen Bodenbelägen.

Fliesen

Fliesen sind am besten für die Fußbodenheizung geeignet. Ein Effekt des guten Wärmedurchlasses ist allerdings, dass sich bei zu großen Verlegeabständen Temperaturwelligkeiten der Oberflächentemperaturen ergeben. Beim Fliesenbelag wird ein engerer Verlegeabstand gewählt, damit keine unbehaglichen Temperaturunterschiede entstehen. Das bedeutet für Badezimmer einen Verlegeabstand von 10cm und für Aufenthaltsräume einen maximalen Verlegeabstand von 15cm.

Effizienz beim Einsatz einer Wärmepumpe

Der COP der Wärmepumpe und damit die Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz der Anlage hängt vor allem von der benötigten Vorlauftemperatur ab. Diese wird vom Verlegeabstand und mehr noch von der Wahl des Oberbodenbelages bestimmt: Wird bei einer Fußbodenheizung in einem nach EnEV 2009 gedämmten Gebäude der Verlegeabstand um 5cm reduziert, kann dadurch die Vorlauftemperatur um etwa 1,5°C abgesenkt werden. Eine Änderung des Oberbodenbelages von einem dicken Teppich auf Fliese reduziert die Vorlauftemperatur sogar um rund 5 °C. Optimale Energieeffizienz schaffen eine Wärmepumpe in Kombination mit einer Fußbodenheizung sowie Fliesen als Oberbodenbelag und ein möglichst enger Verlegeabstand. Damit entstehen gleichmäßige Oberflächentemperaturen. Allerdings nicht solche, die barfuß als (zu) warm empfunden werden.

Temperaturunterschiede werden von Nutzern eher registriert als die absolute Temperatur. Diese Unterschiede sollten deshalb bei der Nutzung, Auslegung und Planung der einzelnen Räume beachtet werden.

Randzonen in Wohnbereichen

Obwohl der Wärmebedarf niedrig und die Qualität der Dämmung bei Fenstern hoch ist, werden auch heute noch Randzonen eingebaut. Strahlungstemperaturasymmetrien und Kaltluftabfall machen sich zwar in der Regel kaum noch bemerkbar, dennoch kann die Einrichtung von Randzonen sinnvoll sein, um später auf Kundenwünsche in Bezug auf die Behaglichkeit, z.B. vor den Terrassenfenstern, eingehen zu können (vgl. Kasten: Tipps zum Schlafzimmer).

Vor hohen Fensterflächen oder im Terrassenbereich können Randzonen (bis 1m Abstand von der Außenwand, 10cm Verlegeabstand) als Aufenthaltszone deklariert und errechnet werden. Bei gegebener Vorlauftemperatur wird dann der Volumenstrom im Heizkreis soweit reduziert, dass trotz der veränderten Verlegeabstände die gleiche Heizleistung und damit auch die gleiche Oberflächentemperatur erreicht wird.

Wenn die Randzone auch als Randzone berechnet wäre, würden die Temperaturen in diesem Bereich deutlich höher sein. Da bei der Fußbodenheizung im Neubau die Oberflächen auf etwa 22°C im Schwachlastbetrieb (24°C im Auslegungsfall) temperiert werden, registrieren Bewohner die erhöhte Temperatur in der Randzone. Häufig wird dann vermutet, dass die Fußbodenheizung in der Mitte des Raumes nicht funktioniere. Solche Unterschiede sind nicht fühlbar, wenn beide Zonen auf die gleiche Oberflächentemperatur ausgelegt sind. Wenn die Bewohner im Terrassenbereich aber beispielsweise eine höhere Oberflächentemperatur wünschen und dafür im Aufenthaltsbereich niedrigere Oberflächentemperaturen akzeptieren, kann durch eine Anpassung der Wassermenge die Randzone aktiviert werden.

Fenster können heute bei normalen Raumzuständen (20°C Innentemperatur, 55% Turbulenzgrad der Luftbewegung) bis zu einer Höhe von

h = 4,7/U_Fenster

geplant und eingebaut werden. Der Zahlenwert für U_Fenster wird in die Formel mit der Einheit W/m²K eingesetzt. Die Höhe h ergibt sich in Meter. Bis zu dieser Fensterhöhe müssen weder unbehagliche Temperaturen noch Kaltluftabfall befürchtet werden (vgl. Olesen, Velta-Kongress 2002).

