Fußbodenheizung

Trotz der Tatsache, dass das strahlende, großflächige Fußbodenheizung mit warmem Luftstrom in Kanälen unter dem Boden bereits seit über zwei Jahrtausenden bekannt ist, beziehungsweise das wassergeführte, strahlende, großflächige Heizsystem mit in die Bauteile (Decke, Wand, Boden) eingebetteten Heizrohren seit fast 100 Jahren, überwiegen in der Realisierung Heizsysteme mit traditionellen Heizkörpern – Radiatoren – und konvektivem Wärmeabgabe in den Innenraum.

 

Die grundlegende Frage lautet also: warum konvektives und nicht strahlendes Heizen?

 

STRAHLHEIZUNG

 

Beim strahlenden Heizen von Innenräumen wird der strahlende Wärmestrom der Heizfläche (des Körpers) genutzt, der direkt, also ohne die Vermittlung des Innenraumluftes, die umliegenden Bauteile der Innenräume erwärmt und nur einen sehr geringen Teil des Wärmestroms gibt die strahlende Fläche konvektiv direkt an die Luft im beheizten Innenraum ab (also das Gegenteil der konvektiven Heizung des Innenraums durch konvektive Heizkörper). Deshalb sind auch die inneren Oberflächentemperaturen der Bauteile, die den Innenraum bilden, beim strahlenden Heizen höher als die Temperatur der Luft in diesem beheizten Innenraum (wieder das Gegenteil der konvektiven Heizung von Innenräumen).

 

Die Wärmestrahlen, die von der Oberfläche der erhitzten festen Körper (strahlenden Heizflächen) abgestrahlt werden, sind in Wirklichkeit elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 0,78 bis 400, also im Bereich der Infrarotstrahlung des elektromagnetischen Spektrums, die sich mit der Geschwindigkeit von 300 000 km.s-1 ausbreiten.

 

 

 

 

WÄRMEÜBERTRAGUNG BEI STRAHLHEIZUNG

 

Beim theoretischen Lösung von Heizsystemen in Innenräumen von Objekten der Bodenbauten ist es immer notwendig, den Heizbedarf, also den Wärmestrom zu bestimmen, der erforderlich ist, um die geforderte thermische Behaglichkeit für den Menschen – den Nutzer – zu gewährleisten.

 

Der Heizbedarf wird in der Heizungstechnik meistens aus den Bedingungen der thermischen Gleichgewicht des beheizten Raums (Innenraum, Zimmer usw.) im stationären Zustand berechnet. Gerade bei diesem Berechnung ist es grundlegend, zwischen konvektiver Heizung (wo der Heizkörper dem beheizten Innenraum einen Wärmestrom meist konvektiv abgibt) und strahlender Heizung, also Fußbodenheizung (wo die Heizfläche dem beheizten Innenraum einen Wärmestrom meist strahlend abgibt) zu unterscheiden.

 

Aus den genannten Überlegungen folgt, dass beim strahlenden Heizverfahren die Heizfläche den Wärmestrom strahlend – ohne Vermittlung der Innenraumluft – an die umliegenden abgekühlten Flächen des Innenraums abgibt, wobei gilt, dass die effektive Temperatur (also die durchschnittliche Temperatur der umliegenden Flächen) höher ist als die Lufttemperatur.

 

Es ist also offensichtlich, dass beim strahlenden Heizen ein erheblicher Teil der Wärme strahlend und nur ein geringer Teil des Wärmestroms konvektiv abgegeben wird. Deshalb muss bei der Berechnung des Heizbedarfs bestimmt werden:

- die thermische Gleichgewicht der strahlenden Heizfläche,

- die thermische Gleichgewicht der Luft,

- die thermische Gleichgewicht der strahlenden Heizfläche und der Luft,

- die thermische Gleichgewicht des beheizten Raums.

 

ARTEN DER STRAHLHEIZUNG

 

Im Moment können wir die strahlende Heizung wie folgt einteilen:

- großflächige Heizung (Decken-, Wände- und Bodenheizflächen), bekannt als Fußbodenheizung

- Gesamtbeheizung durch aufgehängte strahlende Platten,

- individuelle Beheizung durch nahe gelegene Platten (strahlende Platten),

- Heizung durch Infrarotstrahler.

 

Aus der Einteilung ist ersichtlich, dass die strahlende Heizfläche im Prinzip entweder in der Bauteilkonstruktion als unverzichtbares Teil integriert (großflächige Heizsysteme) oder als freistehende Heizfläche im Raum (strahlende Platten, Heizplatten, Infrarotheizungen) errichtet werden kann.

 

Falls wir von der genannten konstruktiven Unterschied ausgehen, dann gibt es auch grundlegende Unterschiede hinsichtlich der Oberflächentemperatur der Heizflächen, was dann auch die Wahl des Wärmeträgers und seine Temperatur sowie letztendlich den damit verbundenen spezifischen Wärmeverbrauch der strahlenden Heizfläche beeinflusst.

 

GROßFLÄCHIGE STRAHLHEIZUNG

 

Die Heizfläche bei der großflächigen strahlenden Heizung ist meistens eine der Wände, die den beheizten Raum begrenzen, also entweder die Decke, die Wand oder der Boden.

 

Die Oberflächentemperatur der Heizfläche muss relativ niedrig sein (40 bis 45 °C bei der Deckenheizung, 55 bis 60 °C bei der Wändeheizung und 25 bis 30 °C bei der Fußbodenheizung), was bedeutet, dass auch die Temperatur des Wärmeträgers entsprechend niedrig sein wird. Die Heizfläche kann erwärmt werden durch:

- warmes Wasser (meistens),

- warme Luft,

- elektrisch (ohmsch).

