HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

4.2 Fussbodenheizung

Kapitel: 04 Wärmeabgabe

Ausgewählte Firmen der Wärmeabgabe

4.1 Heizkörper
4.2 Fussbodenheizung
4.3 Wahl Wärmeabgabesystem

4.2.1 Wärmeleistung

4.2.1 Wärmeleistung – 4.2.2 Der Einsatz von Fussbodenheizungen

Es werden folgende Hauptgruppen von FBH-Sy­ste­men unterschieden (Bild 4.9):

  • Nass-Systeme (Typ A): Die Heizrohre sind vom Unterlagsboden umschlossen. Der Unterschied be­züglich Wär­me­ab­ga­be der verschiedenen Fa­bri­kate ist gering.
  • Trocken-Systeme (Typ B): Heizrohre werden nicht vom Unterlagsboden umhüllt oder es wird gar kein U-Boden in flüssiger Form eingebracht. Thermische Unterschiede verschiedener Fabrikate sind gross.
Fussbodenheizungen Typ A und B
Bild 4.9 Fussbodenheizungen Typ A und B

Die Berechnung der Wärmeleistung von Fus­sbo­den­hei­zun­gen bedingt die Kenntnis der Bodenbeläge und der Flächen, die überhaupt mit Rohren belegbar sind. Es ist, wie bei Heizkörpern, vom Wär­me­lei­stungs­be­darf des Raums auszugehen. Der vom Bo­den nach oben abzugebende Netto-Wärmestrom be­trägt nun:

Φo   Netto-Wärmestrom nach oben in W
ΦHL   Heizleistungsbedarf Raum nach Norm in W
Φb   Verlustwärmestrom nach Norm durch diejenige Fläche, welche mit dem Fussbodenregister belegt werden soll, in W
Φde   Deckengewinn durch oben liegende FBH in W
 

Die erforderliche Wärmestromdichte nach oben er­gibt sich aus der belegbaren FBH-Registerfläche:

qo   Wärmestromdichte nach oben in W/m2
AF   belegbare Bodenfläche in m2

Der totale Wärmeübergangskoeffizient (Konvektion + Strahlung) des Fussbodens kann mit genügender Genauigkeit h = 11 W/m2K gesetzt werden. Somit wird die mittlere Fussbodentemperatur

Fussbodentemperaturen über etwa 28 °C werden in Aufenthaltszonen als störend empfunden.

Mit einem angenommenen Verlegeabstand gibt Bild 4.10 die mittlere Temperaturdifferenz Heiz­wasser–Luft für den belagfreien Fall. Die üblichen Rohr-In­nen­durch­mes­ser (12 bis 16 mm), die Rohrmaterialien und die Verlegung schlangen- oder schnec­ken­förmig be­ein­flus­sen die Wärmeabgabe kaum. Bodenbeläge er­hö­hen den Wärmedurchgangswiderstand vom Heiz­was­ser an den Raum und somit die notwendige mitt­le­re Temperaturdifferenz. Belä­ge mit einem Wi­der­stand RB > 0,15 m2K/W sollten nicht verwendet wer­den; es ist nicht sinnvoll, hinter einer Isolation zu hei­zen. Mit dem Korrekturfaktor (Bild 4.11) erhält man die mittlere Temperaturdifferenz mit Belag:

ΔTm,mit   mittlere Heizwasserübertemperatur mit Bodenbelag in K
ΔTm,ohne   mittlere Heizwasserübertemperatur ohne Bodenbelag (Bild 4.10) in K
fB   Korrekturfaktor für Bodenbelag (Bild 4.11)
Wärmestromdichte einer Fussbodenheizung Typ A ohne Belag
Bild 4.10 Wärmestromdichte einer Fussbodenheizung Typ A ohne Belag, mit Kunststoffrohr 14/18 mm, Rohrüberdeckung 45 mm, Unterlagsboden λ = 1,2 W/mK, berechnet nach [EN 1264]
Korrekturfaktor für Bodenbelag und Unterlagsboden-Übermass
Bild 4.11 Korrekturfaktor für Bodenbelag und Unterlagsboden-Übermass, berechnet nach [EN 1264]

Nun kann mit den Beziehungen von 4.1.1 aus der Vor­lauftem­pe­ra­tur die Rücklauftemperatur bestimmt wer­den.

