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Teil 3 - Die raumflächenintegrierte Flächenheizung/-kühlung

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Während Heizlasten in modernen Gebäuden immer weiter schrumpfen, gewinnen Kühllasten an Bedeutung. Die thermische Aktivierung von Oberflächen mittels wassergeführter Flächenheizung/-kühlung ermöglicht zwei Funktionen in einem System: Heizen im Winter und Kühlen im Sommer.

Durch die Integration von Wärmeübergabekreise aus Systemrohren mit einem Durchmesser von ca. 10 – 18 mm in den Aufbau von Wärmeverteilschichten aus Estrichen, Putzen und Trockenbauelementen, könne über das Wärmeträgermedium Wasser Wärmemengen sowohl in den Raum (Übertemperatur an der Fläche) als auch aus den Raum (Untertemperatur an der Fläche) geführt werden. Zielsetzung ist eine gleichmäßige Temperierung (ϑOFm) der Oberfläche über die jeweilige Wärmeverteilschicht Boden, Wand und Decke. Je größer die Temperaturdifferenz (Δϑ) zwischen Raumtemperatur (ϑRi) und Oberflächentemperatur (ϑOFm), desto höher ist die wirksame Wärmestromdichte q in W/m².

Die spezifische Wärmestromdichte ist die relevante Leistungsgröße der Flächenheizung/-kühlung. Die DIN EN 1264 orientiert sich im Sinne der thermischen Behaglichkeit in ihrer Definition zur Begrenzung der Oberflächentemperaturen an Boden und Decke an den physiologischen Anforderungen des Menschen. Dementsprechend werden jene Flächen in einem besonderen Maß berücksichtigt, mit denen der menschliche Körper entweder im direkten Kontakt steht (Fußboden) oder besonders nahekommt (Decke). Dementsprechend unterscheidet dieses zentrale Regelwerk für Flächenheizung/-kühlung, die entsprechenden Flächen in: Aufenthaltsbereich: 29°C, Randzone: 35°C und Badezimmer: 33°C.

Die Wandheizung kann mit deutlich höheren Temperaturen betrieben werden, da sie weder im direkten Kontakt (Boden/Füße), noch punktuell (Decke/Kopf) mit dem Menschen steht. Darüber hinaus wirkt sie auf eine deutliche größere Fläche des Menschen und mit größerem Abstand. Einerseits kann man mit einer Wandheizung sehr leicht die Strenge des Niedrigtemperatursystems sprengen und optional mit (bestehenden) Heizkörpern kombinieren. Andererseits aber kann eine Wandheizung/-kühlung (bei Bedarf) thermisch aktivierte Flächen an Boden und Decke, auf niedrigsten Temperaturniveau ergänzen.

Eine Flächenheizung/-kühlung kann zwei Funktionen in einem System erfüllen, die beide über die thermische Aktivierung der Oberflächen wirken: Heizen und Kühlen. Im Heizbetrieb wirken jene Flächen durch eine Übertemperatur als positive Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur. Im Kühlbetrieb funktioniert das gleiche System durch eine Untertemperatur jener Flächen, also einer negativen Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur.

Im Flächenkühlbetrieb werden die Oberflächentemperaturen einheitlich auf mindestens 18°C (maximal 16°C) begrenzt. Dies liegt weniger am Menschen, sondern am Schutz des Gebäudes, um Tauwasserausfall in und am Bauteil zu vermeiden. Eine wesentliche Einrichtung der Flächenkühlung ist daher die Taupunktüberwachung, welche diese Gefahr bannt, bevor die Oberflächentemperatur in einen kritischen Bereich kommt. Ein fachgerechtes Flächenkühlsystem achtet auf den Taupunkt um letztlich Bauschäden durch Baufeuchte zu vermeiden und schließlich auch wieder für den Menschen, Schimmel an Bauteilen zu verhindern.

 

Von der Heizlast zur Wärmestromdichte

Die notwendige Heizlast für ein Gebäude, sowie dessen Räume und Zonen, wird nach DIN EN 12831 berechnet und dient als Grundlage zur leistungsbezogenen Auslegung einer jeglichen Wärmeübergabe. Die Wärmestromdichte gibt die spezifisch wirksame Leistung der Wärmeübergabe, bzw. Flächenheizung an. Unterschiede bestehen sowohl zwischen den Anwendungsbereichen Boden, Wand und Decke, sowie in den Trocken- und Nass-Bauweisen.

Die spezifische Wärmestromdichte eines Systems zeigt, wie viele Quadratmeter wirksame Fläche notwendig ist, um die jeweilige Heizlast zu decken. Folgende Betrachtung zeigt einen orientierenden Vergleich der drei Anwendungen für einen beispielhaften Raum mit einer Heizlast von 1.000 W.
Auf Basis der jeweils maximalen Oberflächentemperatur und der daraus resultierenden spezifischen Wärmestromdichte q ergeben sich für:

  • Decke bei ca. 60 W/m² eine thermisch aktivierte Deckenfläche von 17 m²,
  • Boden bei ca. 100 W/m² eine thermisch aktivierte Bodenfläche von 10 m²,
  • Wand bei ca. 160 W/m² eine thermisch aktivierte Wandfläche von 6,5 m².

Dies erklärt auch den Ausreißer Wandheizung mit dem geringsten notwendigen Flächenbedarf (auch bei niedrigeren Vorlauftemperaturen) auf Grund der möglichen höheren Oberflächentemperatur, welche die entscheidende Kenngröße für die Wärmestromdichte der Flächenheizung/-kühlung ist.

