So funktioniert die Auslegung einer Wandheizung

Wohnraum wird in Deutschland überwiegend mit Heizkörpern und Fußbodenheizungen erwärmt. Im Bestand, bei anspruchsvollen Renovierungen oder auf besonderen Kundenwunsch bietet sich auch die Wandheizung an. Im Zuge des verstärkten Einsatzes von Wärmepumpen mit eher niedrigen Vorlauftemperaturen kann es ebenfalls sinnvoll sein, die ­bestehenden Heizflächen durch eine Wandheizung zu ergänzen.

Vorteile der Wandheizung

• Die Wassertemperatur weicht nur geringfügig von der Raumtemperatur ab. Dieser Umstand kommt Wärmeerzeugern mit niedrigen Vorlauftemperaturen entgegen.
• Die Wandheizung hat keine sichtbaren Heiz-­Kühleinrichtungen und bietet ­somit keine Unfallgefahr, ein Vorteil im Bereich von Kindergärten.
• Es wird keine Reinigung notwendig.
• Es wird nur ein Rohrsystem zum Heizen und Kühlen genutzt.

Ein praktisches Einsatzgebiet ergibt sich in Bädern. Hier reicht die Beheizung mit einer Fußbodenheizung teilweise nicht aus, um eine Erwärmung auf 24 °C zu realisieren. Der Handtuchwärmekörper bringt oft auch nicht die gewünschte Restleistung. Abhilfe schafft dann die Wandheizung. Diese kommt mit den Temperaturen der Fußbodenheizung aus und liefert komfortabel die ausstehende Leistung. Die Auslegung einer Wandheizung vollzieht sich meistens in Anlehnung an die DIN EN 1264 Teil 2 und der Heizlastberechnung nach DIN EN 12831.

Wie funktioniert Heizen eigentlich?

Um eine Heizfläche auszulegen, sollte man erst einmal ­wissen, wie das Heizen funktioniert. Heizen geht ­grundsätzlich nur mit einer Temperatur, die höher als die Raumtemperatur des zu beheizenden Raumes ist.

Wir gehen gedanklich von einer Raumtemperatur in einem Versuchsraum aus, die bei 20 °C liegen soll. Jetzt könnte man Luft mit 21 °C einblasen und würde den Raum damit erwärmen oder nur auf Temperatur halten. Je mehr Luft ­eingeblasen würde, je höher wäre die Leistung. Die Übertragungsart wäre Konvektion – und in diesem besonderen Fall erzwungene Konvektion wegen des Einblasens.

Man könnte aber auch eine Fläche in diesem Raum auf 21 °C erwärmen und würde dem Raum damit eine Heizleistung zur Verfügung stellen. Je mehr Fläche erwärmt würde, desto höher wäre wiederum die Wärmeleistung. Diese Übertragungsart vollzieht sich mittels Strahlung. Eine Wandheizung als klassische ­Flächenheizung gibt die Wärme zu einem erheblichen Anteil über Strahlung an den Raum und nur einen geringeren Anteil über freie Konvektion.

Ein wichtiger zweiter Ansatz beim ­Verständnis für das ­Beheizen eines Raumes ist die Temperaturkomponente. Wenn ein glühender ­Metallwürfel mit 70 cm Kantenlänge in den Versuchsraum ­geschoben wird, so erfährt dieser Raum eine ­ungleich höhere Heizleistung als wenn der gleiche Würfel nur 21 °C ­Oberflächentemperatur hätte.

Damit sind die Grundlagen zur Beheizung eines Raumes umrissen.

Spezieller: Mittlere Heizwassertemperatur bestimmen

Als Anlagenmechaniker geht man weder mit glühenden Heizflächen um, noch erwärmt man diese auf nur 1 °C über Raumtemperatur. Die etablierten Wärmeerzeuger liefern eine Vorlauftemperatur von beispielsweise 40 °C. Das Wasser wird dann, im Falle einer Wandheizung, durch das Rohrgeflecht in der Wand geprügelt und kühlt sich dabei ab. Die Temperatur des Heizwassers ist theoretisch nur beim Eintritt in die Wandheizungsfläche 40 °C heiß. Danach wird das Heizwasser immer kühler. Wenn es die Wandheizung verlässt, ist die Temperatur vielleicht schon auf 30 °C abgesunken. Man nimmt dann die goldene Mitte und kann annehmen, dass sich die Wandheizung so verhält, als wäre Wasser von 35 °C durch die Rohre geflossen. Der Mittelwert ergibt sich aus:

(40 + 30) / 2 = 35

Damit hat man die mittlere Heizwassertemperatur bestimmt.

Noch spezieller: Wie viel wärmer als der Raum ist die Wand dann eigentlich?

Entscheidend ist natürlich noch der Zusammenhang aus dem eben durchgeführten Gedankenexperiment. Wie viel Grad ist die Wand nun wärmer als die Raumtemperatur von angenommenen 20 °C. Dies hängt bei einer Wandheizung noch von zwei Faktoren ab. Hat man die Heizrohre tief in einen Putz eingegraben und dann noch einen Wandteppich davor gehangen, so wird die Leistung geringer ­ausfallen als bei einem Heizrohr hinter einer dünnen Gipsschicht. ­Entscheidend ist also auch der Wärmeleitwiderstand der Wandbedeckung.

