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System- und Kostenvergleich zur Flächenheizung/-kühlung (EFH-Neubau) – Teil 1

Dieser zweiteilige Fachbeitrag zeigt nicht nur Varianten und Einsatzmöglichkeiten der Fußbodenheizung/-kühlung in einem EFH-Neubau auf, sondern bietet einen daraus resultierenden System- und Kostenvergleich als Orientierungshilfe in unterschiedlichen Ausführungen und Komfortklassen.

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Gebäudedaten und Baubeschreibung

Damit soll Architekten, Planern und auch Handwerkern eine Orientierungs- und Entscheidungshilfe an die Hand gegeben werden. Es wird insbesondere durch den Doppelnutzen dieser Systeme verdeutlicht, dass die Fußbodenheizung /-kühlung eine kostengünstige und energieeffiziente Möglichkeit zur ganzjährigen Konditionierung der Raumtemperaturen darstellt. Dieser erste Teil beschreibt zuerst grundlegend das Gebäude und die Heizungsanlage inklusive Wärmeübertragung an den Raum.

Das im Folgenden vorgestellte Bauvorhaben wurde in Holzbauweise erstellt, der energetische Standard eines KfW-55-Hauses erreicht und mit einer solarthermischen Heizungsunterstützung ausgestattet. Um einen maximalen solarthermischen Ertrag effizient generieren zu können, wurde schon in der Nachweisführung für die Wärmeübergabe ein Niedrigtemperatursystem mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 35°C festgelegt. Dieses Haus entspricht einem repräsentativen EFH-Neubau mit zeitgemäßer Raumaufteilung und Ausstattung und dient daher als praxisgerechte Grundlage für einen umfassenden System- und Kostenvergleich.

 

Gebäudedaten (Kubatur und energetischer Standard)

Das hier vorgestellte freistehende Einfamilienhaus, ist ein real geplantes und gebautes Einfamilienhaus, welches dem heutigen Standard in Sachen Energieeffizienz (KfW-55) gemäß EnEV 2014/2016 entspricht. Dadurch ist ein praxisgerechter Vergleich der Investitionskosten für verschiedene Ausführungen einer Fußbodenheizung/-kühlung möglich.

Die klimatischen Bedingungen entsprechen dabei den maximalen Anforderungen einer Auslegungstemperatur von -16°C im Winterfall, entsprechend dem Standort des Gebäudes (92331 Parsberg). Der Wohnbereich befindet sich auf zwei Etagen: Erdgeschoß mit 73,62 m² Nutzfläche (AN) und Obergeschoss mit 72,50 m² AN. Die Raumgrößen sind neben den Raumtemperaturen mit den nach DIN EN 12 831 (bzw. gemäß EnEV 2014/2016) berechneten Einzelraum-Heizlasten ebenso wie die aus der Auslegung „Heizen“ resultierenden Ankühlleistung und der nach VDI 2078 berechneten Kühllast, in nebenstehender Raumliste aufgeführt.

 

Legende zur Raumliste (Abbildung 1.3 im PDF Artikel)

  1. Fläche in m² Die zu beheizende (zu kühlende) Nutzfläche (AN) der Auslegung

  2. ϑ in °C Heizen die nach DIN EN 12 831 festgelegte Innenraumtemperatur für den Heizbetrieb

  3. Heizlast in W die nach DIN EN 12831 berechnete Heizlast

  4. Heizlastdichte die aus der Heizlastberechnung resultierende Wärmestromdichte pro Quadratmeter

  5. Ankühlleistung die aus der Auslegung „Heizen“ resultierende Ankühlleistung

  6. ϑ in °C Kühlen die nach DIN EN 15251 festgelegte Innenraumtemperatur für den Kühlbetrieb

  7. Kühllast die nach VDI 2078 berechnete Kühllast

  8. Kühllastdichte die aus der Kühllastberechnung resultierende Wärmestromdichte pro Quadratmeter

 

Der Transmissionswärmeverlust beträgt bei diesem Einfamilienhaus 0,22 W/(m²K), der zulässige Höchstwert nach EnEV 2014/2016 liegt bei 0,40 W/(m²K). In der Beschreibung der Wärmeübergabe wurde eine Auslegung der Fußbodenheizung mit der Vorlauftemperatur von 35°C und Rücklauftemperatur von 28°C nebst einer optimierten Betriebsweise, wie Heizkurvenoptimierung und hydraulischer Abgleich, sowie leistungsgeregelter Umwälzpumpe veranschlagt. Die Berücksichtigung der Wärmebrücken wurde mittels differenziertem Nachweis ermittelt und die Gebäudedichtigkeit wurde nach Anlage 4 Nr. 2 der Energieeinsparverordnung (EnEV 2014/2016) nachgewiesen. Der Mindest-Luftwechsel wurde mit einer Luftwechselrate n von 0,60 h-1 ausgewiesen.