Dies gilt, ohne dass dabei der Einfluss der Fußbodenheizung berücksichtigt ist. Die Erwärmung von Fensterinnenflächen durch den Strahlungsausgleich führt dazu, dass in der Praxis auch bei höheren Fenstern keine Behaglichkeitsdefizite auftreten.

Kühlung mit der Flächenheizung

Soll die Fußbodenheizung auch zur Kühlung eingesetzt werden, müssen die Aussagen zu Verlegeabständen und Räumen modifiziert werden. Grundsätzlich ist zu bemerken, dass der Fußboden zur Kühlung nicht optimal geeignet ist. Höhere Kühlleistungen erreicht man bei der Installation einer Wand- oder Deckenkühlung. Die Fußbodenkühlung hat allerdings den Vorteil, dass hier ein bestehendes System, die Fußbodenheizung, genutzt werden kann, während bei den anderen Varianten Zusatzinvestitionen für die Installation der Kühlflächen notwendig sind. Auch sollte die Kühlung über die Raumumschließungsflächen nicht mit einer Klimatisierung gleichgesetzt werden. Es wird weder die absolute Luftfeuchtigkeit im Raum durch die Fußbodenkühlung aktiv beeinflusst noch kann eine bestimmte Temperatur angesteuert werden. Eine Taupunktunterschreitung wird durch eine Vorlauftemperaturregelung mit Taupunktüberwachung realisiert.

Für die Optimierung und damit die Erhöhung der Kühlleistung sollten folgende Maßnahmen getroffen werden:

• Reduzierung der Verlegeabstände von 20 cm auf maximal 15cm. Zu empfehlen wäre als Optimum die Planung mit einem Verlegeabstand von 10cm.
• Zu empfehlen ist ein Rohrdurchmesser von 16 oder 17mm, da bei der Kühlung aufgrund der geringeren Spreizung höhere Wassermengen transportiert werden müssen. Das führt zu höheren Druckdifferenzen. Bei kleineren Rohrdurchmessern empfiehlt es sich, die Heizkreislängen zu reduzieren. Dies führt jedoch häufig zu Problemen mit der Verteilergröße und der Verteilerpositionierung.
• Fliesen bieten als Oberbodenbelag auch bei der Kühlung den größten Effekt. Gegenüber Teppichboden oder massivem Parkett können um bis zu 25% höhere Kühlleistungen erzielt werden.

Davon ausgehend, dass die Kühlung erst bei Temperaturen ab 26°C, also der Behaglichkeitsgrenze für den Sommer, eingeschaltet wird, wird die für die Kühlung benötigte Bodentemperatur in neuen Gebäuden selten Werte unterhalb von 22°C erreichen.

Wie die Ausführungen zeigen, gibt es bei der Planung, Auslegung und Installation einer Fußbodenheizung viele Faktoren, die dazu beitragen, dass ein thermisch aktiver Boden die optimale Erwärmung und auch Kühlung generiert.

Einschlägige Vorbehalte

Fußbodenheizungen sind teuer: Eine Fußbodenheizung ist preiswerter als eine herkömmliche Radiatorenheizung: Das hat 2001 der Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen e.V. (BFV) in einer Studie nachgewiesen. Diese ist auf Grundlage von gleichen Kalkulationsansätzen, d.h. bei Radiatorenheizungen unter Einbeziehung des Estrichs und der Dämmung, entstanden. Seitdem haben sich die Dämmanforderungen bei beiden Heizsystemen jedoch angeglichen und die Metallpreise, zum Beispiel von Kupfer, stark erhöht.

Fußbodenheizungen sind nicht regelbar: Mit niedrigeren Oberflächentemperaturen greift der Selbstregeleffekt sehr viel schneller und effektiver. Das Dynamische Energie-Management (DEM) von Uponor mit automatischem Abgleich löst zudem Probleme, die zuvor durch fehlende oder unsachgemäße hydraulische Einstellungen am Verteiler entstanden sind.

Fußbodenheizungen begünstigen Krampfadern: Dieses Vorurteil wurde in einer Untersuchung in Frankreich bereits 1998 widerlegt. Bei der Untersuchung von 84 Patienten mit Beinproblemen zeigte sich tendenziell eher eine Verbesserung des Zustandes. Die Untersuchungen erfolgten vor und nach dem Umzug in ein fußbodenbeheiztes Gebäude. Es wurden sowohl klinische Symptome wie die Krampfaderbildung als auch funktionelle Symptome wie beispielsweise das Auftreten von Wadenkrämpfen begutachtet.

