Basiswissen: Fußbodenheizung richtig auslegen
Das Verlegen einer Fußbodenheizung ist die eine Sache. Aber wie sieht es aus mit den Einflüssen der einzelnen Komponenten und Betriebsparameter? Das Wissen über die Funktion und Auslegung schwindet. Dafür gibt es zwei Gründe:
- 1. Computersoftware und Apps übernehmen durch gezielte Abfragen und vielfältige standardisierte Vorschläge die Denkarbeit der Auslegung und rechnen abschließend genau aus, was an Material bestellt werden muss.
- 2. Die Hersteller sind sehr oft bereit bei der Auslegung einer FBH die Planung zu übernehmen. Der Handwerker schickt Pläne des Grundrisses eines Hauses und Angaben über die U-Werte der Gebäudehüllflächen und bekommt die fertigen Verlegepläne zurück.
In der Regel zweifelt niemand die Richtigkeit der Verlegepläne oder der vorausgegangenen Computerberechnungen an. Die Zusammenhänge stellt daher kaum noch einer freiwillig her. Dieses Nichtwissen kann in Einzelfällen jedoch nachteilig sein für den Bau und den Betrieb der gesamten FBH-Anlage. Schließlich sind an einem Bauvorhaben meistens viele Gewerke beteiligt. Und ein System aus Kunststoffrohren reagiert empfindlich, wenn Verlegeabstände nicht so genau eingehalten werden, der Estrich dann doch etwas dicker ausgeführt wird als geplant oder im Betrieb der Volumenstrom nicht sauber einreguliert wird.
Nassverlegung ist Standard
Üblich ist in Deutschland die Nassverlegung von FBH. Das später heizwasserführende Rohr wird dabei auf ein System von Dämmung und Halterungen befestigt und anschließend mit Estrich überdeckt.
Der zähe bis pastöse Estrich umschließt das Rohr beim nassen Einbringen, was letztlich zu einer guten Wärmeübertragung führt. Denn am Ende leitet ja der Estrich die Heizungswärme an den Oberboden aus Fliesen, Laminat, Parkett oder Teppich.
Den Estrich kann man nach Bedarf veredeln. Um später hohe Lasten aufbringen zu können oder eine kurze Aushärtungszeit zu erreichen lassen sich entsprechende Estrichkomponenten verarbeiten. Gegenüber einem Standard von 45mm an Estrichüberdeckung lassen sich durch Hinzugabe von Estrichkomponenten auch dünnere Schichten mit gleicher Tragkraft realisieren.
Meist verdichten solchen Mittel den Estrich. Das macht ihn fester und nebenbei auch leitfähiger. In letzte Konsequenz kann eine FBH dann schneller regelbar sein, weil weniger Gewicht aufgeheizt werden muss oder der U-Wert günstiger ist für eine Wärmeleitung.
Heizlastberechnung vorab erstellen
Vor der Auslegung einer FBH muss zuerst ein Ziel formuliert werden, um eine Vorstellung von der zu erreichenden Heizleistung zu haben. Dieses Ziel wird mittels einer Heizlastberechnung bestimmt. Das bedeutet, dass man zuerst über die Hüllflächen eines Raumes und über das Raumvolumen errechnet, welche Leistung denn wohl im Auslegungsfall notwendig sein wird um das Zimmer warm zu kriegen. Bei -12°C Außentemperatur sollten beispielsweise immer noch 20°C in einem Raum erreicht werden.
Hieraus lässt sich eine sogenannte spezifische Heizlast errechnen. Ein Beispiel:
- Ein Zimmer mit 20m2 Grundfläche hat eine Heizlast nach DIN EN 12831 von genau 1100 Watt.
- Will man nun wissen, welche Leistung pro m2eine Fußbodenheizung leisten müsste um das Zimmer zu erwärmen, so erhält man über die Beziehung 1100 Watt geteilt durch 20m2, also 1100 W / 20 m² einen Wert von 55 W/m². Die spezifische Wärmeleistung beträgt also für den Beispielraum 55 W/m².
Würde im Auslegungsfall jeder Quadratmeter der Fläche des Fußbodens 55 Watt Wärmeleistung liefern, so würde die Heizlast vollständig abgedeckt (s. Tabelle unten).
Parameter für die Bestimmung der Heizleistung
Die folgenden 6 Parameter haben Einfluss auf die zu erwartende Heizleistung der fertigen Fußbodenheizung:
1. Rohrart
Ein "dickes" Rohr mit 17mm Außendurchmesser bietet dem Estrich mehr Fläche zur Wärmeübernahme pro laufenden Meter (533,8cm²) als ein "dünnes" Rohr mit nur 12mm (376,8cm²). Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 400 W/(mK) leitet Wärme besser als Polyethylen mit nur 0,035 W/(mK). Kupferrohr mit einer inneren Rauigkeit von 0,0015mm verhält sich gegenüber dem Heizwasser anders als Polyethylen mit der Rauigkeit von 0,007mm.
