Eine Chronik: Von der Dampfheizung zum Niedrigtemperatursystem
Die thermische Behaglichkeit des Menschen wird wesentlich durch ein ausgeglichenes Verhältnis von Raumluft- und Oberflächentemperaturen definiert. Im umbauten Raum befindet sich der Mensch inmitten eines thermo-dynamischen Wechselfeldes, mit den ihn umgebenden Körpern und Flächen. Einem Gebäude ergeht es ähnlich. Dieses steht nicht nur mit dem Menschen in einer Wechselbeziehung, sondern auch mit der äußeren Umgebung, dem „Wind und Wetter“. Dies ist der Grund, warum es einer Heizung bedarf: um die auftretenden Wärmeverluste, welche sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen durch Transmission einstellen, auszugleichen.
Man kann durchaus sagen: So wie der Körper des Menschen Brennstoff benötigt, um seine Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, benötigt ein Gebäude (bestehend aus Massen und Flächen) eine Heizung, um im Raum die Wärme konstant zu halten. Egal wie kalt es draußen ist, wir wünschen uns im Innenraum doch immer eine konstante thermische Behaglichkeit, was Anlagenmechaniker SHK mit einer witterungsgeführten Regelung umsetzen.
Die thermische Hülle eines Gebäudes
Um die Heizlast, die im Wesentlichen aus Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten über die Hüllflächen des Gebäudes besteht, abzudecken, stehen ihm diverse Wärmeübergabesysteme der wassergeführten Zentralheizung zur Verfügung. Die Summe aller Hüllflächen (Fundament/Bodenplatte, Außenwände gegen Erdreich und gegen Außenluft, sowie Dachflächen), mitsamt ihren integrierten Bauelementen wie Fenster und Türen, werden als „thermische Hülle“ bezeichnet, diese muss für jedes Gebäude klar definiert sein. Denn sie bildet die Trennschicht zwischen Innen und Außen des Wärmekörpers Haus, wo während der Heizperiode mal mehr, mal weniger Transmissionswärmeverluste stattfinden. Überdies ist die thermische Hülle durchaus als die „3. Haut des Menschen“ zu begreifen.
Sinn und Zweck der Heizlastermittlung ist die Feststellung, welche Nacherwärmung im Innenraum (Wärmeübergabe) konkret notwendig ist, um im Auslegungsfall (z. B. –12 °C Außentemperatur) 20 °C bzw. 24 °C im Innenraum sicherzustellen. Im Sinne der Einzelraumregelung wird dabei jeder Raum einzeln berechnet und die Einzelraumheizlast in der Raumliste als Auslegungsgrundlage eingetragen. Schließlich ist es ein großer Unterschied, ob ein Raum eine oder zwei Außenwände aufweist, wie groß der Fensterflächenanteil ist usw. Die Summe der Einzelraumheizlasten ergibt die Gesamt-heizlast des Gebäudes.
Die energetische Qualität der thermischen Hülle zeigt sich auch in der Oberflächentemperatur an der Innenseite der Umschließungsflächen und wird hauptsächlich durch die Bauweise und -konstruktion geprägt. Baustoffauswahl und Schichtaufbauten, Ausrichtung des Gebäudes und Anordnung transparenter Flächen sowie die Beachtung des sommerlichen Hitzeschutzes ebenso wie des winterlichen Wärmeschutzes sind dabei die entscheidenden Faktoren.
Bei der Heizlast handelt es sich immer um einen Maximalwert, der (bei Bedarf/im Auslegungsfall) bereitzustellen ist. Bei zahmeren Außentemperaturen ist die notwendige Heizlast freilich geringer und es werden geringere Vorlauftemperaturen benötigt. Diese Dynamik bildet sich sehr gut in der Heizkennlinie ab, welche die Veränderung der notwendigen Vorlauftemperatur der Wärmeübergabe in Abhängigkeit der Außentemperatur anzeigt.
Die Heizlast hat sich insbesondere in den letzten 20 Jahren durch einen stetig verbesserten Wärmeschutz deutlich reduziert. Diese Entwicklung wirkte sich auch immer auf die Oberflächentemperatur an den Innenseiten der thermischen Hülle aus. Während bei einem geringen Wärmeschutz (hoher Wärmedurchgang – hohe Transmission) die Oberflächentemperaturen sehr niedrig sind, erhöhen sich diese allein durch einen höheren Wärmeschutz (niedriger Wärmedurchgang – niedrige Transmission). Viele kennen die Situation, wenn man im Schenkel von zwei Außenwänden mit sehr geringem Wärmeschutz sitzt und man aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zwischen Bauteiloberfläche und Körper die Wärme förmlich aus dem Rücken „gezogen“ bekommt. Da helfen auch keine 25 °C Raumlufttemperatur!
Niedrige Oberflächentemperaturen wirken sich aber nicht nur negativ auf die thermische Behaglichkeit des Menschen aus, sondern ebenso auf die Baukonstruktion des Gebäudes. Nicht nur, dass ebenso wie der Mensch auch ein Gebäude auskühlen kann, können zu niedrige Oberflächentemperaturen Taupunktunterschreitungen provozieren, welche Tauwasserausfall im und am Bauteil verursachen können. Eine Durchfeuchtung von Bauteilen wiederum kann schnell zu Schimmelbildungen, aber auch zu Schäden am Bauwerk führen.