Fußbodenheizungen verursachen unangenehm warme Füße: Durch die Fortschreibung der EnEV und der damit einhergehenden stärkeren Dämmung der Gebäude sinkt der Wärmebedarf, sodass dieser mit niedrigeren Oberflächentemperaturen abgedeckt werden kann. Diese werden, besonders bei Fliesen als Oberbodenbelag, bei heutigem Dämmstandard nicht mehr als warm empfunden.

Aufenthalts- und Randzonen

Die Aufenthaltszone ist der Bereich des Fußbodens, der für den Daueraufenthalt der Bewohner vorgesehen ist. Zur Vermeidung von Gesundheitsproblemen sollte die Temperatur den Wert von 29°C an keiner Stelle überschreiten. Die Randzone ist ein maximal 1m breiter Streifen des Fußbodens entlang der Außenwand. Er ist nicht für den Daueraufenthalt von Personen vorgesehen. Der maximale Wert der Oberfläche darf 35°C nicht überschreiten.

Diese klassischen Temperaturwerte sind heute aufgrund des niedrigeren Wärmebedarfs jedoch nicht mehr praxisrelevant. Im Beitrag wird erörtert, dass 23 bis 24°C Fußbodentemperatur ausreichen.

Normen und Vorschriften

Fußbodenheizungsnorm DIN EN 1264 T1-5

Estrichnorm DIN 18560

Schnittstellenkoordination für Fußbodenheizungen im Neubau, Stand Mai 2011, Herausgeber BVF, Download unter https://www.flaechenheizung.de/.

Spezielle Räume

Schlafzimmer: Wenn im Schlafzimmer unter dem Bett hohe Temperaturen vermieden werden sollen, sind zwei Heizkreise die empfehlenswerte Lösung. Dabei bleibt der Heizkreis unter dem Bett in aller Regel abgestellt. Dies gilt natürlich nicht, wenn wegen Krankheit oder tiefen Außentemperaturen eine höhere Temperatur im Raum erreicht werden soll. Bei der Planung sollte berücksichtigt werden, dass diese Zimmer später häufig als Kinderzimmer genutzt werden.

Badezimmer: Wenn Estrich im kompletten Raum aufgebracht werden kann, ist zu empfehlen, die Fußbodenheizung auch unter der Badewanne oder Duschwanne zu verlegen. Die Fläche erbringt dort noch immer 60% der ursprünglichen Leistung. Damit wird der Wärmebedarf in kleinen Bädern gesichert und die gleichmäßigen Strahlungstemperaturen erhöhen die Behaglichkeit.

Küche: Eine Fußbodenheizung ist in der Küche unter den Küchenmöbeln nahezu ein Muss: Der Grund ist die hohe Belastung durch Wasserdampf bei gleichzeitiger Dichtheit der Gebäudehülle. Der Wasserdampf diffundiert nicht schnell genug aus dem Raum und überschreitet an den kältesten Punkten, zum Beispiel hinter der nicht beheizten Küchenzeile, 80% r. F. In Küchen treten deshalb an den Außenwänden hinter den Küchenzeilen immer häufiger Schimmelpilze auf.

Diele und Verteiler: Werden Verteiler angelegt, sollte die Diele mit einem eigenen Heizkreis geregelt werden. Die Norm EN 1264 fordert, dass in jedem beheizten Raum ein eigener Heizkreis vorhanden sein muss. Zudem kann ein Raum wärmetechnisch nur kontrolliert werden, wenn er über einen eigenen Heizkreis geregelt werden kann. In Hotels oder Büros führt dies immer wieder zu Problemen, da dort alle Verteilleitungen durch einen (innenliegenden) Flur verlegt werden, der fast keinen Wärmebedarf hat. Im Winter sind diese Räume permanent überheizt.

Gäste-WC: Auch dieser Raum ist mit einem eigenen Heizkreis auszustatten. Oft werden aus der Diele Rohre in das WC gelegt, um Regelungskomponenten und den Verteilerabgang zu sparen. Dies ist nicht normgerecht. Mit Einverständnis des Bauherrn (Bedenkenanmeldung §13 VOB) können jedoch andere Lösungen erarbeitet werden.

Dipl.-Phys. Sven ­Petersen ist technischer Referent an der Uponor Academy, 22851 Norderstedt, Telefon (0 40) 3 09 86-3 40, sven.petersen@uponor.de, https://www.uponor.com/de-de