Vergleicht man diese Unterschiede in den einzelnen Werten, so erkennt man zumindest, dass man nicht sämtliche Rohrarten über einen Kamm scheren kann wenn es um eine FBH geht. Die Entscheidung für den jeweiligen Rohrwerkstoff fällt oft aufgrund gemachter Erfahrungen und abhängig vom Preis des gesamten Systems.
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2. Teilung bzw. Verlegeabstand
Ein sehr wichtiger Faktor ist die Teilung, also der Abstand der auf dem Fußboden fixierten Rohrleitungen zueinander. Wenn in einem Abstand von nur 10cm Rohre zueinander verlegt sind, ist die Leistung höher als bei einem Abstand von 30cm. Enge Verlegung sorgt für hohe Leistung, aber logischerweise auch gleichzeitig für höhere Baukosten. Ein Zimmer mit 20m² Fläche und einem Verlegeabstand von 30cm ist bereits mit 66,7 Meter Rohr ausgelegt, während dieser bei einer Teilung von 10cm ganze 200 Meter Rohr benötigt.
3. Bodenbelag
Wird eine FBH erstellt, soll naturgemäß die Wärme vom Boden kommen. Ist dieser Boden aber mit einem dicken Teppich als letzte Schicht zwischen Estrich und Raum quasi gedämmt, ist der Wärmefluss verzögert.
Ideal wäre bei einer Fußbodenheizung ein Bodenbelag mit geringem Wärmedurchlasswiderstand, z.B. eine dünne Fliese mit 0,015 m²K/W. Ein dicker Teppich hat im Vergleich einen Wert von 0,15 m²K/W. Da der Anlagenmechaniker nicht immer Einfluss hat auf den Bodenbelag kann man natürlich Annahmen treffen. Üblich und durch Hersteller empfohlen wird bei unbekannten Verhältnissen die Annahme mit dem dicken Teppich, also einem Wert von 0,15 m²K/W.
4. Vorlauftemperatur
Wie bei jeder anderen Heizung auch, ist die Vorlauftemperatur entscheidend für die Auslegung. Bei den üblichen Verhältnissen ist diese für eine FBH nach oben begrenzt bei ca. 55°C. Würde man höhere Temperaturen zulassen, so könnte man ggf. nicht mehr die maximal zulässigen Oberflächentemperaturen von 29°C in Aufenthaltszonen einhalten.
Wichtiger als die Maximaltemperatur ist allerdings die kleinste Temperatur mit der man eine Fußbodenheizung bedient. Im Zusammenhang mit der Nutzung von Wärmepumpen und den Vorgaben des Gesetzes zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) hat sich der Ehrgeiz unter SHK-Kollegen entwickelt und verbreitet, Wärmepumpen mit Vorlauftemperaturen bis 35°C zu betreiben.
Das ist dann schon eine heikle Nummer jedes Zimmer eines Hauses erwärmen zu können mit einer so niedrigen Startvorgabe. Man denke nur mal an ein Badezimmer das auf 24°C erwärmt werden möchte und dessen Heizungswasser dann ja nur 11 Grad wärmer einströmt als die Raumtemperatur. In der Praxis ist das meist sehr sportlich und ohne Unterstützung eines zusätzlichen Bad-Heizkörpers nicht möglich. Übrige Räume mit 20°C Raumtemperatur als Vorgabe lassen sich in der Kombination Wärmepumpe und FBH meist ausreichend erwärmen.
5. Bewährte Grenzwerte
Für gewöhnlich lässt man die maximalen Längen eines einzelnen Kreises einer Fußbodenheizung nicht beliebig lang werden. Der eben beschriebene Raum von 20m² Fläche mit einer Teilung von 10cm würde in der Praxis auf mindestens zwei Kreise gesplittet. Jeder Kreis wäre dann immer noch 100 Meter lang, aber diese Länge ist beherrschbar. Eine häufig gewählte maximale Länge beträgt 120m für eine konventionelle FBH.
Eine weitere Grenze beschränkt die maximale Druckdifferenz eines jeden einzelnen Kreises auf 300mbar. Man könnte auch Pumpen bekommen, die mehr drücken, aber diese müssen den enormen Druck die nächsten 30 Jahre aufbringen. Legt man "zahmer" aus, kann die Pumpe kleiner ausfallen und benötigt während des gesamten Betriebszeitraumes weniger Antriebsenergie.
