Glätte auf Verkehrswegen vermeiden

Freiflächenheizungen werden in erster Linie dazu eingesetzt, Glätte-Unfälle im Winter zu vermeiden, z. B. auf Treppenstufen oder Wegen. Wie ein solches Konzept aufgebaut wird, erläutert Freiflächenheizungs-Experte Thomas Beck im Gastbeitrag.

Eine Freiflächenheizung kann in nahezu jeden Bodenaufbau, wie zum Beispiel in einer betonierten Rampe, Pflasterbelag oder auch – geschützt in einer Schotter-/Splitt- oder Betonschicht –, unter einer Asphaltdecke eingebaut werden. Die Gestaltung des Bodenaufbaus richtet sich in erster Linie nach der Funktion und den statischen Anforderungen. Das Heizrohr selbst ist dabei nicht lastabtragend. Heizrohre aus PE-Xa zeichnen sich durch eine hohe Kerbschlagzähigkeit aus und können direkt in eine Schotter- oder Splittschicht verlegt werden – es ist keine separate Sandschicht erforderlich. Sie sind robust und sowohl für hohe Temperaturen als auch für Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt geeignet.

Einsatzfelder: Tiefgaragenabfahrten, Hubschrauber­landeplätze, Rasenheizungen
Wasserführende Freiflächenheizungen sind widerstandsfähig und langlebig, durch die Anpassung der Vorlauftemperatur ist die Leistung flexibel steuerbar. Die Vorteile einer Freiflächenheizung liegen im automatisierten Betrieb, es muss kein Personal vorgehalten und Streusalz kann vermieden werden. Zudem ist der Einsatz von Abwärme möglich, so wird beispielsweise die Restwärme von Thermalbädern genutzt, um die Wege in Saunagärten und Außen­becken, bei denen der Einsatz von Streusalz kritisch ist, von Glätte frei zu halten.
Weitere Anwendungsbereiche sind unter anderem Tiefgaragenabfahrten oder Hubschrauberlandeplätze von Kliniken, deren Funktion auch in den Wintermonaten gewährleistet sein muss. Ein Sonderfall ist die Rasenheizung, die in der deutschen Bundesliga verpflichtend ist, um auch in den Wintermonaten den Spielbetrieb zu sichern und das Verletzungsrisiko der Spieler zu verringern.

Diverse Möglichkeiten der Verlegung
Der Verlegeabstand beträgt, abhängig von Einbautiefe und geforderter Leistung, üblicherweise zwischen 10 und 20 cm. Überwiegend werden die Rohrabmessungen 25 x 2,3 mm und 20 x 2,0 mm verwendet. In wenigen Fällen, wie beispielsweise der einer Treppenheizung, werden auch kleinere Dimensionen eingesetzt. Die Rohre können in eine Verlegeschiene geclipst oder auch an einer Trägermatte befestigt werden. Unter Pflasterbelägen sollten Trägermatten korrosionsgeschützt sein, da Rost durch den Aufbau an die Oberfläche diffundieren und sich auf dem Pflasterbelag abzeichnen kann. Besonderes Augenmerk ist darauf zu richten, dass schmelzender Schnee auch abfließen kann, sei es durch den versickerungsfähigen Aufbau selbst oder durch Rinnen oder Bodenabläufe unmittelbar neben der beheizten Fläche oder innerhalb der beheizten Fläche selbst.

Dämmung nur in speziellen Fällen notwendig
Verlegeabstand und -tiefe des Heizrohres beeinflussen die Heizmitteltemperatur, die erforderlich ist, um die gewünschte Oberflächentemperatur zu erreichen sowie die Reaktionsfähigkeit des Systems. Eine Dämmung unterhalb der beheizten Fläche ist nur in seltenen Fällen erforderlich, zum Beispiel bei einer freitragenden Rampe oder Brücke und auch bei einem hohen Grundwasserspiegel. In diesen Fällen wären die Verluste nach unten ohne Dämmung sehr hoch. Für ein gleichmäßiges Temperaturprofil an der Oberfläche ist eine Rohrverlegung als Doppel­mäander oder schneckenförmig in gleichmäßigem Verlegeabstand zielführend. Sind konstruktionsbedingt Fugen von Betonplatten zu kreuzen, dann ist darauf zu achten, dass auch über den erforderlichen Schutzrohren eine gleichmäßige Beheizung stattfindet.

