Wärmeübergabesysteme kombinieren
Für die Wärmeübergabe an den Raum gilt eine außentemperatur- oder witterungsgeführte Zentralregelung, welche die in Abhängigkeit der Außentemperatur notwendige Vorlauftemperatur zur Verfügung stellt. Die Aufgabe ist, gemeinsam mit dem notwendigen Massestrom über die Wärmeübergabe die jeweilige Heizlast zu kompensieren.
Neben der grundlegenden Bereitstellung von Wärme sind für die Wärmeübergabe ein oder mehrere Wärmeverteilkreise notwendig. Dabei gilt, dass sämtliche Wärmeübergabekreise eines Wärmeverteilkreises denselben Systemtemperaturen der Auslegung unterliegen. Wärmeübergabesysteme unterscheiden sich traditionell in ihren Leistungsbezügen durch ihre Systemtemperaturen und den darin festgelegten maximalen Vorlauftemperaturen entsprechend der gewählten Heizkennlinie. Der Mischer im Wärmeverteilkreis ist ein Mischventil und stellt jene Vorlauftemperatur dynamisch angepasst bereit.
Unterschiedliche Systemtemperaturen
Die Bezeichnung „gemischter Heizkreis“ resultiert aus der Tatsache, dass die entsprechend der Kennlinie festgelegte Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur aus dem Vorlauf der Wärmebereitstellung/Wärmeerzeugung und dem Rücklauf des jeweiligen Heizkreises „gemischt“ wird, wie in Abbildung 1 zu sehen ist.
Entsprechend den Systemtemperaturen unterscheiden sich auch die Bezeichnungen wie Mitteltemperatursystem von 45 °C bis max. 55 °C Vorlauftemperatur und das Hochtemperatursystem mit mehr als 55 °C maximaler Vorlauftemperatur im Auslegungsfall. Für den Wohnbereich sind Hochtemperatursysteme kaum noch zeitgemäß, da die heutigen Anforderungen des Mindestwärmeschutzes sich deutlich auf die Heizlast eines Gebäudes auswirken. Selbst Wärmeübergabesysteme der Mitteltemperatur werden meist nur bei besonderen Anforderungen angewandt.
Die entsprechend der Auslegung gewählte maximale Vorlauftemperatur ist also ein wesentlicher Unterschied, der bei der Kombination von Wärmeübergabesystemen grundsätzlich zu berücksichtigen ist. Dementsprechend gilt es die Wärmeübergabesysteme nach ihrer Auslegungsvorlauftemperatur zu unterscheiden.
Bei den Flächenheizungssystemen ist es naheliegend, Decken und Bodenheizung über einen Heizkreis zu betreiben. Natürlich kann über diesen Kreis auch eine Wandheizung betrieben werden. Allerdings stellt die Wandheizung dahingehend eine Ausnahme dar, dass diese keiner maximalen Oberflächentemperatur unterliegt.
Somit steht der Wandheizung ein größeres Vorlauftemperaturspektrum zur Verfügung, welche bei Bedarf bis zum Mitteltemperatursystem ausgereizt werden kann, bis hin zur hydraulischen Kombination mit Mitteltemperatur-Heizkörper über einen Wärmeverteil-/Heizkreis.
Die Wärmeverteilung
Die Wärmeverteilung erfolgt bei der Flächenheizung/-kühlung bei Bedarf in zwei unterschiedliche Richtungen über einen Wärmeverteilkreis (umgangssprachlich auch gemischter Heizkreis genannt), der in den jeweiligen Wohn- oder Nutzeinheiten entweder a) einen Heizkreisverteiler oder b) dezentral geregelte Wärmeübergabesysteme versorgt. Allesamt mit einem entsprechenden Massestrom, um von dort aus in entsprechenden Teilmasseströmen die einzelnen Wärmeübergabekreise aus der Wärmebereitstellung zu versorgen.
Nicht nur bei Systemen der Flächenheizung/-kühlung, sondern auch bei Heizkörpern und Konvektoren hat sich der Heizkreisverteiler als zentrale Schnittstelle von Wärmeverteilung zur Wärmeübergabe etabliert. Grundlage jeder Wärmeverteilung ist eine direkte Leitungsführung mit möglichst geringen hydraulischen Widerständen. Bei einem Heizkreisverteiler für die Flächenheizung/-kühlung befinden sich die Ventile zur Feineinstellung des hydraulischen Abgleichs immer zentral am Heizkreisverteiler der jeweiligen Wohn- bzw. Nutzungseinheit ebenso wie diverse Stellmotoren der Einzelraumregelung und die alles verbindende Regeleinheit.
