So funktioniert der HA bestehender Fußbodenheizungen BEG-konform
Nur durch die konsequente Abstimmung all der Systembausteine, deren Kennwerte in den technischen Mindestanforderungen beschrieben werden, kann der Energiebedarf in Wohngebäuden deutlich reduziert und so das Ziel einer klimaschonenden Energieeffizienz erreicht werden. Vor allem bei Fußbodenheizungen im Bestand ist das freilich leichter gesagt als getan. Schließlich bereitet der Abgleich solcher Heizsysteme selbst dem erfahrensten Fachhandwerker häufig Kopfzerbrechen.
Das Ausgangsszenario ist regelmäßig dasselbe: Die Heizfläche liegt verborgen unter dem Estrich und es gibt weder einen Verlegeplan noch eine Dokumentation. Wesentliche Parameter wie die Anzahl der Heizregister, der Verlegeabstand oder die Rohrleitungslänge sind damit unbekannt.
Wie soll jetzt die Heizfläche „bewertet“ und die notwendige Heizleistung ermittelt werden? Auf den ersten Blick scheint diese Aufgabe kaum sachgerecht lösbar. Sie lässt sich aber bewältigen, wenn drei Voraussetzungen erfüllt sind. Der Heiztechniker braucht:
- Ein umfassendes Systemverständnis: Er muss wissen, worauf zu achten ist, damit das System Heizung mit den Bausteinen Wärmeerzeugung, -verteilung und -übergabe als Einheit effizient funktioniert.
- Eine logisch strukturierte Vorgehensweise: Diese ermöglicht es ihm, eine Bestandsanlage trotz fehlender Parameter sinnvoll abzustimmen.
- Ein Werkzeug zur Berechnung: Alles Verständnis und alle Logik nutzen wenig, wenn kein passendes Berechnungstool zur Verfügung steht. Hier spielt auch der Faktor Zeit eine Rolle, denn für jeden Fachmann stellt sich im Alltag zwangsläufig die Frage, wie er möglichst schnell zu einem guten (Berechnungs-)Ergebnis kommt.
Mit raumweiser Heizlastberechnung anfangen
Wie aber lassen sich überhaupt die Parameter berechnen, die zur Wärmeverteilung benötigt werden? A und O ist hier ein strikt logisches Vorgehen. Vermieden werden sollte jedenfalls der Fehler, eine Berechnung auf der Basis von Annahmen und Schätzwerten zu starten. Am Anfang sollte vielmehr immer eine vereinfachte raumweise Heizlastberechnung stehen.
Dies gilt zum einen aus grundsätzlichen Erwägungen, denn ohne Kenntnis der Heizlast ist keine solide Ermittlung der Heizleistung möglich. Zum anderen führt auch unter Förderaspekten kein Weg daran vorbei. Die BEG-Richtlinien verlangen eine Berechnung nach Verfahren B gemäß VdZ-Bestätigungsformular – und damit eine Berechnung unter Berücksichtigung der vereinfachten raumweisen Heizlast.
Bei Bestandsanlagen geht es hier im Wesentlichen um die Ermittlung der Transmissionsverluste auf der Basis von U-Werten nach Baualtersklasse und den Lüftungswärmebedarf. Jeder, der schon Räume mit gleicher Fläche, aber abweichender Anzahl von Außenwänden berechnet hat, weiß aus eigener Erfahrung, dass die errechneten Werte trotz identischer Grundfläche sehr stark voneinander abweichen. Der Fehler, diese Abweichung nicht zu berücksichtigen, zöge sich durch die komplette Berechnung.
Praxistipp: Unbedingt die realen U-Werte und Flächen von erneuerten Fenstern und Teildämmungen mitberücksichtigen.
Benötigte Heizleistung ermitteln
Wie aber ermittelt man nun, welche Heizleistung zur Deckung der errechneten Heizlast benötigt wird? Während diese Berechnung bei Heizkörpern noch recht einfach ist (Maße und Typ bei angenommener Übertemperatur sind auf Basis der VDI 3805 schnell ermittelt), stellt sie bei einer unzureichend dokumentierten Fußbodenheizung im Bestand ein nicht unerhebliches Problem dar.