Die Ergebnisse des Monatsbilanzverfahrens ergeben: Jahres-Heizwärmebedarf 9.561 kWh/a, der flächenbezogene Heizwärmebedarf liegt bei 34,24 kWh/(m²a), der volumenbezogene Heizwärmebedarf beträgt laut Nachweis 10,96 kWh/(m³a), die Zahl der Heiztage 206,0 d/a und die Heizgradtagzahl 3.014 Kd/a. Die Heizlast ist in der Raumliste aufgeführt.

 

Baubeschreibung der Heizungsanlage

In den Grundrissen ist die zentrale Positionierung der jeweiligen Heizkreisverteiler als Schnittstelle zwischen Wärmeverteilung und Wärmeübergabe festgelegt. Es gilt hierbei grundsätzlich einen möglichst zentralen Standort zu finden, um annähernd gleichmäßige Rohrlängen bzw. Anbindeleitungen für die einzelnen Wärmeübertragungskreise der Fußbodenheizung (vom Verteiler bis zur Übergabe) zu ermöglichen, was nicht zuletzt auch den hydraulischen Abgleich erleichtert. Vom Heizkreisverteiler aus erfolgt sekundärseitig die Heizkreisführung zum Pufferspeicher, der sich im Kellergeschoss befindet. Die Leitungsführung erfolgt in DN 25 inklusive 100 % Wärmedämmung. Die Heizkreisstation (Wo befindet sich diese Station?) besteht aus einer elektronischen Umwälzpumpe, einem Drei-Wege-Mischer inklusive Vorlauftemperatur-Anlegethermostat, sowie sämtlichem Zubehör entsprechend den anerkannten Regeln der Technik inklusive Wärmedämmblock.

Sowohl der Pufferspeicher als auch der Wärmeerzeuger befindet sich (außerhalb der thermischen Hülle) im Kellergeschoss. Der Speicher bildet die Schnittstelle zur Wärmeverteilung. Im Sinne der Doppelfunktion von Systemen zur Flächenheizung /-kühlung wird von einer Wärmepumpe als Wärmeerzeuger ausgegangen. Alternativ könnte eine andere Wärmesenke (siehe hierzu Anmerkung am Ende des Textes) genutzt werden, wenn diese den Anforderungen an einen Kühlbetrieb entspricht.

Der Pufferspeicher (einheitliche Benennung: Zentralheizungs-Pufferspeicher, Pufferspeicher, Heizungspufferspeicher) stellt in Kombination mit einer solaren Trinkwassererwärmung und solarer Heizungsunterstützung grundsätzlich die notwendigen Wärmemengen für den Heizbetrieb (nebst freibleibender Nacherwärmung) zur Verfügung, um die notwendige Heizlast im Auslegungsfall zu decken.

Die Raumtemperaturen wurden gemäß Raumliste ausgelegt, die Vorlauftemperatur für den Kühlfall auf minimal (18°C) und für den Heizbetrieb auf maximal 35°C begrenzt. Es wurde von einem Wärmedurchgangswiderstand (R-Wert) für den Bodenbelag von einheitlich 0,10 m²K/W (gemäß DIN EN 1264) ausgegangen. Grundsätzlich ist bei jeder Flächenheizung /-kühlung der Oberflächenbelag relevant für die Auslegung. Aus diesem Grund muss für alle Flächen (Boden, Wand und Decke) stets der zutreffende R-Wert ermittelt und in der Planung berücksichtigt werden.

Die Rohrdimension der Wärmeübertragungsrohre der Fußbodenheizung beträgt ca. 16 mm. Die Ausführung der Heizkreisverteiler erfolgt mit Durchflussmengenanzeiger und Regulierventil zur Feinregulierung für den hydraulischen Abgleich der Wärmestromkreise (einheitliche Benennung Heizkreis oder Wärmestromkreis). Die Regelung der Fußbodenheizung erfolgt witterungsgeführt nach der Außentemperatur, sowie Einzelraumregelung in den Räumen bzw. Wohnbereichen.

