Heizungsboden – wie geht das

Stört Sie die Frage Fußbodenheizung - wie geht das? In diesem Fall sind Sie an der richtigen Stelle!

Niedrigtemperaturheizung in Kombination mit erneuerbaren Energien kann zur Wärmeversorgung aller Räume genutzt werden, in denen Heizsysteme mit Strahlungsheizflächen eingesetzt werden. Anwendungsmöglichkeiten dieser Systeme mit geringem Energiepotential sind besonders geeignet für:

• Einfamilien- und Mehrfamilienhäuser,

• spezielle Räume im Wohnungsbau,

• Hallenobjekte,

• landwirtschaftliche Anlagen.

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Einfamilien- und Mehrfamilienhäuser sind der häufigste Anwendungsfall für Niedrigtemperaturheizung beziehungsweise für Systeme wie Solaranlagen, Geothermie und Wärmepumpen, da sie dem Eigentümer ermöglichen, eine saubere architektonische Lösung für den beheizten Innenraum mit gleichzeitig energieeffizienter Betriebsweise und optimaler thermischer Behaglichkeit zu kombinieren.

Ein Gebäude mit Niedrigtemperaturheizsystem muss jedoch folgende Voraussetzungen erfüllen:

• Der Wärmeverlust des beheizten Gebäudes muss so gering wie möglich sein (15 - 20 W. m- 3),

• Der beheizte Raum muss einen solchen Wärmeverlust aufweisen, der durch die Heizfläche mit ihrer Leistung abgedeckt werden kann, ohne dass die hygienisch zulässige Oberflächentemperatur der Heizfläche (Boden, Wand, Decke) überschritten wird,

• Wenn der Wärmeverlust größer ist als die erreichbare Leistung der Heizfläche, muss der Wärmewiderstand der umgebenden Konstruktionen durch zusätzliche Isolierung erhöht werden, oder der fehlende Leistungsaufwand muss durch eine Strahlungsheizfläche in einer anderen Fläche oder durch eine Heizkörperanlage abgedeckt werden.

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Heizung in einem Niedrigenergiehaus

Wenn es um die Anwendung von Niedrigtemperaturheizung mit erneuerbaren Energien in einem Niedrigenergiehaus geht, ist es zunächst notwendig, die Anforderungen zu definieren, anschließend die Energiebilanz sowie den thermischen Zustand der beheizten Innenräume zu analysieren.

Anforderungen an ein Niedrigenergiehaus

Die Reduktion des Energieverbrauchs bei der Gebäudebetriebsführung durch ein umfassendes Programm zur Energieeffizienz führt zur Entwicklung und zum Entwurf eines Niedrigenergiehauses. Dieser Zustand kann auf zwei Arten erreicht werden:

• durch die Reduktion der Wärmeverluste durch Wärmeübertragung und Lüftung, zusammen mit der passiven Nutzung der Solarenergie durch gewöhnliche Bauteile, z. B. Fenster, verglaste Wände

• durch die Nutzung erneuerbarer Energien, insbesondere Solarenergie, Geothermie und Umweltenergie mithilfe aktiver Systeme mit niedrigem Energiepotential.

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Thermischer Zustand in einem Niedrigenergiehaus

In sehr gut isolierten Gebäuden ist die Temperatur des Heizmediums und der Temperaturgradient deutlich niedriger als bei traditionellen Gebäuden, während die inneren Oberflächentemperaturen der äußeren Wände höher sind. Im Innenraum entsteht ein homogener thermischer Zustand, wodurch unerwünschte vertikale und horizontale Temperaturunterschiede, strahlungsbedingte Temperaturasymmetrien und übermäßige Luftströmungen, also lokale thermische Unbehaglichkeit, nicht entstehen.

Ergebnisse von Messungen und theoretischen Berechnungen bestätigten, dass in einem Niedrigenergiehaus die Position des Körpers hinsichtlich der Sicherstellung der thermischen Behaglichkeit keine Rolle spielt. Das Hauptproblem ist eine zu große Temperaturschwankung im Innenraum aufgrund von Veränderungen der thermischen Belastung, also Wärmegewinnen durch Menschen, Beleuchtung oder Sonneneinstrahlung. Da die spezifischen Wärmeverluste gering sind, können Veränderungen der thermischen Belastung die resultierende Temperatur des Innenraums stark beeinflussen. Dieser Einfluss hängt vor allem von der thermischen Trägheit des Gebäudes und der Fähigkeit der Regelbarkeit des Heizsystems ab.