Im Niedrigtemperaturbereich können alle Flächenheizungssysteme miteinander kombiniert werden. Ebenso lassen sich moderne Gebläse-Konvektoren in diesen Temperaturbereich integrieren. Herkömmliche Konvektions- und/oder Röhrenheizkörper benötigen jedoch eine deutlich höhere Auslegungsvorlauftemperatur. Eine niedrige Vorlauftemperatur mit einer größeren Wärmeübertragungsfläche kompensieren zu wollen, verlangt übergroße Heizkörper mit oft mäßigem Erfolg.
Natürlich können in Wohn- und Nutzungseinheiten auch Flächenheizungen mit Heizkörpern kombiniert werden. Bei kleinen Anlagen, wie beispielsweise der Fußbodenheizung im Badezimmer oder Duschbad, kann ein Temperaturbegrenzer in die Anschlussarmatur integriert werden, der die Vorlauftemperatur eines Mitteltemperatursystems für moderne Heizkörper für die Fußbodenheizung begrenzt. Bei größeren Flächen aber sollte ein eigenständiger Heizkreis mit Pumpengruppe und Drei-Wege-Mischer installiert werden. Des Weiteren ist bei solchen Konstellationen auf den Regelkomfort der beiden Wärmeübergabesysteme zu achten.
Der Heizkörper im Bad
Selbst wenn die gesamte Wohnung mit einer Flächenheizung/-kühlung ausgestattet ist, haben sich zusätzlich Heizkörper im Bad (Badheizkörper) als eine eigene Art der Wärmeübergabe etabliert. Entsprechend ihrer landläufigen Bezeichnung Badehandtuch-Heizkörper sollen diese oft nicht nur die Komfortwärme sicherstellen, sondern auch das Trockenen von Handtüchern und dergleichen unterstützen. Ebenso ist aber auch die Fußbodenheizung in Badezimmern sehr beliebt und wird sehr oft mit einem Badheizkörper „kombiniert“. Diese Kombination beinhaltet auch das Regelverhalten. Anhand dieses Beispiels zeigen sich die unterschiedlichen Definitionen der „Kombination“ von Wärmeübergabesystemen in Last- und Nutzungsprofil, Ausstattung und Komfortanspruch sowie die Anlagenhydraulik und Regelungsstrategie.
Die Fußbodenheizung sollte auch dann in Betrieb gehen können, wenn der Heizkörper aus ist. Die Nutzungsanforderungen an einen Heizkörper im Badezimmer zeichnen sich durch einen Bedarf aus, der konkret während der temporären Nutzungszeit des Badezimmers gefordert wird, aber nicht ständig. In diesem Sinne liegt es nahe, dass die Fußbodenheizung stetig in Betrieb ist, um mindestens die Grundlast des Raumes (z. B. 20°C) sicherzustellen. Während der Nutzung kann der Heizkörper aufgedreht werden, um die gewünschte Komfortwärme beizusteuern und das Trocknen von Handtüchern zu begünstigen.
Es sei dahingestellt, wie viel ein Badheizkörper zur Trocknung von Handtüchern beiträgt, aber die Komfortwärme ist mit einer Flächenheizung auch möglich, z.B. mit einer ergänzenden Wandheizungsfläche. Eine Wandheizung kann sowohl im Duschbereich installiert werden oder auch an der freien Wand, an der vielleicht ein Handtuchhalter montiert ist. Die Flächen einer begehbaren Dusche sollten durchaus in eine Fußbodenheizung integriert werden. Mit einer Wandheizung kann eine begehbare Dusche ergänzt werden.