 

Aus dem genannten ist offensichtlich, dass die Systeme der großflächigen strahlenden Heizung mit niedrigen Temperaturen des Wärmeträgers arbeiten. Diese Niedrigtemperatursysteme eignen sich gut für die Nutzung der Energie, die von niedrigpotenziellen Energiequellen gewonnen wird, wie z. B. geothermische Wasser, Solarenergie, Abwärme und Umweltwärme. Die Heizfläche bei der großflächigen Heizung ist eine der Wände, die den beheizten Raum begrenzen. Nach der verwendeten Fläche einteilen wir die großflächigen Systeme in:

- Fußbodenheizung

- Decken-

- Wände-

 

Von der konvektiven Heizung durch Heizkörper unterscheidet sich die großflächige strahlende Heizung durch die Art der Wärmeübertragung und die thermischen Verhältnisse im Raum. Bei der konventionellen Heizung erwärmt der Heizkörper die Luft im Raum, die die Wärme an die Wände abgibt. Die Temperatur der inneren Luft ist höher als die Temperatur der Wände. Im Raum entsteht ein charakteristisches Luftstrom und infolgedessen ein ziemlich großer Temperaturunterschied zwischen der Luft unter der Decke und der Luft am Boden.

 

Bei der großflächigen Heizung erfolgt die Wärmeübertragung durch Strahlung und Konvektion. Der Anteil der strahlenden Wärme beträgt bei der Deckenheizung 80 %, bei der Wändeheizung 65 % und bei der Fußbodenheizung 55 %.

 

Die konstruktive Ausführung der Heizfläche ist sehr vielfältig. Grundsätzlich unterscheiden wir zwei grundlegende Lösungen:

- die Heizfläche ist eingebettet, also unverzichtbares Teil der Bauteilkonstruktion,

- die Heizfläche ist selbstständig, es ist eine erwärmte Platte, die entweder

- an einer der Bauteilkonstruktionen befestigt ist,

- oder frei im beheizten Innenraum platziert ist.

 

Im ersten Fall wird die Oberfläche der Bauteilkonstruktion durch warmes Wasser erwärmt, das durch Rohrbüschel (Register) fließt, wobei diese Rohre in der Bauteilkonstruktion verbetoniert sind. Bei der Ausführung der strahlenden Heizung werden die Heizrohre erst nach Abschluss der Bauarbeiten unter dem tragenden Deckenboden befestigt und im Untergrund mit einer Schicht Putz abgedeckt. Strahlende Heizplatten, die auf die Bauteilkonstruktionen im Raum (oder auch frei im Raum) montiert werden, sind meistens metallisch oder keramisch und glasartig. Diese Platten werden meistens elektrisch erwärmt.

 

GROßFLÄCHIGE FUSSBODENHEIZUNG

 

Falls der Heizrohr (Register) Teil des Bodens des gegebenen Innenraums ist, sprechen wir von der großflächigen Fußbodenheizung. Im Moment handelt es sich um ein Heizsystem, das aufgrund vieler positiver Eigenschaften eine gewisse Renaissance erlebt und immer häufiger in der Wohnungsbau (besonders in Einfamilienhäusern), in Objekten der öffentlichen Versorgung (Kindergärten, Krippen, Turnhallen, Schwimmbäder usw.), sowie in großen Hallen (Mehrzweckgaragen, Industriebetriebe, landwirtschaftliche Gebäude) eingesetzt wird.

 

Flächenbasierte Fußbodenheizung wurde in der Vergangenheit als Ergänzung zur Deckenheizung eingesetzt, wenn die Deckenfläche zur Deckung der Wärmeverluste nicht ausreichte. Ein stärkeres Anwachsen der Fußbodenheizung wurde auch durch die Anforderung einer niedrigen Temperatur der Bodenoberfläche behindert, was auch zu einem geringen Wärmestrom führte. Neue Konstruktionen, architektonische Entwürfe, die Verbesserung der thermischen Eigenschaften der Gebäude sowie fortschrittliche konstruktive Materialien für die Herstellung von Heizsystemen ermöglichen heute die Entstehung zahlreicher Fußbodenheizsysteme.

 

Die Wahl der Fußbodenheizung wird in erster Linie durch das Gebäude selbst bestimmt. Dieses muss thermische Eigenschaften aufweisen, sodass der mittlere Wärmeverlust unter 20 W/m³ und der mittlere jährliche Heizenergiebedarf unter 70 bis 80 kWh/m² liegt. Daraus wird deutlich, dass die minimale Energiebeanspruchung in erster Linie vom Gebäude selbst abhängt, gefolgt vom Betriebsmodus mit der Möglichkeit der Wärmeakku-mulation im Boden mit einer thermischen Trägheit von etwa 4 bis 8 Stunden und einem hohen Grad an Selbstregulation.

 

Ein optimaler thermischer Zustand der Räume mit Fußbodenheizung wird in der Regel durch 2 bis 4 K niedrigere resultierende Temperaturen als bei konvektiver Heizung erreicht, gleichzeitig mit fast idealen vertikalen und horizontalen Temperaturgradienten.

 

FußBODENHEIZUNG MIT WARMWASSER

 

Aus den vorangegangenen Feststellungen wird deutlich, dass die wärmewasserbasierte Fußbodenheizung zu den Strahlungsheizsystemen gehört, wobei jedoch der Anteil der strahlenden Komponente am gesamten Wärmetransport von der Heizfläche nur geringfügig höher ist als der Wärmestrom durch Konvektion (55 % : 45 %). Gleichzeitig beeinflussen sich die Vorteile beider Arten der Wärmeübertragung in das Innenraumklima gegenseitig sehr vorteilhaft.

 

Die wärmewasserbasierte Fußbodenheizung ist gleichzeitig flächenmäßig groß, d.h. die Heizrohre sind Bestandteil der Bodenkonstruktion. Aufgrund der hygienischen Anforderungen, die mit der begrenzten Temperatur der Bodenoberfläche zusammenhängen und somit auch mit relativ geringeren spezifischen Wärmeleistungen der beheizten Bodenfläche, sind die Heizrohre fast immer unter der gesamten Bodenfläche verlegt. Dies beeinflusst die Gleichmäßigkeit des Wärmetransports im Innenraum positiv und trägt zur Schaffung eines thermisch homogenen, gleichmäßigen Klimas bei, sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung.

 

Die Temperatur des Heizwassers liegt in der Regel unter 50 °C, weshalb man die wärmewasserbasierte Fußbodenheizung auch als Niedertemperaturheizung bezeichnen kann, was mehrere Vorteile mit sich bringt. Einerseits ermöglicht dies erhebliche Einsparungen an thermischer Energie bei der Betriebsführung, andererseits erlaubt es die Anwendung nicht traditioneller, niedrigpotenzieller Energiequellen wie Sonnenstrahlung, Energie aus geothermischen Wässern oder Wärmepumpen, die die Umweltwärme nutzen.