Die thermische Trägheit eines Niedrigenergiehauses ist höher als bei einer Standardimmobilie. Temperaturveränderungen der Aussenluft können mithilfe einer ekvitermischen Regelung mit einer charakteristischen Heizkurve kontrolliert werden. Die Effizienz dieser Regelung hängt von der Wahl der Heizkurve abhängig vom Gebäudetyp und der unterschiedlichen Wärmebedarfe in verschiedenen Innenräumen ab.

Der starke Einfluss der Sonneneinstrahlung durch Fenster auf die resultierende Temperatur des Innenraums erfordert weitere Betriebsfunktionen des Heizsystems, die es ermöglichen, die Wärmeleistung zu verändern. Bei Niedrigtemperaturheizsystemen ist der Selbstregulierungs-Effekt aufgrund des geringen Temperaturunterschieds zwischen der Innenraumtemperatur und der Heizfläche von Bedeutung. Es ist eine Kombination dieser Selbstregulierungs-Fähigkeit mit einem Innenraumthermostat erforderlich, das auf der Grundlage der Temperaturkontrolle im Innenraum die Massenstrommenge im Niedrigtemperaturheizsystem regelt.

Bei der Nutzung der nächtlichen Betriebsunterbrechung beträgt der Energieeinsparungseffekt in einem Niedrigenergiehaus 1 bis 3 % des gesamten Energieverbrauchs.

Niedrigtemperaturheizsysteme mit minimierten Wärmeverlusten bei der Wärmeerzeugung (z. B. Kondensationskessel) und bei der Verteilung ermöglichen eine stärkere Nutzung erneuerbarer Energien.

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Beispiele der Anwendung in Einfamilien- und Mehrfamilienhäusern

Bei der Anwendung von Niedrigtemperatursystemen in Einfamilien- und Mehrfamilienhäusern zeigen wir die Realisierung:

• Niedrigtemperaturfußbodenheizung,

• Fußbodenheizung mit Wärmepumpe und Solaranlagen in einem Niedrigenergiehaus,

• Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe,

• Warmwasserbereitung in einem Mehrfamilienhaus mit Solarsystemen,

• Wärmeversorgung zur Heizung und Warmwasserbereitung mit Geothermie.

Niedrigtemperaturheizung mit Wärmepumpe

Die realisierte Heizanlage ist in einem Souterrain-Einfamilienhaus mit bewohntem Dachboden. Die Heizanlage ist eine Zentralheizung mit einem Temperaturabfall von 80/60 °C, die ursprüngliche Wärmequelle war ein Festbrennkessel. Die Quelle der Niedrigtemperaturwärme ist Abwasser mit einer Temperatur von 40 bis 46 °C.

Ursprünglich wurden sowohl eine monovalente als auch eine bivalente Betriebsalternative des Geräts erarbeitet, der Investor wählte und realisierte die monovalente Betriebsart der Wärmepumpe. Aus diesem Grund war es notwendig, den Temperaturabfall entsprechend der maximalen Austrittstemperatur des Kondensators der Wärmepumpe zu ändern, in diesem Fall auf Werte von 55/43 °C. Zu diesem Zweck war es notwendig:

• die Wärmeverluste des Gebäudes zu reduzieren,

• die Heizfläche entsprechend dem neuen Temperaturabfall zu vergrößern.

Die Primäranschlussstelle für die Geothermieanbindung liegt in etwa 100 m Entfernung vom Gebäude. Zwei Anschlussrohre aus Polyethylen sind frei in der Erde verlegt. Aufgrund der Aggressivität des Geothermie-Wassers war es notwendig, einen Zwischenkreis auf der Verdampferseite der Wärmepumpe einzubauen. Der Zwischenkreis mit eigenständiger Zirkulation enthält einen Plattenwärmetauscher. Der Temperaturabfall für den Verdampfer der Wärmepumpe beträgt dann 20/15 °C.

Die Wärmepumpe mit einer Wärmleistung von 20 kW ist mit zwei hermetischen Kompressoren ausgestattet. Der elektrische Anschluss ist 5,5 kW und das erreichbare Leistungszahl der Wärmepumpe beträgt etwa 3,2. Die tatsächlich erreichbaren Werte der Leistungszahl dieser Wärmepumpe, die mit R 22 arbeitet, liegen zwischen 3,5 und 4,5. Hinter der Wärmepumpe ist auf der Kondensatorseite im Wasserkreis eine Ausgleichsbehälter mit einem Volumen von 0,3 m3 eingebaut, aus dem das warme Wasser in das Heizsystem verteilt wird. Zum System der Wärmepumpe gehören auch die notwendige Steuerung, eine ekvitermische Regelung mit der Möglichkeit der Tages- und Nachtluftdämpfung und vieles mehr. Für Notfälle bleibt die Anbindung an die bestehende Wärmequelle (Festbrennkessel) bestehen. Die Warmwasserbereitung für das Gebäude wird ohne die Nutzung der Wärmepumpe gelöst.