Das Verhältnis der Wärmeströme nach oben und unten ergibt sich aus den entsprechenden Wärmedurchgangswiderständen. Nach [EN 1264] werden diese Widerstände eindimensional ermittelt, ausgehend von der Rohrebene. Die Wärmestromdichte nach unten wird damit:

qu   Wärmestromdichte nach unten in W/m2
Ru   Wärmedurchgangswiderstand nach unten in m2K/W
Ro   Wärmedurchgangswiderstand nach oben in m2K/W
θi   Raumtemperatur oben in °C
θu   Raumtemperatur unten in °C
 

Die Wärmeleistung, die durch die Isolation nach unten abgegeben wird, beträgt also:

Der Massenstrom des Heizwassers beträgt damit:

qm   Heizwasser-Massenstrom in kg/s
c   spezifische Wärmekapazität von Wasser: 4190 J/kgK
θV   Vorlauftemperatur in °C
θR   Rücklauftemperatur in °C
 
Hinweise

Im Zusammenhang mit verbrauchsabhängiger Heiz­ko­sten­ab­rech­nung ist es sinnvoll, den Wärmestrom nach unten zu begrenzen. Aus diesem Grund verlangt [SIA 384/1] eine Däm­mung von 4 bis 5 cm.

Aus dem Wasserdurchfluss und den Rohrabmessungen lässt sich der Druckverlust ermitteln. Zur Vermeidung einer hohen Förderdruckdifferenz sollte der Innendurchmesser mindestens 12 mm betragen.

4.2.2 Der Einsatz von Fussbodenheizungen

4.2.1 Wärmeleistung – 4.2.2 Der Einsatz von Fussbodenheizungen

Randzonen

Darunter werden Zonen entlang von Aussenwänden verstanden, welche kleinere Verlegeabstände auf­wei­sen als der Rest des Raums. Wenn ein ungenügender Komfort bei hohen Fenstern zu erwarten ist, verbessert eine Randzone die Situation nur geringfügig. Der Unterschied der Wärmestromdichten zwischen beispielsweise 20 und 10 cm Verlegeabstand ist nicht gross genug. Es zeigt sich, dass Randzonen in der Regel entbehrlich sind. Rand­zo­nen haben den Nachteil grösseren Rohr­be­darfs und grösseren Druckverlusts.

Einzelraumregelung

Die Nützlichkeit von Thermostatventilen wurde ex­pe­ri­men­tell geklärt (Bild 4.12). Bei Versuchsbeginn be­steht ein stationärer Zustand mit einer Heizleistung von 1,75 kW und 20 °C Raumtemperatur. Zur Zeit 0 wird eine Zusatzleistung von 480 W eingeschaltet.

Störverhalten von Raum und Fussbodenheizung
Bild 4.12 Störverhalten von Raum und Fussbodenheizung [BFK7]

Ohne Thermostatventil steigt die Raumtemperatur auf einen neuen Beharrungszustand von 23 °C. Gleich­zei­tig sinkt die Heizleistung der FBH auf 1,6 kW. Dieser Selbstregeleffekt rührt davon her, dass die Wär­me­lei­stung jeder Heizfläche von der mittleren Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz Wasser–Luft abhängt. Steigt die Raumtemperatur, so wird die Differenz geringer und die Lei­stung sinkt. Die Reduktion der Wärmeabgabe tritt al­ler­dings erst nach einigen Stunden ein und beträgt hier nur 30 % (150 W/480 W) der Stör­grös­se. Der Selb­stre­ge­lef­fekt von Niedertemperatur-Sy­ste­men ist umso aus­ge­präg­ter, je tiefer die Sy­stemtem­pe­ra­tur ist.

Mit einem Thermostatventil wird der Anstieg der Raumtemperatur weitgehend verhindert. Nach einem Anstieg von 1 K sinkt die Wärmeleistung auf null (P-Abweichung klein wählen). Damit wird eine unnötige Aufladung der Bodenplatte verhindert. Erst nach etwa 8 h öffnet das Ventil wieder, so lange genügt die Wärmeabgabe der auf­ge­heiz­ten Bodenplatte. Die graue Fläche stellt die ein­ge­spar­te Energie dar.

Die Einzelraumregelung ist also nützlich. Erst bei Auslegungs-Vorlauftemperaturen von 30 °C oder weniger ist sie entbehrlich [SIA 384/1].

Sauerstoffdiffusion

Bei normalen Kunststoffrohren tritt ein O2-Transport durch die Rohrwandung auf. Der Unterlagsboden bremst den Stofftransport nicht wesentlich. So können Kessel, aber auch Heiz­kör­per oder Stahlrohre unter Umständen innert we­ni­ger Jahre durchkorrodieren. FBH-Kreise und Ar­ma­tu­ren ver­schlam­men. Heute werden diese Risiken vermieden mit:

  • Kunststoff-Metall-Verbundrohren,
  • Metallrohren oder
  • Kunststoffrohren mit Diffusionssperre.