 

Gerade diese Faktoren ordnen die wärmewasserbasierte Fußbodenheizung zu den fortschrittlichen Heizsystemen, die alle drei E-Aspekte garantieren, nämlich energetische, ökologische und ökonomische Aspekte des Heizens von Gebäuden. Auf der anderen Seite, obwohl diese Heizmethode bereits vor über 2000 Jahren existierte, erlebt sie gerade heute ihre größte Blüte und Renaissance.

 

Daher ist es notwendig, die Grundsätze für die praktische Anwendung der wärmewasserbasierten Fußbodenheizung theoretisch exakt zu definieren, was mit der Wahl, dem Berechnen, dem Entwerfen, der Bewertung, der Konstruktion, der Montage, der Regelung, dem Betrieb und den Anwendungen zusammenhängt.

 

AUSWAHL DER GEBÄUDE FÜR FÜSSBODENHEIZUNG

 

Da nicht jedes Gebäude für die Anwendung des Fußbodenheizsystems geeignet ist, ist es unbedingt notwendig, bei der Auswahl des Gebäudes die Anforderungen an:

- die thermischen Eigenschaften,

- die hygienischen Aspekte,

- die energetischen Aspekte

zu gewährleisten.

 

 

BESTIMMUNG DER ENTSCHEIDENDEN THERMISCHEN GRÖßEN

 

Die thermischen Eigenschaften der Bauteile und Gebäude werden durch folgende Größen gewährleistet:

- den Wärmewiderstand der Bauteile,

- den Temperaturdämpfungsfaktor der Bauteile,

- die Wärmekapazität der Bodenkonstruktionen,

- die Menge der in den Bauteilen kondensierten und verdampften Wasserdämpfe,

- die Luftdurchlässigkeit der Bauteile und deren Stoßstellen,

- die thermische Stabilität des Raumes,

- den Energiebedarf für die Heizung.

 

Beim Entwurf der Bauteile und Gebäude mit vorgegebenen Zuständen des Innenraumklimas sind die Anforderungen an die minimale Temperatur der inneren Oberfläche gemäß Abschnitt 3 der STN 73 0540 und an den maximalen Energiebedarf für die Heizung gemäß Abschnitt 21 der STN 73 0540 vorgeschrieben.

 

 

HEIZROHRE

 

Der wichtigste Bestandteil der beheizten Bodenfläche sind die Heizrohre, weshalb wir im Folgenden detaillierter beschreiben:

- Heizrohre,

- Rohre für Fußbodenheizung.

 

 

 

 

ROHRE FÜR DIE HEIZUNG

 

Im heutigen Zentralheizungsbetrieb werden am häufigsten folgende Rohrmaterialien verwendet:

- Metallrohre,

- Kunststoffrohre,

- kombinierte Rohre.

 

 

METALLROHRE

 

Es werden Stahl (schwarz), verzinkter Stahl, rostfreier Stahl und Kupfer verwendet. Die Fittings und Verbindungen sind aus unterschiedlichen Materialien wie gehärteter Gusslegierung, Messing, Bronze, Rotmetall usw. hergestellt. Die Vielfalt der Materialien führt zur Kontaktkorrosion, die einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer der Heizanlage hat.

 

a) Stahlrohre

Sie gehören zu den klassischen Rohrmaterialien. Vorwiegend werden glatte, nahtlose Stahlrohre verwendet. Die Verbindung erfolgt durch Schweißen und räumliche Veränderungen im Rohrnetz werden durch Warmbiegen erzeugt. Gewindeverbindungen werden nur für die Anschlussarmaturen und Heizkörper verwendet. Mit über hundertjährigen Erfahrungen konnten die meisten Nachteile beseitigt werden. Nur die hohe Anforderung an Schweißarbeiten bleibt bestehen. Gerade diese Umstände sprechen gegen die Einführung dünnwandiger, geschlossener rechteckiger Stahlprofile, da die Spiegelnaht nicht beliebt ist und heute nicht mehr üblich ist.

 

b) Verzinkte Stahlrohre

Verzinkte Stahlrohre sind eines der ältesten Rohrmaterialien, erfordern jedoch eine perfekte Handwerksverarbeitung. Die Zinkschicht ist nicht immer gleichmäßig dick und von gleicher Qualität. Bei der Verwendung moderner Gewindefräser kommt es oft beim Gewindeherstellen zu erheblichen lokalen Schwächungen der tragenden Rohrteile. Diese Umstände zusammen mit der Entfernung der verzinkten Oberfläche führen zur Risskorrosion. Da Schraubverbindungen Fachkenntnis erfordern und zeitintensiv sind, werden sie soweit möglich durch Schweißen ersetzt. Es kann jedoch festgestellt werden, dass die Verwendung von starkwandigem Rohrmaterial bereits zurückgeht.

 

c) Edelstahlrohre

Das scheinbar ideale Edelstahlrohr stieß bei der Realisierung auf Probleme bei der Verbindung. Das Schweißen erfordert in diesem Fall einen hochspezialisierten technologischen Prozess, da andernfalls unerwünschte transkristalline Verformungen auftreten. Ebenso kommt es bei der Hartlötung mit Silberlot oft zu Korrosionsgefahr in der Verbindung zwischen dem Lot und der rostfreien Oberfläche. Erst Anfang der Siebzigerjahre kam ein grundlegender Wandel, als das Unternehmen Mannesmann Schraubverbindungen für Edelstahlrohre aus echtem Edelstahl entwickelte.

 

Diese Verbindungstechnik verbreitete sich allmählich auch auf andere Rohrarten (z. B. Kunststoffrohre, bei denen meistens Messingpressfittings verwendet werden). Durch das Pressen der Fittinge mit einem speziellen elektrischen Handgerät entsteht innerhalb von ca. 6 Sekunden eine wasserdichte Verbindung zwischen Rohr und Fitting. Die einzige Schwachstelle scheint der in die Fittinge eingepresste Dichtungsring aus Butylkautschuk zu sein, der am Ende des Fittings angebracht ist. Meinungen zur Haltbarkeit dieses Materials sind unterschiedlich und bislang fehlen noch ausreichend langfristige Erfahrungen.