 

Bauweisen und Ausstattung der Fußbodenheizung/-kühlung (Trocken / Nass)

Die Fußbodenheizung/-kühlung bietet bei sämtlichen Systemen sowohl eine Nassbau- als auch eine Trockenbauweise, um den Anforderungen des modernen Hausbaus zu entsprechen. Dementsprechend bietet der System- und Kostenvergleich die grundsätzliche Unterscheidung in a) Nassbau-, und b) Trockenbau-Ausführung. Darüber hinaus wird zwischen nur Heizbetrieb im Winter als Standard-Variante, sowie mit Ankühlbetrieb (Komfort-Variante 1) und mit Kühlbetrieb (Komfort-Variante 2) im Sommer unterschieden. Die Ankühlung ist immer eine optionale Zusatzfunktion, wenn eine entsprechende Wärmesenke zur Verfügung steht. Es wurde für alle drei Ausstattungsvarianten sowohl die Nassbau- als auch die Trockenbauvariante betrachtet. Des Weiteren wurde aus der Systemvielfalt folgende Unterscheidungen in der Ausstattung getroffen:

Standard-Variante (nur Heizen):
Fußbodenheizung als Nass- bzw. Trockensystem mit kabelgebundener Standard-Regelung zum Heizen; Auslegung nach Heizlast mit Norm-Außentemperatur: -16°C, wie oben beschrieben.

Komfort-Varianten (Heizen und Kühlen)
Fußbodenheizung/kühlung als Nass- bzw. Trockensystem mit High-End-Funk-Regelung zum Heizen und Kühlen;

  • Komfortklasse 1 (Heizen und Ankühlung)

Auslegung nach Heizlast und Berücksichtigung der resultierenden Ankühlleistung, wie in der Raumliste angegeben; Der Mehraufwand beschränkt sich in der Regel nur auf Regelungskomponenten, insbesondere des Taupunktwächters.

  • Komfortklasse 2 (Heizen und Vollkühlung)

Kühlmöglichkeit entsprechend der Kühllastberechnung nach VDI 2078. Neben den erweiterten Regelkomponenten ist zum Ausgleich der Kühllast-Defizite ein zusätzlicher Mehraufwand an Rohrlängen und in der Regel eine Erweiterung der Flächen zur vollkommenen Abdeckung der Kühllast zu berücksichtigen. Des Weiteren gilt es hier die Regelstrategien, konkret festzulegen.

 

Ausgleich von Last- bzw. Bedarfsdefiziten

Eine notwendige Nacherwärmung von Lastdefiziten, die von dem jeweiligen System der Fußbodenheizung/-kühlung nicht gedeckt werden können, stellen sich oftmals in Badezimmern ein, wenn einerseits eine zu geringe Wärmeübertragungsfläche zur Verfügung steht und andererseits eine höhere Anforderung des Wärmekomforts (24°C) verlangt wird. Die im folgenden dargestellten Vergleiche beziehen sich nur auf die Bodenbelegung. Dementsprechend stellte sich im Badezimmer ein Leistungsdefizit ein, welches durch einen elektrisch betriebenen Bad-Heizkörper ausgeglichen wird.

Der zweite Teil dieses Fachbeitrags handelt von den unterschiedlichen Systemen und Anwendungen und zeigt die dementsprechenden Investitionskosten für eine Fußbodenheizung/-kühlung auf.

 

Anmerkung

Wärmesenke“ ist ein räumlich begrenzter Bereich, der die in ihm gespeicherte oder zugeführte thermische Energie an ein angrenzendes Medium abgibt. „Erdgekoppelt“ bedeutet eine notwendige Wärmequellenanlage (Wärmequelle) für eine Sole-Wasser-, oder Grundwasser-Wärmepumpe. Die für diese Wärmepumpen notwendige Wärmequellenanlage besteht entweder aus einer Grundwasser-Brunnenanlage (Wasser-Wasser) oder aus Erdwärmesonden (Sole-Wasser) und sind in nebenstehender Grafik (Abbildung 1.5) als „Kühlquelle“ bezeichnet. Diese Anlagen können im Sommer für den Kühlbetrieb über einen Bypass als „Wärmesenke“ genutzt werden. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe ist der Kühlbetrieb durch Umschaltung (reversible Betriebsweise) möglich. Im Gegensatz zu erdgekoppelten Wärmepumpen, ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe im Kühlfall in Betrieb (aktiv).