Doch es gibt einen Ansatz, der bei angemessenem Verhältnis von Aufwand und Nutzen eine ausreichend gute Berechnungsbasis liefert. Als „Norm-Wärmeübertrager“ (Fußbodenfläche) wird dabei das in der Mehrzahl aller Fälle verbaute Nasssystem nach EN 1264 (Typ A) ohne Bodenbelag (!) herangezogen. Auf der Grundlage eines angenommenen Verlegeabstands (z. B. 15 cm) kann man die der Heizlast entsprechende Heizleistung dann einfach über die notwendige Übertemperatur bzw. Vorlauftemperatur ermitteln.
Zu beachten ist dabei: Die Berücksichtigung der Verluste nach unten sowie der unterschiedlichen Bodenbeläge erfolgt primär über eine Anpassung bzw. Erhöhung der Vorlauftemperatur – und nicht über eine Änderung des Massenstroms. Randbemerkung: Rechnet man mit einer variablen Spreizung in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur, verändern sich die berechneten Massenströme je Heizregister nur in vernachlässigbarem Umfang.
Fußbodenheizungen im Bestand: Leitfaden zum hydraulischen Abgleich
- Raumweise Heizlastberechnung nach dem zulässigen, vereinfachten Verfahren B:
Transmissionswärmebedarf und Lüftungswärmebedarf berücksichtigen. Alternativ: Heizlast nach Baualtersklasse, wenn ein automatisches/adaptives Verfahren zum Abgleich verwendet wird. - Ermittlung des Verlegeabstands: Vorschlagswert: 15 cm (entspricht 6,5 m/m²), ggf. Randzonen beachten.
- Aus der Heizlast und dem Verlegeabstand wird die für die benötigte thermische Heizleistung notwendige Vorlauftemperatur bestimmt (Nasssystem, Bodenbelag Stein, Wärmeabgabe nach unten berücksichtigt) und die zwingend zur weiteren Berechnung notwendige Spreizung ermittelt.
- Daraus errechnet sich der notwendige Massenstrom je Heizregister.
- Über die Größe des Heizkreises/Heizregisters (m²), des Verlegeabstands (m/m²) und eines angenommenen Druckverlustes (Vorschlag: 1,5 mbar/m) errechnet sich der Druckverlust je Heizregister.
- Aus den errechneten Werten wird der Gesamtmassenstrom je Verteiler/Anlage und der min. notwendige Differenzdruck (Heizregister mit dem höchsten Druckverlust) ermittelt.
- Daraus ergibt sich noch unter Berücksichtigung der Rohrlänge vom entferntesten Verteiler zur Pumpe die notwendige Förderhöhe der Heizungspumpe.
- Bei Bodenbelägen mit einem erhöhten Wärmedurchlasswiderstand muss die Vorlauftemperatur zunächst rechnerisch erhöht werden.
- Eine endgültige Anpassung kann nur im Betrieb oder durch adaptive Systeme erfolgen.
Weitere Informationen gibt es auch in den Danfoss-Webinaren sowie auf dem Danfoss-Lernportal www.installer.danfoss.com/de
Kein übertriebener Ehrgeiz
Mit der soeben beschriebenen Berechnungsmethode kommt man den zu ermittelnden Massenströmen schon recht nahe. Die weiteren Schritte sind schnell erklärt: Über die grobe Größe der einzelnen Heizregister und den ungefähren Verlegeabstand lassen sich schnell und einfach der benötigte Druckverlust und der Gesamtmassenstrom für die Auslegung der Heizungsumwälzpumpe und den Nachweis im VdZ-Bestätigungsformular ermitteln.