 

d) Kupferrohre

Kupfer gehört zu den edelsten Rohrwerkstoffen. Es ist jedoch entscheidend, die Dosierung des Inhibitors in das Heizungswasser einzuhalten. Durch die Reaktion des Wassers mit der Kupferoberfläche entsteht einerseits eine Schutzschicht aus Kupferoxid und andererseits werden Kupferionen freigesetzt. Falls aus Unwissenheit oder aus Notwendigkeit hinter einem Abschnitt Kupferrohr ein Stahlrohr (sogar verzinktes) oder Aluminium verbaut wird, kommt es zu intensivem Korrosionsangriff auf diese Oberfläche. Hier kann ein geeigneter Inhibitor helfen.

 

Ein sehr wichtiger Arbeitsgang ist das Verbinden von Kupferrohren. Diese lassen sich sehr vorteilhaft weich- oder hartlötend verbinden. Beim Weichlöten wird bei einer Temperatur von 230 bis 240 °C und beim Hartlöten bei 710 bis 730 °C gearbeitet. Diese Temperaturen müssen immer strikt eingehalten werden. Es werden nur wasserlösliche Lotmassen verwendet, deren Reste durch Spülen aus dem Rohr entfernt werden.

 

Bei Einhaltung der Verbindungsvoraussetzungen und Verwendung von deoxidiertem Kupfer SF-Cu mit einem Kupfergehalt von mindestens 99,9 % ist die Garantie auf hohe Korrosionsbeständigkeit und ausreichende Festigkeit auch bei dünnwandigen Rohren gegeben. Die Montage ist vergleichsweise einfach und schnell. Das Rohr kann bis zu Betriebsdrücken von 4 MPa und Betriebstemperaturen bis zu 150 °C eingesetzt werden.

 

 

KUNSTSTOFFROHRE

 

Bei Rohren, die für die Zentralheizung geeignet sind, ist zwischen Fußbodenheizungsanlagen und klassischen Systemen zu unterscheiden. Fußbodenheizungen benötigen eine große Biegsamkeit der Rohrschleifen und zudem sind sie weniger thermisch beansprucht im Gegensatz zu klassischen Heizsystemen.

 

Für die Fußbodenheizung eignen sich daher die Arten PB, PE-X, PVC-C, PP-R. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass für die PVC-Variante die maximale Betriebstemperatur nur 60 °C beträgt und bei PVC-C die Betriebstemperatur dauerhaft 90 °C und kurzfristig 110 °C ist. Ein ähnlicher Bereich gilt für PB, PE-X und PP-R. Eine besondere Stellung nimmt PVDF ein, das bis zu 140 °C eingesetzt werden kann. Zwischenzeitlich müssen sich einige Werte weiter präzisieren. So war es bekannt, dass Halogene (Fluor, Chlor, Brom, Jod) mit PE reagieren und bereits bei Temperaturen von 20 °C molekulare Veränderungen, Bruch und Festigkeitsverluste verursachen. In den USA wurde mittlerweile festgestellt, dass sich bei PB nach langer Nutzung unter Einfluss von Chlor Alterung und Zerstörung ergeben. Dieses Ergebnis lässt sich jedoch nicht in vollem Umfang auf unsere Verhältnisse übertragen, da die Chlor-Konzentration im Wasser in den USA um vieles höher ist (bis zu 2 ppm).

 

Der Hauptvorteil von Kunststoffrohren ist ihre einfache und schnelle Montage. Sie lassen sich entweder kleben (PVC), schweißen (PB, PE, PP) oder durch Nippel und Gewindeverbindungen (PB, PE-X, PP) verbinden.

 

Der Hauptnachteil von Kunststoffrohren ist die geringe Druckfestigkeit bei höheren Temperaturen, die geringe Steifigkeit (räumliche Formbeständigkeit) und insbesondere die große lineare thermische Ausdehnung. Im Vergleich zu Edelstahl beträgt die Ausdehnung bei PB zehnmal, bei PP zwölfmal, bei PE vierzehnmal und bei PE-LO sogar 23-mal so hoch. Dieses Phänomen ist bei der Planung von Befestigungen und Leitungen von Kunststoffrohren zu berücksichtigen. Ohne laufende Befestigungen und Ausdehnungskompensation durch Dehnungsausgleicher sollte Kunststoffrohr überhaupt nicht installiert werden.

 

Mehrlagige Rohre mit Metalleinlage

 

Ein anderer Entwicklungsansatz basiert auf der Erkenntnis, dass Metall eine hundertprozentige Schutzschicht gegen Sauerstoffdiffusion darstellt. Auf dieser Grundlage wurden mehrschichtige Kunststoffrohre mit Metalleinlage entwickelt. Bislang haben sich zwei Grundtypen am meisten durchgesetzt:

a) Ein Typ mit einem längs verschweißten Aluminiummantel von ca. 0,5 mm Dicke, der im Inneren eingebettet ist. Diese Rohre bestehen aus einem inneren Kunststoffmantel (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), einer haftenden Zwischenschicht, einem verschweißten Aluminiummantel, wieder einer haftenden Zwischenschicht und einem äußeren Kunststoffmantel.

b) Der zweite Typ entstand aus einer normalen Kunststoffrohrform, die mit einer ca. 0,2 mm dicken Aluminiumfolie fest umwickelt ist, die auf beiden Seiten mit einer haftenden Schicht versehen ist und zur äußeren Schutzschicht eine dünnere Kunststoffschicht aufweist.

 

Die Kombination von Kunststoff und Metall muss nicht zwingend mit Aluminium erfolgen. In eine dünnwandige Edelstahlrohrform kann ein mit haftender Schicht versehenes Kunststoffrohr eingesetzt werden, das durch thermische Bearbeitung auf den Stahlmantel gepresst wird. Mehrschichtige Rohre mit Metalleinlage reduzieren die thermische Längenausdehnung bis auf Werte, die denen von Aluminium nahekommen. Sie sind stabiler, wodurch sich der erforderliche Anzahl an notwendigen Befestigungen erheblich verringert.