Kombination verschiedener Flächenheizungssysteme
Natürlich kann – abgesehen von wenigen Ausnahmen – mit einem Niedrigtemperatursystem zur Wärmeübergabe an den Raum die gesamte Heizlast kompensiert werden. Eine Fußbodenheizung kann sehr gut mit einer Wand- oder Deckenheizung kombiniert werden und dabei unterschiedliche Ziele gleichzeitig verfolgen. Entweder wenn die Fußbodenheizung allein nicht ausreicht oder wenn in manchen Räumen anstelle der Fußbodenheizung, z. B. wegen ungeeignetem Bodenbelag, eine Wand- oder Deckenheizung installiert wird. Der Bodenbelag ist ein nicht zu unterschätzender Faktor der Wärmestromdichte an den Raum, wie die stoffbezogenen Kennlinien im nebenstehenden Diagramm der Abbildung 6 zeigen.
Um erhöhte Wärmeleitwiderstände nicht mit der Erhöhung der Vorlauftemperatur kompensieren zu müssen, sollte bei Fußbodenheizungen bereits bei der Planung darauf geachtet werden. Mineralische und keramische Bodenbeläge verfügen über den geringsten Wärmeleitwiderstand und bieten somit die höchste Effizienz in der Wärmeübergabe an den Raum, vor allem wenn man über diese Flächen auch zu kühlen gedenkt. In anderen Räumen mit keramischen oder mineralischen Bodenbelägen (Dielen, Flure, Hauswirtschaftsräume usw.) macht eine Fußbodenheizung ebenso Sinn. Längst haben sich für die Modernisierung auch Fußbodenaufbauten und Wärmeverteilschichten mit sehr geringen Ausbauhöhen etabliert.
Während bei Holz- oder Teppichböden ein zusätzlicher Wärmeleitwiderstand über der Wärmeverteilschicht die Wärmestromdichte beeinflusst, kann in solchen Räumen die Wärmeübergabe über Wand- und/oder Deckenflächen erfolgen, welche sich mit den thermischen Eigenschaften von Holz ideal ergänzen.
Weitere Kombinationsmöglichkeiten bestehen, wenn unterschiedlich definierte Lasten zu kompensieren sind. Eine Flächenheizung kann auf niedrigstem Temperaturniveau eine Grundlast kompensieren und dabei die solarthermische Deckungsrate zur solaren Heizungsunterstützung deutlich erhöhen.
Die Spitzenlast hingegen wird bei Bedarf von sekundären Wärmequellen (z. B. Holzofen) kompensiert. Mit einer solchen lastbezogenen Aufteilung kann dem klimatischen Anforderungsprofil während der Heizperiode optimal entsprochen werden. Den größten Teil der Heizlast bildet die Grundlast ab, der folgt zu einem weiteren Anteil die Mittellast. Die Spitzenlast, also der Auslegungsfall, tritt nur wenige Wochen während der Heizperiode auf.
Kombination eines Flächenheizungssystems mit Heizkörpern
In vielen Bestandsgebäuden der 1980er Jahre befinden sich neben den Heizkörpern auch Fußbodenheizungen installiert. Die Fußbodenheizung befindet sich da zumeist in den Wohn- und Aufenthaltsbereichen. Nebenräume und Schlafzimmer hingegen sind mit Heizkörpern bestückt.
In solchen Gebäuden stellt sich neben der Instandhaltung spätestens bei einer Modernisierungsmaßnahme die Frage, wie mit dem Wärmeübergabesystem umzugehen ist. Oft fehlen bei der Fußbodenheizung die Möglichkeiten einer Einzelraumregelung, wie sie die EnEV vorschreibt.
Die bestehende Fußbodenheizung kann optimiert werden und z. B. um eine Wandheizung anstelle der Heizkörper ergänzt werden. Aber auch in modernen Neubauten ist eine Kombination von Flächenheizung und Heizkörper möglich.
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Fazit
Die Wandheizung unterliegt im Gegensatz zur Fußboden- und Deckenheizung keiner maximalen Oberflächentemperatur. Dementsprechend kann auch die Vorlauftemperatur jenseits der 35 °C höher gewählt werden. Wandheizungssysteme können auch in einem Mitteltemperatursystem mit einer maximalen Vorlauftemperatur bis zu 50 °C wie moderne Heizkörper auch betrieben werden.
Dieser Artikel von Frank Hartmann ist zuerst erschienen in SBZ-Monteur-Ausgabe 9/2020. Frank Hartmann ist Referent des Fachbereichs Flächenheizung/-kühlung im Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie (BDH).