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Bereitstellung von warmem Brauchwasser in einer Wohnanlage mit Solarsystem

Das größte Solarenergiesystem in der Wohnungsbauwirtschaft wurde 1985 in Šurany auf einem Wohnkomplex in der Slowakei realisiert. Für die Bereitstellung von warmem Brauchwasser wurde ein experimenteller Wohnblock mit elf Wohneinheiten und einem Gesamtbedarf von 2000 Litern Wasser ausgewählt.

Der Wohnblock ist ein vierstöckiges Gebäude mit einem Kellergeschoss, in dem sich die Maschinenhalle befindet, und hat eine flache Dachfläche, auf der die Solarkollektoren montiert sind.

Das Solarenergiesystem ist bivalent mit einer kurzfristigen (zweitägigen) Wärmespeicherung. Der experimentelle Wohnblock mit einer Solaranlage zur Bereitstellung von warmem Brauchwasser befindet sich hinsichtlich der Verfügbarkeit von Sonneneinstrahlung in einer Gegend mit der längsten Sonnenscheindauer im Jahr und mit der größten Menge an einfallender Sonneneinstrahlung.

Die Umwandlung von Solarenergie in Wärme erfolgt durch 34 flache Flüssigkeitskollektoren, die auf der flachen Dachfläche montiert sind und in drei Reihen in eine stahlhafte Tragkonstruktion eingebettet sind. Die Rohrleitungen (wärmeisoliert) des Kollektorkreises sind in das Kellergeschoss des Wohnblocks geführt, wo sie an einen Speicher mit einem Fassungsvermögen von 4000 Litern angeschlossen sind. Ein zweiter Speicher mit einem Fassungsvermögen von 2000 Litern, der in Serie geschaltet ist, dient der Nachheizung des durch Solarenergie erwärmten Wassers. Die Speicher sind mit Temperatursensoren ausgestattet und ein Differenzregler steuert deren Befüllung.

Öffentliche Gebäude

Die Möglichkeit der Anwendung von wassergeführter Fußbodenheizung in öffentlichen Gebäuden ist sehr weitreichend (Verwaltungsgebäude, Hotels, Restaurants, Kinos, Theater, kulturelle und soziale Gebäude usw.), jedoch ist sie in den meisten Fällen eng mit der Nutzung traditioneller Heizsysteme verbunden, also sogenannte kombinierte wassergeführte Heizung.

Anforderungen an das beheizte Gebäude

Kombinierte wassergeführte Heizung bietet alle Vorteile beider Systeme, also der großflächigen Strahlungs- und Konvektionsheizung und ist besonders geeignet für beheizte Gebäude, bei denen gilt:

• Die Möglichkeit, große Wärmeverluste abzudecken, wenn die installierte Leistung der Fußbodenheizung allein nicht ausreicht,

• Flexibilität bei der Reaktion auf Veränderungen des Wärmebedarfs durch äußere Wärmequellen (Sonnenstrahlung, Wärme durch Kochen, Wärme durch Menschen usw.), wobei die Fußbodenheizung den Grundbedarf abdeckt und die Konvektionsheizung flexibel auf Temperaturschwankungen reagiert, insbesondere in den Übergangszeiten Frühling und Herbst),

• Die Möglichkeit, die Position und Leistung der Heizkörper flexibel zu ändern, wenn sich die Raumaufteilung oder der Zweck und die Funktion des Raumes ändern.

Kombinierte wassergeführte Heizung

Die breite Materialbasis, fortschrittliche technische Lösungen und neue Installationsverfahren ermöglichen es heute, ein Heizsystem „maßgeschneidert“ zu wählen und zu planen. Eine solche Lösung können beispielsweise kombinierte wassergeführte Heizsysteme auf Basis von Kunststoffen sein, die es ermöglichen, sowohl konvektive als auch strahlende Wärmeabgabe in den Raum sinnvoll zu kombinieren. Mit anderen Worten, traditionelle Heizkörper und strahlende, großflächige Heizflächen gleichzeitig zu nutzen.

Kombinierte Heizung vereint die Vorteile zweier Heizsysteme, also der großflächigen Strahlungsheizung und der Konvektionsheizung und eliminiert deren Nachteile als Einzelanlagen, wobei beide Systeme niederthermisch sind.