 

Dieses Rohr kann durch Gewindeverbindungen, Pressfittings oder direktes Pressen verbunden werden. Die Haltbarkeit der Rohre hängt von zwei grundlegenden Bedingungen ab. Erstens muss verhindert werden, dass Wasser oder eventuell feuchte Luft an die Stirnfläche des mehrschichtigen Rohres gelangt (um den Kontakt von Wasser mit Aluminium zu vermeiden) und zweitens muss man sich bemühen, die Möglichkeit der Entstehung elektrochemischer Korrosion zwischen Messing oder Rotguss und Aluminium zu vermeiden.

 

 

ROHRE FÜR FÜßBODENHEIZUNG

 

Aus dem vorangegangenen Abschnitt ist klar, dass das Rohrwerkstoffportfolio für die Zentralheizung sehr umfangreich ist, doch für Fußbodenheizung sind vor allem:

- Kupfer,

- Kunststoffe,

- kombinierte Rohre.

 

 

KUPFERROHRE FÜR FÜSSBODENHEIZUNG

 

Kupfer als Werkstoff hat zweifellos die Kulturgeschichte beeinflusst. Da es in der Natur auch in reinem Zustand vorkommt, war es als Metall bereits in der Antike verarbeitbar. Im Alten Ägypten wurde Kupfer als Zahlungsmittel verwendet. Die ersten Erwähnungen von Kupferwasserleitungen stammen bereits aus dem Jahr 2500 v. Chr., als in der Grabstätte von Sahure in Ägypten geformte Kupferbleche verlegt wurden.

 

Im Jahr 1900 begann man, Kupfer als hochwertiges Dachmaterial vor allem für bedeutende repräsentative Gebäude und Kirchen zu verwenden. Im Jahr 1933 wurde es verboten, diesen Material auf nicht-strategische Zwecke zu verwenden. In Westeuropa wurde dieser Material im Jahr 1965 für Heizungs- und Sanitäreinrichtungen wieder freigegeben. Leider setzte der Osten diesen Material weiterhin nur für strategische Zwecke ein.

 

Die vielseitige Verwendung von Kupfer ist vor allem auf die hohe Qualität des verarbeiteten Materials zurückzuführen, bei dem hohe Anforderungen gestellt werden:

- minimale Montagekosten,

- stabile funktionale und betriebliche Sicherheit,

- lange Lebensdauer.

 

Zu den wichtigsten Vorteilen kupferrohriger Installationen gehören:

• hohe Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu Stahlrohren

- minimale Wanddicken,

- minimale Metermasse,

• große Materialfestigkeit,

• einfache und schnelle Montage mit geringen Platzansprüchen,

• gute Anpassbarkeit an bauliche Gegebenheiten und deshalb besonders hohe Eignung auch für Nachinstallationen,

• einfache und sichere Verbindungstechnik (ohne Anforderung an Schraubverbindungen),

• bakterizider Effekt,

• keine Ablagerungen in den Rohren (Kupferrohre verstopfen nicht), wodurch hohe Durchflüsse und geringe Druckverluste gewährleistet sind,

- Möglichkeit, den genauen Innendurchmesser der Rohre festzulegen,

- gute Wärmeleitfähigkeit,

• Umweltverträglichkeit des Materials (100% Recycling möglich, abfallfreie Technologie).

 

Das Material, aus dem Kupferrohre hergestellt werden, ist deoxidiertes Kupfer (SF-Cu) mit einem Mindestgehalt an reinem Kupfer von 99,90 %.

 

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Verbindungen von Kupferrohren:

1. Demontierbare Verbindungen

• Nippel

-kegelförmig/kegelförmig,

-kegelförmig/gerundet,

-flaches Dichtelement.

• Nippel mit Dichtringe

-metallisches Dichtelement,

-weiches Dichtelement.

• Rohrverbindungen.

• Flanschverbindungen.

2. Undemontierbare Verbindungen

• Weichlötung.

• Hartlötung.

• Pressen.

• Schweißen.

 

Das Rohr ist speziell für die Leitungen für Fußbodenheizung und die Anschluss von Heizkörpern für Ein- und Zweirohrheizsysteme entwickelt. Das Kupferrohr ist mit einer PVC-Schutzschicht überzogen, die eine teilweise Dehnung ermöglicht und das Rohr sowohl vor mechanischen als auch chemischen Einflüssen von Beton- oder Putzgemischen schützt.

 

Im Moment gibt es in Westeuropa kein anderes Installationsmaterial, das in häuslichen Installationen so verbreitet und vielseitig einsetzbar ist wie Kupfer. In Deutschland werden derzeit etwa 70 % der Installationen mit Kupferrohren realisiert, in Großbritannien sogar 90 bis 95 %.

 

KUNSTSTOFFROHRE FÜR FUSSBODENHEIZUNG

 

Die Grundbausteine der Kunststoffe sind Kohlenstoff C und Wasserstoff H. Bei der Herstellung werden drei grundlegende Prozesse genutzt, nämlich Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition.

 

Bei der Polymerisation entsteht unter Einwirkung von Energie, Katalysatoren und weiteren Zusätzen aus Monomeren ein Polymer. Beispiele für durch Polymerisation hergestellte Materialien sind Polyethylen und Polypropylen.

 

Bei der Polykondensation entsteht aus einer großen Anzahl von Molekülen mehrerer niedermolekularer Stoffe eine neue Substanz. Beispiele für durch Polykondensation hergestellte Materialien sind Phenol-Formaldehydharze. Polyaddition ist eine unregelmäßige Polymerisation. Beispiele für durch Polyaddition hergestellte Materialien sind Polycarbonat.

 

Polymere lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

• Homopolymere, deren Makromolekülkette aus regelmäßig wiederkehrenden gleichen Molekülen besteht,

• Copolymere, in denen an die Grundkette Einheiten anderer Moleküle angebunden sind. Nach dem räumlichen Anordnung der Makromoleküle unterscheidet man lineare und verzweigte Polymere.

 

Je nach Verarbeitungstechnik und Verhalten der Kunststoffe bei Wärme werden sie in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere eingeteilt.