Als letzter wichtiger Punkt muss klar sein, wie groß der Abstand der in der Wand verlegten Rohre zueinander ist. Sind diese etwa mit einem Meter Abstand verlegt, ergibt sich ein tiefes Temperatur-Tal zwischen den beiden benachbarten Rohren. Ist der Abstand jedoch nur 10 Zentimeter, ist die Fläche zwischen den Rohren entsprechend warm.

Ablesebeispiele für den Heiz- und Kühlfall

Der Zusammenhang der Wärmeleistung einer Wandheizung in Abhängigkeit von

• Raumtemperatur,
• Vorlauftemperatur,
• Rücklauftemperatur,
• Art der Rohrüberdeckung und des
• Rohrabstandes

ist von cleveren Menschen in ein Diagramm (siehe Bild unten) übernommen worden.

Ein einfaches Ablesebeispiel zeigt die Zusammenhänge:

Der Wärmeleitwiderstand des Wandbelages soll 0,10 m²K/W betragen (Waagerechte an Punkt 1) Zur Beheizung eines Raumes mit 20 °C Raumtemperatur soll eine Wandheizung mit einem Verlegeabstand von 10 cm montiert werden (Senkrechte an Punkt 2). Man möchte 10 m² Wandfläche bereitstellen, um insgesamt 800 W Leistung zu erhalten. Das bedeutet, man will eine spezifische Wärmeleistung von 80 W/m² erreichen, denn 800 W / 10 m² = 80 W/m² (Waagerechte durch die Punkte 3).

Welche Bedingungen sind an das Heizsystem zu stellen, wenn eine Spreizung der Vor- zur Rücklauftemperatur von 6 Kelvin einzuhalten ist?

Der Treffpunkt der Senkrechten und Waagerechten durch die Punkte 2 und 3 verläuft im Ablesebeispiel zwischen 20 und 25 K (gedachte Kurve). Ohne einen Anspruch an höchste Genauigkeit kann man 23 für diese gedachte Kurve festlegen. Jetzt sollten die logischen Schlussfolgerungen aus dem ­Vorgeplänkel helfen, die richtigen Erkenntnisse zu ziehen. Die Übertemperatur des Heizwassers ergibt sich ja aus der Differenz zwischen Raum- und mittlerer Heizwassertemperatur. Das bedeutet bei einer vorgesehenen Spreizung von 6 K und 20 °C Raumtemperatur eine Vorlauftemperatur von

20 °C + 23 K + 6 K / 2 = 46 °C

Für die genannten Vorgaben müsste man also eine Vorlauftemperatur von 46 °C wählen.

Und Kühlen?

Sinngemäß funktionieren die Gedankengänge zum Kühlen eines Raumes ebenso wie beim Erwärmen. Auch hier soll ein Ablesebeispiel Klärung schaffen. Ziel soll es sein rund 21 W je m² an Kühlleistung zu erzielen (Waagerechte durch die Punkte 4).

Die tiefste Temperatur des Vorlaufs liegt bei 20 °C wobei eine Spreizung von 2 K eingehalten werden soll. Dies ­ergibt eine mittlere Temperatur von 21 °C. Die Raumtemperatur soll im Kühlbetrieb für 26 °C vorgesehen werden. Die Differenz zwischen Raumtemperatur und mittlerer Heizwassertemperatur liegt also bei 5 K (Senkrechte durch Punkt 5).

Die Überdeckung der Wandtemperierung soll einen Wärmeleitwiderstand von 0,05 m²K/W nicht überschreiten (Waagerechte durch Punkt 6).

Der Verlegeabstand kann aus dem Diagramm abgelesen werden und liegt bei 10 cm.

Großzügig genau auslegen

Natürlich macht man bei diesen Auslegungen nicht immer eine Punktlandung bei den Ablesewerten. Vielmehr hat man öfters die Qual der Wahl. Eine ­Wandheizung ist aber eben auch kein Standardprodukt für Bauherren, die sehr knapp rechnen müssen. Daher bewegt man sich im Zweifel hin zu kleinen Verlegeabständen die dann unter Umständen auch noch Reserven bieten. Aber aufgepasst beim Kühlen! Man sollte keine beliebig tiefen Temperaturen fahren. Die Gefahr der Tauwasserbildung bei Unterschreitung der Taupunkttemperatur setzt Grenzen.

Erkenntnis

Hat man einmal begriffen, worauf es beim Heizen insgesamt ankommt, verliert auch die Auslegung einer Wandheizung ihre Schrecken. Die Vorgehensweise ist meistens so, dass man sich eine spezifische Leistung vornimmt und den ­Wärmeerzeuger zu dieser Heizung kennt. Anhand des Wärmeerzeugers ergibt sich eine Vorlauftemperatur. Der Rest entwickelt sich bei der Durcharbeitung des Diagramms. – Beginnen Sie mit dem Raum, für den Sie die höchste ­spezifische Leistung liefern müssen. Alle anderen Räume ergeben sich ja danach durch zahmere Annahmen, wie ­größere Spreizungen oder weitere Verlegeabstände.

Tuning einer Wandheizung und -kühlung

• geringe Verlegeabstände der Rohre > höhere Kühlleistungen bei gleicher Vorlauftemperatur
• kurze Heiz-/Kühlkreislängen > geringere Druckverluste bei kleiner Spreizung
• Putz mit guter Wärmeleitfähigkeit > besserer ­Wärmedurchgang
• geringe Putzüberdeckung > verbesserte Regelfähigkeit

Dieser Beitrag erschien zuerst in SBZ Monteur 3/2024.