Die Flächen am Boden und an der Decke können in der Regel vollständig genutzt werden. Lediglich etwaige Stellflächen auf dem Boden sind zu berücksichtigen. Im Falle einer Wandheizung kann diese auch mit einer deutlich geringeren Oberflächentemperatur betrieben werden, wenn dies die zu Verfügung stehenden Wandflächen zulassen. Der Mindest-Flächenbedarf beträgt ca. 6,5 m². Können beide Außenwände genutzt werden, ergeben sich 11 Laufmeter, deren Oberfläche vom Boden aus 0,6 Meter hoch thermisch aktiviert werden müssen. Bei einer größeren Sockelhöhe von z.B. 1,2 Meter, ist nurmehr eine spezifische Wärmestromdichte von ca. 80 W/m² notwendig, was eine deutlich geringere Oberflächentemperatur und eine dementsprechend niedrigere Vorlautemperatur bedeutet. Die Basiskennlinie einer Fußbodenheizung in Teil 2 der DIN EN 1264 zeigt das grundlegende Verhältnis zwischen Oberflächentemperatur und Wärmestromdichte.

Für jede Anwendung ist dabei der spezifische Wärmeübergangskoeffizient α in W/(m²K) zu berücksichtigen, der sich aus physikalischen Gründen an Boden, Wand und Decke unterschiedlich verhält und im Wesentlichen den Konvektionsanteil bestimmt. Des Weiteren ist freilich, besonders bei Fußbodenbelägen deren Wärmeleitwiderstand Rλ in (m²K/W) zu beachten. Die genauen Wärmeleistungen (Wärmestromdichten) des jeweiligen Systems sind den Systemkennlinien der Hersteller zu entnehmen.

 

Parameter der mittleren Oberflächentemperatur

Nun stellt sich die Frage, wie die gewünschte, bzw. notwendige wirksame (mittlere) Oberflächentemperatur erreicht werden kann. An erster Stelle steht natürlich das Systemrohr, welches als Wärmeübertrager das Heizmittel Wasser führt und die entsprechende Oberfläche thermisch aktiviert. Die thermische Aktivierung der Oberfläche erfolgt durch das Systemrohr, welches sich unmittelbar unter der Oberfläche in der Wärmeverteilschicht befindet. Da die Oberflächentemperatur direkt über dem Systemrohr natürlich höher ist, als es genau zwischen zwei Systemrohren der Fall ist, kann es sich bei diesem Wert also nur um einen gemittelten Wert handeln. An dieser Stelle tritt der Verlegeabstand zwischen den Rohren (Teilung) auf den Plan. Je weiter die Systemrohre voneinander getrennt verlegt sind, desto größer ist der Unterschied (im Flächenbezug) auf max. und min. Oberflächentemperatur.

Aus diesem Grund verlangen möglichst gleichmäßige Oberflächentemperaturen und eine maximale Wärmestromdichte einen engen Verlegeabstand. Je enger der Verlegeabstand ist, desto ausgeglichener ist die thermische Welligkeit der Oberfläche. Somit kommen wir zum nächsten wichtigen Parameter: der mittleren Heizmitteltemperatur (Kühlmitteltemperatur) ϑFm, um die gewünschte Oberflächentemperatur zu erreichen. Die Heizmitteltemperatur ist immer höher als die Oberflächentemperatur und ist im Weiteren abhängig vom Aufbau der Wärmeverteilschicht, Wärmeverluste entgegen des Raumes, des spezifischen Wärmeübergangs und der Position an Boden, Wand oder Decke.

Der Wärmeleitwiderstand Rλ ist ebenso von Bedeutung und muss im Kennlinienfeld (Herstellerangabe) mit einem bestimmten Verlegeabstand eines jeden Systems der Flächenheizung/-kühlung mindestens Kennlinien für Werte des Wärmeleitwiderstandes Rλ = 0,05 (m²K/W), 0,10 (m²K/W), und 0,15 (m²K/W), in Übereinstimmung mit Teil 2 der DIN EN 1264 (Basiskennlinie). Mit den Kennlinien gem. DIN EN 12 64 aus den Planungsunterlagen der Systemhersteller ist sowohl die Oberflächentemperatur, als auch die notwendige Heizmitteltemperatur im Verhältnis zur Raumtemperatur zu ermitteln.


Vom Heizmittel zur wirksamen Wärmeleistung

Damit die gewählte und ausgelegte Wärmestromdichte auch wirksam wird ist ein weiterer leistungsrelevanter Faktor notwendig. Die Heizmitteltemperatur alleine ist nichts, als ein Zahlenwert. Um die gewünschte Oberflächentemperatur zu erreichen, ist eine Wärmemenge notwendig, welche über einem entsprechenden Massenstrom sicherzustellen ist. Aus der Wärmemenge resultiert in Abhängigkeit der Zeit die Wärmeleistung. Die Volumenströme und Systemrohrlängen sind als Grundlage für den hydraulischen Abgleich zu dokumentieren, sowie in die Raumliste einzutragen.


Fazit

Die thermische Aktivierung von raumumschließenden Oberflächen erfolgt durch die Herstellung einer Wärmeverteilschicht an Boden, Wand, oder Decke. Die daraus resultierende Wärmestromdichte entspricht dem natürlichen Wärmeempfinden des Menschen. Über diese wirksamen Flächen kann entsprechend der Doppelfunktion in einem System, wie es allein die wassergeführte Flächenheizung/-kühlung bietet, der Innenraum im Sommer gekühlt und im Winter beheizt werden.

Im nächsten Teil dieser Serie werden die sämtliche Systemkomponenten der Flächenheizung/-kühlung vorgestellt.

 

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