 

Die Eigenschaften von Thermoplasten hängen von der Ordnung oder Unordnung der Makromoleküle ab. Teilweise kristalline Kunststoffe sind biegsam und duktil. Amorphe Kunststoffe sind hingegen hart und spröde. Thermoplaste lassen sich wärmebedingt umkehrbar verarbeiten und verändern.

 

Duroplaste (Thermosetze) lassen sich weder thermisch formen noch schweißen. Typische Vertreter dieser Gruppe sind Harze. Eine besondere Gruppe unter den Duroplasten bilden Thermoplaste, die bei Raumtemperatur biegsam bleiben, sich aber weder thermisch formen noch schweißen lassen. Der Hauptvertreter der Thermoplaste ist vernetztes Polyethylen.

 

Elastomere verformen sich stark unter mechanischer Belastung. Nach Entlastung kehren sie in den ursprünglichen Zustand zurück. Sie lassen sich nicht thermisch formen und sind nicht schweißbar. Zu dieser Gruppe gehören synthetische Kautschuke.

 

 

Arten von Kunststoffen, die in der Heizungstechnik verwendet werden

 

Kunststoffe, die in der Heizungstechnik in der Installation verwendet werden, sind hauptsächlich PEX, PP-B, PP-R, C-PVC, PB und PVDF.

 

Der blockige Polypropylen-Copolymer PP-B enthält 20 bis 30 % Ethylenteil, der eine größere Biegsamkeit und Duktilität bei niedrigen Temperaturen (bis -20 °C) ermöglicht. Die drucklose Temperaturbeständigkeit beträgt bis zu 90 °C. Das Rohr aus diesem Kunststoff ist für Fußbodenheizung vorgesehen. Es wird durch Schweißen oder mechanische Verbindungen verbunden.

 

Der statische Polypropylen-Copolymer PP-R wurde hauptsächlich für die Sanitärtechnik entwickelt. Er zeichnet sich durch eine gute Druckbeständigkeit auch bei höheren Temperaturen aus und wird daher sowohl für Fußbodenheizung als auch für Zentralheizung verwendet. Die drucklose Temperaturbeständigkeit übersteigt 100 °C. Es wird durch mechanische Verbindungen, Schweißen mit Schmelznaht oder Polyfusion verbunden.

 

Polybutylen PB ist sehr biegsam und hat eine hohe Molekülmasse. Bei großer Festigkeit zeichnet es sich auch durch eine Widerstandsfähigkeit gegen die Entstehung von Spannungsrissen aus. Die drucklose Temperaturbeständigkeit übersteigt 100 °C, es wird spröde bei -18 °C. Es wird für die Leitungen der Fußbodenheizung und Zentralheizung verwendet. Da es gute mechanische Eigenschaften hat, wird es mit dünneren Wänden als andere Kunststoffrohre hergestellt. Es wird durch mechanische Verbindungen, Schweißen mit Schmelznaht oder Polyfusion verbunden.

 

Chloriertes Polyvinylchlorid C-PVC hat einen erhöhten Chlorgehalt, der keine hygienische Hinderung bei der Übertragung von warmem Wasser durch Rohre aus diesem Kunststoff darstellt. Die drucklose Temperaturbeständigkeit übersteigt 100 °C. Dieser Kunststoff wird auf verschiedene Arten hergestellt, weshalb sich seine Eigenschaften teilweise nach den einzelnen Herstellern unterscheiden. Es wird durch Kleben verbunden, wobei man nur Rohre und Formteile von einem Hersteller mit dessen empfohlenem Klebstoff kleben sollte.

 

Polyvinylidenfluorid PVDF hat eine hohe mechanische Festigkeit und eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit auch bei hohen Temperaturen. Es ist zudem gut verarbeitbar. Der Temperaturbereich der Anwendung reicht von -40 bis +140 °C. Es ist UV- und Gammastrahlung widerstandsfähig, wodurch es eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Alterung erlangt. Gleichzeitig ist es abriebfest, physiologisch unbedenklich und schwer entflammbar. Sein Preis ist relativ hoch. Es wird durch Polyfusion, Infrarotstrahlen, Schweißen mit Schmelznaht oder mechanische Verbindungen verbunden.

 

Eigenschaften von Kunststoffen

 

Zu den Eigenschaften von Kunststoffen, die man sich unbedingt ansehen sollte, gehören die Temperaturbeständigkeit, Brennbarkeit, Durchtränkbarkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturausdehnung.

 

Die Temperaturgrenze, bei der sich der Polymer schmilzt und weich wird, ohne dass die Struktur verändert wird, ist die Grenze der Temperaturbeständigkeit. Wenn man den Kunststoff weiter thermisch belastet, kommt es zu Veränderungen der mechanisch-physikalischen Eigenschaften und schließlich auch zur Degradation der Polymere, wodurch sie sich verschlechtern. Wenn man die Temperaturbeständigkeit von Rohren bewertet, die für die Installation in der Heizungstechnik vorgesehen sind, sollte man sich teilweise vergewissern, da bei falschem Schweißen eine teilweise Degradation durch lokale Überhitzung auftritt.

 

Um das Altern von Kunststoffen zu verhindern oder abzuschwächen, werden Stabilisatoren, Pigmente und Antioxidantien in die Polymere hinzugefügt. Unter dem Alterungsprozess versteht man laufende, irreversible Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen, die durch die Einwirkung von Sauerstoff, Temperatur und UV-Strahlung bedingt sind. Das Altern verläuft im Vergleich zur Temperaturdegradation langsam.