Es ist also auch eine Frage der Baukosten gegenüber den anschließenden Betriebskosten, für welche Druckdifferenzen in den einzelnen Kreisen man die Anlage konzipiert.
6. Normative Grenzwerte
Nach DIN EN 1264 gibt es glücklicherweise Grenzen in Bezug auf die Oberflächentemperatur bei Betrieb einer Fußbodenheizung. Diese liegt für eine Aufenthaltszone bei 29°C. Aufgrund dieser begrenzten mittleren Temperatur ist dann auch die Leistung einer FBH faktisch begrenzt.
Aufenthaltszonen können maximal eine Heizleistung von 100 Watt pro Quadratmeter liefern. Das Zusammenspiel von 29°C Oberflächentemperatur zu 20°C Raumtemperatur gibt ziemlich genau diesen Wert her. Dabei ist unwichtig, ob ein Kupferrohr im Estrich liegt oder PE-Rohr. Es spielt keine Rolle ob man als Wärmeerzeuger eine Wärmepumpe mit nur 35°C im Vorlauf einsetzt oder einen Pellet-Ofen mit 70°C - die Begrenzung der Oberflächentemperatur ist fix.
Die soll natürlich nur als absolute Obergrenze im Auslegungsfall erreicht werden. Faktisch ist es so, dass moderne Häuser die eben zitierten 100 W/m² gar nicht benötigen, sondern eher um die 40 W/m². Dann betragen die Oberflächentemperaturen im Auslegungsfall, also beispielsweise bei -12°C nur noch 24°C. In Altbauten mit hohen spezifischen Leistungsanforderungen werden noch die entsprechend hohen Vorlauftemperaturen bis 29°C aufgerufen.
Ausnahmen für die genannte Temperaturbegrenzung bilden die sogenannten Randzonen von maximal ein Meter Breite. Hier dürfen 35°C erreicht werden. Die spezifischen Leistungen liegen dann auch schon mal bei 160 W/m². Randzonen kann man bei Bedarf z.B. an bodentiefen Fenstern installieren. Meist werden diese als separate Kreise mit engem Verlegabstand realisiert.
Eine weitere Ausnahme ist das Badezimmer, das in der Regel auf 24°C beheizt werden soll. Würde man dort mit 29°C an der Oberfläche operieren, so wäre die Leistung durch die nur noch 5 Kelvin Differenz (29°C – 24°C) sehr eingeschränkt. Sinnigerweise darf ein Bad auch Oberflächentemperaturen von 33°C bieten. Auf diese Weise könnte wiederum in der Spitze 100 W/m² erreicht werden.
Zusammenspiel der Parameter
Als Anlagenmechaniker bringt man nun diese genannten Parameter in eine ausgewogene Balance. Hohe spezifische Leistungen erreicht man durch enge Verlegeabstände und/oder hohe Vorlauftemperaturen. Ist beides ausgereizt oder vom System aus begrenzt, dann kommt der letzte große Einfluss zum Tragen. Man kann das Heizwasser langsam oder schnell durchs Rohr treiben. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten führen zu einer geringen Abkühlung und damit zu einer hohen mittleren Temperatur der verlegten Heizschlangen.
Beispiel: Zwei baugleiche hochwärmegedämmte Wohnhäuser werden jeweils mittels FBH beheizt. In einem Wohnhaus ist eine Pelletheizung (PEL-Haus) im anderen eine Wärmepumpe (WP-Haus) installiert.
Das PEL-Haus könnte systembedingt problemlos mit 50°C beheizt werden. Daher kann die eingebaute Heizung eine große Spreizung vertragen. Selbst wenn sich das Heizwasser von 50 auf 40°C abkühlt, werden die Räume noch warm, denn die mittlere Temperatur läge dann immer noch bei sehr hohen 45°C. Es wären großzügige, weite Verlegeabstände der FBH möglich.
Im WP-Haus hingegen würden nur 35°C zur Beheizung bereitgestellt. Eine große Spreizung ist folglich nicht mehr möglich. Selbst bei sehr geringen Verlegeabständen dürfte sich das Wasser kaum mehr als auf 30°C abkühlen. Dann würde die mittlere Temperatur gerade noch 32,5 °C betragen und dürfte vielleicht ausreichen zur Beheizung.
Zusammenfassend kann man also festhalten, dass großzügige Verlegeabstände möglich sind, wenn die spezifische Heizlast (in Watt pro Quadratmeter) gering ist oder wenn eine hohe Vorlauftemperatur vorliegt. Niedrige Vorlauftemperaturen erzwingen meistens kleine Verlegabstände und gleichzeitig geringe Spreizungen.