Das Heizsystem besteht aus Rohrleitungen zu den einzelnen Verteilern für die Fußbodenheizung und die Konvektionsheizung. Die Verlegung der Heizrohre vom Verteiler zu den einzelnen Heizkörpern wird meist auf zwei Arten realisiert:

• Im ersten Fall, wenn die Rohre in den Boden eingebettet sind, wird die kürzeste Verbindung zwischen Verteiler und Heizkörper erreicht. Diese Lösung wird hauptsächlich in Neubauten angewandt, bei denen die Bodenschicht erst nach dem Verlegen der Rohre aufgebracht wird.

• Die zweite Lösung erlaubt es, die Rohre entlang der Wand entlang des Raumes in einer Bodenleiste zu verlegen. In Gebäuden, in denen ein Austausch des Heizsystems durchgeführt wird, wäre es aufwendig und vor allem nicht wirtschaftlich, Kunststoffrohre zu den Heizkörpern durch den Boden zu verlegen. Dazu wäre eine Demontage der Bodenschicht erforderlich, gefolgt von dem Ausfräsen von Furchen für die Rohre, was die Dauer des Heizsystemaustauschs verlängern und die Investitionskosten erhöhen würde. Deshalb ist es in bestehenden Gebäuden sinnvoll, die Kunststoffrohre vom Verteiler zu den Heizkörpern entlang der Wand in einer Bodenleiste zu verlegen.

Die direkte Anschlussung der Kunststoffrohre an den Heizkörper erfolgt entweder direkt vom Boden oder von der Wand. Der Anschluss von der Wand erfordert zudem das Ausfräsen einer Fuge für die Rohre. Im Fall der Verwendung einer Bodenleiste werden die Rohre direkt aus dieser gespeist. Nach der Art der Anschlussung der Rohre an die Heizkörper unterscheidet man ein- und zweirohrige Systeme. Genau von diesen beiden Systemen hängt auch die Art der Armatur am Heizkörper ab. Möchten Sie Fußbodenheizung - wie geht das ist jedoch eine Frage, die Ihnen nicht den Schlaf rauben? Schlafen Sie jetzt besser!

Wärmequellen für kombinierte Heizung

Alle gängigen wassergeführten Wärmequellen (wassergeführte Kessel für feste Brennstoffe, Gas, elektrische Energie, aber auch erneuerbare Energiequellen und Wärmeübertragungsstationen) sind verwendbar. Von diesen Quellen sind die Kessel für feste Brennstoffe am wenigsten geeignet, da die Möglichkeit der Leistungsregelung begrenzt ist.

Kombinierte wassergeführte Systeme auf Basis von Kunststoffrohren können hinsichtlich der Sicherstellung der erforderlichen Temperatur des Heizmediums, der konstruktiven Ausführung oder des Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Wärmequelle wie folgt gelöst werden:

a) zentraler wassergeführter Wärmequell, der Heizwasser direkt für den konvektiven Kreis herstellt mit Anwendung von Mischung (dreiwegige und vierwegige Armaturen) für den niederthermischen, großflächigen Strahlungsheizkreis;

b) zentraler niederthermischer Wärmequell, der Heizwasser für das gesamte kombinierte niederthermische System herstellt, aber mit zusätzlicher Erhöhung der Heizflächen;

c) zentraler wassergeführter Wärmequell, der Heizwasser direkt für den konvektiven Heizkreis herstellt, aber mit der Anwendung einer Wärmetauschstation für den niederthermischen, großflächigen Strahlungsheizkreis.

Die drei genannten grundlegenden Lösungsmöglichkeiten sind unterschiedlich technisch und materiell aufwendig. Im Moment wird am häufigsten die Alternative a) angewandt, obwohl es sich im Prinzip um zwei getrennte Heizsysteme handelt. Die Alternative b) kann nur für Niedrigenergiegebäude mit spezifischen Wärmeverlusten von 15 bis 20 W. m-3 angewandt werden, da der Wärmeeintrag der Heizkörper reduziert wird. Die Lösung c) ist theoretisch am besten, da sie zwei druck- und temperaturunabhängige Heizkreise schafft, wobei der niederthermische, großflächige Strahlungsheizkreis von Schadstoffen des Kesselkreises abgeschirmt ist und gleichzeitig maximale Widerstandsfähigkeit gegen die Auswirkungen der Sauerstoffdiffusion aufweist.

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Verwendete Literatur:

Dušan Petráš: Niederthermische Heizung und erneuerbare Energiequellen