 

Die Korrosion von Kunststoffen zeigt sich zunächst innerhalb der Kunststoffe und später auch an der Oberfläche. Die Korrosion von Kunststoffen zeigt sich in der Veränderung der Zusammensetzung und der Eigenschaften der Kunststoffe. Die Veränderung wird durch die Einwirkung chemischer und physikalischer Einflüsse verursacht. Ein negativer Einfluss kann auch von bestimmten Metallmaterialien wie Kupfer, Kobalt und deren Legierungen ausgehen. Beim Kontakt von Metall mit bestimmten Kunststoffen kommt es zu einer thermischen Oxidation, die durch Metallionen katalysiert wird und sich in der Störung der Struktur der Kunststoffe zeigt. Aus diesem Grund sollte man Übergangsteile und Verbindungen mit einer geeigneten Oberflächenbehandlung, empfohlen vom Hersteller des Kunststoffrohres, verwenden. Die Korrosion von Kunststoffen unter Spannung zeigt sich in der Entstehung von Rissen. Bei Kunststoffprodukten muss man sich keine Sorgen über die Veränderung der Maßtoleranzen und der mechanischen Eigenschaften durch die Einwirkung von Feuchtigkeit machen. Kunststoffe sind undurchtränkbar und ihre Durchtränkbarkeit und Feuchtigkeitsaufnahme sind sehr gering. Kunststoffe gelten allgemein als Isolatoren, sie sind nicht elektrisch leitend. Eine andere Tatsache ist, dass bei Kunststoffrohren, durch die Staubmaterialien oder Gase transportiert werden, ein statischer elektrischer Entladung auftritt. Der Oberflächenwiderstand liegt bei etwa 10¹⁴ Ohm und hängt vom Grad der Verschmutzung der Oberfläche und vom Prozentgehalt der Luftfeuchtigkeit ab.

 

Im Hinblick auf das Entwurf der Rohrleitung ist die lineare thermische Ausdehnung von großer Bedeutung. Die thermische Ausdehnung ist bei Kunststoffen zehnmal größer als bei Stahl oder Kupfer. Wird diese Eigenschaft des Kunststoffs beim Planer nicht vollständig berücksichtigt, entstehen viele Probleme, die nur durch eine Neuanordnung der Rohrleitung beseitigt werden können.

 

Der Wärmeleitkoeffizient von Kunststoffen ist sehr gering, doch auch dieser Umstand berechtigt uns nicht, auf die Wärmedämmung bei Kunststoffrohren zu verzichten. Kunststoffrohre können nicht als Wärmedämmmaterialien eingeordnet werden, und viele Kunststoffleitungen erfordern direkt eine allgemeine Dämmung.

 

 

Grundlegende Daten bei der Verwendung von Kunststoffrohren

 

Ein wichtiger Faktor, der die Verwendung von Kunststoffrohren beeinflusst, ist ihre Lebensdauer. Früher sprach man von einer Lebensdauer von 50 bis 60 Jahren unabhängig von den Betriebsbedingungen und der Art des verwendeten Kunststoffs. Heute ist es offensichtlich, dass diese Grenze der Lebensdauer nach unten verschoben werden muss und sie sehr streng im Einklang mit dem verwendeten Kunststoff und den Betriebsbedingungen, denen der Kunststoff ausgesetzt ist, beurteilt werden muss. Bei der Betriebsführung wird das Kunststoffrohr gleichzeitig durch Betriebsdruck und Betriebstemperatur beansprucht. Da das gleichzeitige Wirkung von Druck und Temperatur eine sehr bedeutende Tatsache ist, wird in der Praxis eine minimale Lebensdauer der Leitung festgelegt. Diese Lebensdauer wird in Abhängigkeit von den beiden oben genannten Parametern gemäß experimentell ermittelten Isothermen bestimmt. Die Spannung in der Rohrwand, die auf die y-Achse aufgetragen wird, hängt direkt proportional vom Außendurchmesser des Rohres, der Wanddicke und dem inneren Überdruck ab und umgekehrt proportional von der doppelten Wanddicke ab.

 

Kunststoffrohre werden in dieser Reihenfolge hergestellt: PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.

 

Die Zahl hinter der Abkürzung PN gibt den maximalen Betriebsdruck (Pa) bei einer Wassertemperatur bis 30 °C über 50 Jahre an. Daraus folgt, dass bei geplanten höheren Temperaturen für denselben Druck und dieselbe Lebensdauer ein höherer Druckbereich gewählt werden muss, da mit steigender Wassertemperatur der maximale zulässige Betriebsdruck abnimmt.

 

Kunststoffrohre werden in der Millimeterreihe bezeichnet. Die Bezeichnung sollte folgende Angaben enthalten: Name des Herstellers, Materialbezeichnung, Außendurchmesser oder Innendurchmesser x Wanddicke, Betriebsdruck/Temperatur, Herstellungsdatum, Rohrbezeichnung, ggf. Registrierungsnummer.

 

Man kann Kunststoffrohre miteinander, Kunststoffrohre mit Rohren aus anderen Materialien, Rohre mit Formteilen, Rohre mit Armaturen oder Rohre mit Verbrauchseinrichtungen verbinden. Dazu wird ein ganzes System zur Rohrverbindung verwendet. Die Verbindungen müssen bestimmte Anforderungen erfüllen, weshalb sie hinsichtlich Druckbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit oder chemischer Beständigkeit überprüft werden, wobei Funktionalität und Dichtheit der Verbindung verlangt werden.

 

 

Durchdringung von Sauerstoff durch die Wände von Kunststoffrohren

 

Über Polyolefinrohre für die Heizung wird oft diskutiert, sie sind Maßstab der Qualität des gesamten Systems und Ziel seiner Zweifel. Deshalb müssen sie besondere Aufmerksamkeit erhalten.

 

Ein aktuelles Problem, dem heute besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird, ist die Diffusion von Sauerstoff durch die Wände von Kunststoffrohren.

 

Es stellte sich heraus, dass Moleküle der Luft, insbesondere Sauerstoff, durch das Gitter des Kunststoffs dringen und schließlich in das Heizwasser gelangen. Das Heizwasser, ständig mit Sauerstoff gesättigt, wird dann gegenüber Metallen sehr aggressiv. Die Menge des eingedrungenen Sauerstoffs hängt von der Art des Kunststoffs und der Temperatur ab. Weiterhin stellte sich heraus, dass Druckveränderungen bei höheren Temperaturen eine Neigung zur Bildung von Ermüdungsoberflächenrisse auslösen, wodurch die Sauerstoffdiffusion zunimmt. Da Moleküle mit kleinerem Atomradius leichter in das Gitter aus Atomen mit größerem Radius diffundieren, kam man zunächst zur Vernetzung von Kunststoffen. Damit gelang es zwar, die Bildung von Ermüdungsoberflächenrisse fast vollständig zu verhindern, doch die Sauerstoffdiffusion ließ sich nicht ganz verhindern. Deshalb führte der weitere Entwicklungsrichtung zur vollflächigen Ummantelung von Kunststoffrohren mit einer Schicht aus speziellen Polymeren, die als Diffusionsbarriere dienen. Die prozentuale Wirkungsgrad und die Lebensdauer dieser Barriere hängen jedoch vom verwendeten Polymer ab.