Macht eine noch „genauere“ Berechnung an dieser Stelle Sinn? Die Antwort lautet ganz klar: nein. Niemand hat in der Praxis Zeit für eine detaillierte Ermittlung von Heizregistergrößen. Zudem wird so gut wie nie eine Verlegung mit Normabstand durchgeführt – hierzu auch zwei Stichwörter für den Fachmann: „Platzierung des Verteilers“ und „durchlaufende Leitungen“. Spätestens mit dem Bodenaufbau (Bodenbelag, Dämmung, Möbel, Teppiche) wird hier jede theoretische Berechnung zum Blick in die Glaskugel.
Anpassung der Vorlauftemperatur
Wie wird nun die Vorlauftemperatur angepasst? Unterstützung bietet hier ein von Danfoss entwickeltes Programm zur Nachrechnung einer Fußbodenheizung im Bestand (Bild 2, → www.bit.ly/sbz001). Nach Eingabe der Heizlast und des Verlegeabstandes je Heizkreis (Heizregister) wird ergänzend zu Wassermenge und Druckverlust für vier unterschiedliche Bodenbeläge die einzustellende Vorlauftemperatur näherungsweise ermittelt. Mehr ist nicht erforderlich.
Optimierung durch temperaturbasierte adaptive Verfahren
Angesichts der zahlreichen Unbekannten, die sich in einem unzureichend dokumentierten Bestandssystem verbergen (ein weiterer Parameter ist hier beispielsweise die Trägheit bzw. hohe Speichermasse des Übertragersystems), empfiehlt sich allerdings noch ein zusätzlicher Schritt: die Optimierung der Anlage durch Kombination einer möglichst präzisen Berechnung mit einem temperaturbasierten adaptiven Verfahren.
Einen derartigen automatischen hydraulischen Abgleich ermöglichen smarte Fußbodenheizungssysteme wie Danfoss Icon (Bild 3). Bei diesem Verfahren erfolgt die Auslegung der Armaturen (Begrenzung des Massenstroms) automatisch aufgrund der Systemgrenzen. Das Ergebnis ist ein Durchflusswiderstand, der über die Regelungsgröße der Raumtemperatur für eine korrekte Wassermengenverteilung sorgt und die gewünschte Raumtemperatur sicherstellt. Zu beachten sind hier folgende Punkte:
- Die Berechnung ist und bleibt immer der Basisbaustein. Auch im Bestand müssen die Verteilung und Übergabe analysiert bzw. so gut es geht nachgerechnet werden. Wie soll sonst der Schlechtpunkt ermittelt und schlussendlich die Heizungspumpe ausgelegt werden?
Zusätzlich empfiehlt sich, durch den Einsatz von differenzdruckregelnden Armaturen die Anlage auch im Teillastfall in einen definierten Zustand zu versetzen. Hinzu kommt die Berücksichtigung der optimalen Betriebsparameter eines neuen, durch die BEG geförderten Wärmeerzeugers.Hier ist definitiv eine rechnerische Anpassung bzw. Reduzierung der Vorlauftemperatur notwendig. Das beliebte Gegenargument des überhöhten Aufwands zählt dabei nicht mehr: Mit einem praxisgerechten Berechnungstool, wie es von Danfoss bereitgestellt wird, ist eine Nachrechnung heute schnell erledigt.
- Der ergänzende Einsatz eines temperaturbasierten adaptiven Verfahrens hat vor allem zwei Vorteile: Es können die Systemträgheit (Gebäudemasse und Nasssystem Fußbodenheizung) und damit auch die Zeitkonstante und das Nutzerprofil bezüglich Ein- und Ausschaltzeiten berücksichtigt werden, was bei einer Berechnung kaum möglich ist. Zudem lassen sich durch die automatisierte Anpassung die unvermeidbaren Ungenauigkeiten der Nachrechnung kompensieren.
Dieser Artikel von Bernd Scheithauer ist zuerst erschienen in SBZ 11/2021. Bernd Scheithauer ist Produktingenieur für Wärmeautomatik bei Danfoss.