Von der Dampfheizung zum Niedrigtemperatursystem
Seit Anbeginn der Zentralheizung vor kaum mehr als 150 Jahren war es der Hochtemperaturheizköper, der zuerst die Rolle des Ofens übernahm und mit hohen Temperaturen und geringen Flächen mächtig einheizte. Um eine maximale Wärmeleistung zu ermöglichen, waren hohe Temperaturen und ein maximaler Konvektionsanteil der Wärmeübergabe angesagt. Aufgrund sehr hoher Heizlasten wurden die ersten Zentralheizungssysteme mit Vorlauftemperaturen > 90 °C betrieben und durch die Fensteranschlüsse zog es wie Hechtsuppe. Die in den 1970er Jahren einsetzende Wärmeschutzverordnung für Gebäude war ein erster Meilenstein in Sachen Energieeffizienz und reduzierte den Heizwärmebedarf (ergo die Heizlast) durch eine deutliche Verringerung der Transmissionswärmeverluste über die thermische Hülle. Platten-Konvektionsheizkörper reizten den Konvektionsanteil der Wärmeübergabe aus und konnten bald mit deutlich niedrigeren Temperaturen betrieben werden, prägten aber dennoch die Raumlufttemperatur als thermische Kenngröße für das Innenraumklima. Noch heute werden Bestandsgebäude mit Vorlauftemperaturen von 65 °C und mehr betrieben. Ist das noch zeitgemäß?
Zwar kann man die heutigen Systemtemperaturen (55 °C/45 °C/20 °C) für Heizkörper als Mitteltemperatursystem einordnen. Relativ bescheiden wirken sich da die möglichen solaren Deckungsanteile einer solaren Heizungsunterstützung sowie die Nutzung erneuerbarer Energien mit den entsprechenden Potenzialen zur CO2-Reduzierung aus. Die energetischen Anforderungen der EnEV, welche 2002 in Kraft getreten ist und seither fortgeschrieben wird, war ein weiterer Meilenstein zur Energieeffizienz von Gebäuden und führt bis heute zu einer stetigen Verbesserung des winterlichen Wärmeschutzes. Dies führte nicht nur zu höheren Oberflächentemperaturen an der Innenseite von Außenwänden und reduzierten Wärmebrücken, sondern hatte auch eine deutliche Reduzierung der Heizlasten von mitunter mehr als 50 % zur Folge. Während bei einem EFH-Neubau vor 20 Jahren die spezifische Heizlast noch gut 60 W/m² betrug, hat sich diese bis heute mehr als halbiert und beträgt kaum mehr als 30 W/m². Diese geringen Lasten können mit geringeren Temperaturen und entsprechend geringerem energetischen Aufwand hocheffizient geleistet werden. Das Niedrigtemperatursystem bildet dabei mit mittleren Vorlauftemperaturen von 35 °C längst den Stand der Technik und entspricht überdies dem natürlichen Wärmespektrum des Menschen.
Der Kühlbedarf von Gebäuden
Eine weitaus größere Herausforderung stellt heute und in Zukunft der stetig steigende Kühlbedarf von Gebäuden im Sommer dar. Als Planungsgrundlage besitzt heute bei vielen Gebäuden die Kühllastberechnung bereits denselben Stellenwert wie die Heizlastberechnung. Beide Anforderungen vermag allein die Flächenheizung/-kühlung zu erfüllen, was diesen Systemen eine Sonderstellung im SHK-Bereich einbringt. Die systemintegrierte Doppelfunktion zum Heizen im Winter und zum Kühlen im Sommer ermöglicht allein das Wärmeträgermedium Wasser als ideales Heiz-/Kühlmittel.
Die heutigen und absehbaren Anforderungen an den Wärmekomfort von Innenräumen reduzieren sich keinesfalls mehr nur auf die Heizperiode, sondern verlangen eine ganzjährige Temperierung des Innenraumes, wo zwischen Heiz- und Kühlperiode die sogenannten Übergangszeiten sich immer mehr überschneiden. Wie im Winter Raumtemperaturen von 20 °C/24 °C als Soll-Wert gelten, werden auch für den Sommer Raumtemperaturen (z. B. 26 °C) definiert. Diese gelten als Auslegungsgrundlage, nicht nur für die Heiz- bzw. Kühllast, sondern gleichermaßen für die Auslegung der Flächenheizung/-kühlung. Das Wärmeträgermedium Wasser ist es, was beide Wirkweisen in einem System erlaubt: Heizen im Winter und Kühlen im Sommer.
Den modernen Anlagenmechaniker SHK führt die Flächenheizung/-kühlung über den eigenen Tellerrand hinaus in die Bautechnik und Baustoffkunde, in die Bauphysik und Raumgestaltung. Besonders die Raumgestaltung, so wenig sie bislang mit dem Anlagenmechaniker in Verbindung gebracht wird, ist durchaus ein bereicherndes Element nicht nur der eigenen Arbeit und eventueller Spezialisierung. Es ist auch eine Chance, das enorme Marktpotenzial der Heizungsmodernisierung nicht nur im Heizraum abzufrühstücken, sondern dort, wo der Wärmebedarf stattfindet, im Wohnraum.
Fazit
Die wassergeführte Flächenheizung/-kühlung bietet als zukunftsorientierte Wärmeübergabe vielfältige Potenziale für den Anlagenmechaniker SHK. Die Erneuerung eines Wohnraums kann durchaus mit einer Flächenheizung/-kühlung einhergehen. In der Komplettsanierung von Bädern hat der innovative SHK-ler seine Kompetenz als Netzwerker und Koordinator mannigfach bewiesen. Aber das Badezimmer ist nur ein Raum einer Wohnung. Bäder komplett sanieren war gestern, eine umfassende Wohnwärmegestaltung für den gesamten Jahreslauf muss heute beginnen, um endlich die Schätze zu bergen, welche die Modernisierung von Bestandsgebäuden offenbaren – nicht nur hinsichtlich einer nennenswerten CO2-Reduktion!
Dieser Beitrag ist zuerst erschienen in SBZ Monteur-07/2019.