 

Die Sauerstoffdiffusion kann durch Trennung der Heizkreise vom Kreislauf mit der Pumpe, Erhöhung der Wanddicke der Rohre oder Zugabe eines Oxidationsinhibitors zum Heizwasser eingeschränkt werden.

 

Schließlich muss man die Regel erwähnen, dass die Ursache dieses Problems im Betriebszustand des Fußbodenheizungssystems liegt, das dauerhaft in der Bodenkonstruktion eingebettet ist. Aus diesem Grund besteht das Bestreben, den Kunden und Nutzer von der Zuverlässigkeit und Sicherheit des Heizsystems zu überzeugen, damit sie keine Sorgen um mögliche Schäden an der Rohrleitung haben. Eine der traditionellen Ursachen ist die Korrosion von metallischen Teilen von Anschlüssen und Heizsystemkomponenten, da die Rohre aus Kunststoff sind.

 

Die Lösung fand sich wie folgt. Renommierte Firmen verwenden grundsätzlich Kupferlegierungen, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Korrosion minimiert wird. Weiterhin beginnt man, um die Möglichkeit des Transports von Verschmutzungen, insbesondere aus der Wärmequelle, die möglicherweise einer Niedertemperaturkorrosion ausgesetzt ist, zu verhindern, die Einbindung des Heizsystems über einen Wärmetauscher zu fördern, also die Trennung des primären Kesselkreislaufs vom sekundären Kreislauf der Fußbodenheizfläche. Und schließlich, um absolute Sicherheit zu gewährleisten, versucht man, die Möglichkeit des Eindringens von Sauerstoff direkt durch die Wände der Kunststoffrohre, also durch eine zusätzliche Schutzschicht – die Sauerstoffbarriere – auszuschließen. Es sind bereits extreme Lösungen bekannt, bei denen sogar eine dritte Schicht auf Metallbasis hinzugefügt wird.

 

Also hängt die Problemstellung der Sauerstoffdiffusion immer vor allem von den konkreten Bedingungen der Anwendung sowie von der Finanzkraft des Investors ab. In Deutschland, wo Fußbodenheizung am häufigsten genutzt wird, bietet etwa 60 % der Firmen Rohre mit Sauerstoffbarriere an.

 

Wichtig ist jedoch, dass im Moment, angesichts des Mangels an konkreten Fällen aus der Praxis, die Forschung zur Nichtverwendung der Sauerstoffbarriere andauert.

 

 

Trends bei der Anwendung von Kunststoffen

 

EU – der Gesamtmarkt wird auf etwa 230 Mio. m Rohre geschätzt, wovon mehr als die Hälfte Kupfer ist, wobei der meist verwendete Kunststoff vernetzter PE (70 %), gefolgt von PPC (15 bis 20 %) und PB (5 bis 10 %) ist,

Österreich – Stahl und Kupfer bilden mehr als 55 %, der Rest sind Kunststoffe,

Schweiz – Kunststoffe bilden bis zu 74 % des Marktes, werden vor allem für Fußbodenheizung genutzt, Verbrauch 4,6 m pro Einwohner (Jahr max. PEX; PPC und PB sind 4-mal niedriger als PEX),

Niederlande – Kunststoffe 10 % bei Sanitärtechnik, 10 % bei Heizung, wobei PEX 60 %, PP und PB deutlich weniger (1 bis 2 %).

 

Bei der Verwendung von Kunststoffen für Rohrleitungen in Gebäuden geht man von einer Lebensdauer von 50 bis 55 Jahren aus, d.h. Austausch der Installation einmal während der Lebensdauer des Gebäudeobjekts.

 

Die Entwicklung auf dem Kunststoffmarkt in der EU, Österreich und der Schweiz bestätigt die vollständige Gleichwertigkeit zwischen Rohrleitungen auf traditioneller metallischer Basis und auf Kunststoffbasis, deren Anteil zwischen 40 und 75 % liegt.

 

Die dominierende Stellung bei der Produktion von Rohrmaterialien hat allgemein vernetzter Polyethylen, bis zu 70 %, wobei Polypropylen und Polybuten gleichwertig im Folgeverlauf sind.

 

 

KOMBIROHRE FÜR FUSSBODENHEIZUNG

 

In den letzten Jahren beginnt man hier bei uns vermehrt mehrschichtige Rohre zu verwenden, also Rohre aus verschiedenen Materialien. Eine mehrschichtige Rohrleitung besteht aus einer Grundkunststoffrohrleitung, einer Aluminiumhülle mit längs verschweißtem Naht und einer Schutzschicht aus Kunststoff. Die gute Haftung beider Kunststoffschichten an der Aluminiumfolie wird durch eine spezielle Haftschicht gewährleistet.

 

Kombinierte Rohre kompensieren den Nachteil von Kunststoffrohren hinsichtlich der thermischen Längenausdehnung. Die Werte der thermischen Längenausdehnung nähern sich den Werten, die für Aluminium angegeben werden, z. B. geben Hersteller den Wert 0,025 mm.m-1.K-1 an. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Rohr in größerem Abstand befestigt werden kann, da die Durchbiegung nach dem Befüllen mit Wasser geringer ist. Diese Rohre zeichnen sich durch eine vergleichsweise hohe Steifigkeit aus, behalten jedoch gleichzeitig eine erhebliche Biegsamkeit bei. Mehrschichtrohre werden mechanisch oder durch Polyfusionsschweißen mit Profilen verbunden. Vor dem Schweißen müssen alle Schichten bis auf die Grundkunststoffrohr entfernt werden.

 

 

 

Verwendete Literatur:

Dušan Petráš: Fußbodenheizung

Dušan Petráš: Niedertemperaturheizung und erneuerbare Energien