Eckpunkt I zur praktischen Auslegung
Die Wärmeverteilung wird wie bei einer Industrieflächenheizung realisiert. Die Heizkreise können einzeln an einem Heizkreisverteiler angeschlossen werden oder auch an einem Rohrverteiler mit Tichelmann-Rücklauf. Rohrverbindungen müssen gegen das eingesetzte Frostschutzmittel, in der Regel Ethylen- oder Propylenglycol, beständig sein. Hierzu bieten sich Lösungen, wie beispielsweise die O-Ring-freie Schiebehülsenverbindungstechnik an. Aufwand und Kosten für den Einbau der Heizrohre sind vergleichbar mit einer Industrieflächenheizung mit entsprechendem Verlegeabstand.

Leistung einer Freiflächenheizung
Das Ziel einer Freiflächenheizung ist, die Oberfläche frei von Glätte zu halten. Die Leistung hängt dabei im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab:

• Nutzung der Fläche,
• Außentemperatur im Auslegungsfall,
• Wärmeabgabe an der Oberfläche durch Strahlung und Konvektion,
• Schneefallmenge und Dauer zum Schmelzen von Schnee,
• Gleichzeitigkeit der genannten Faktoren.
• Daraus wird nach Verlegeabstand, Heizrohrabmessung und Rohr­überdeckung die erforderliche Heizmitteltemperatur berechnet und hieraus die Verluste nach unten.

Nutzung der Fläche
Bei einfachen Verkehrswegen wie Zugängen, Hofeinfahrten, etc. ist es akzeptabel, dass fallender Schnee nicht unmittelbar abschmilzt, sondern über einen längeren Zeitraum, weil die weiterführenden Wege ebenfalls schneebedeckt sind. Zu vermeiden ist eine nicht sichtbare und gefährliche Glatteisbildung unter der Schneedecke. Anders sind Rettungswege und Hubschrauberlandeplätze von Kliniken zu betrachten. Hier ist der Schnee unmittelbar abzuschmelzen.

Außentemperatur im Auslegungsfall
Neben der lokalen Norm-Außentemperatur sind vor allem die Witterungsbedingungen in Betracht zu ziehen. Die vor allem durch die nächtliche Abkühlung verursachte Reifbildung tritt bei einer Außentemperatur von unter - 8 °C praktisch nicht mehr auf, da in unseren Breiten der Wassergehalt in der Außenluft bereits zu gering ist. Schneefall tritt in Deutschland überwiegend in einem Temperaturbereich von - 6 °C bis + 2 °C Unterhalb einer Temperatur von ca. - 10 °C ist hier Schneefall äußerst selten. Auch bei einer Norm-Außentemperatur unter - 10 °C ist die Auslegung einer Freiflächenheizung für eine Außentemperatur von - 10 °C bis auf wenige Ausnahmefälle ausreichend. Die Temperatur der Oberfläche kann und darf unter den Gefrierpunkt fallen, solange die Oberfläche trocken ist und keine Bildung von Glätte zu erwarten ist.

Wärmeabgabe an der Oberfläche durch Strahlung und Konvektion
In sternenklaren Nächten ist die Wärmeabstrahlung an die ­Hemisphäre besonders hoch. Auch wenn die Lufttemperatur noch deutlich über dem Gefrierpunkt liegt, kann Bodenfrost auftreten. Abhängig von der Temperatur und dem Emissionsgrad der Oberfläche sowie den Umgebungstemperaturen wird die durch die Abstrahlung an die Hemisphäre verursachte Leistung berechnet. Für die Auslegung einer Freiflächenheizung beträgt diese i. d. R. 30 bis 60 W/m².
Die Luft- bzw. Windgeschwindigkeit in Bodennähe in Zusammenhang mit der Temperaturdifferenz zur beheizten Oberfläche und der angeströmten Länge sind maßgeblich für die Berechnung der Leistungsabgaben durch Konvektion. Entsprechend hoch ist die Streuung der Leistung. Diese beginnt für die praktische Auslegung bei ca. 100 W/m² und kann bei exponierten Lagen theoretisch auch über 300 W/m² betragen.

Leistungsermittlung
Für die Leistungsermittlung ist es praktikabel aus oben genannten Wärmeübergängen durch Strahlung und Konvek­tion einen äquivalenten Wärmeübergangskoeffizienten a zu ermitteln. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Bodenaufbau aufgrund seiner Wärmespeicherfähigkeit kurzfristige Lastspitzen kompensieren kann. Durch Multiplikation mit der Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Lufttemperatur wird die Leistung berechnet. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über Leistungen nach Außen­temperatur und Windstärken für eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von + 2 °C:

Schneefall
In den meisten Regionen Deutschlands findet Schneefall überwiegend im Temperaturbereich von - 5 °C bis + 2 °C statt, mit einer stündlichen Schneemenge unter 0,5 kg/m².
Um 1 cm frisch gefallenen Schnee mit einer Dichte von 100 kg/m³ innerhalb einer Stunde zu schmelzen wird eine Leistung von 100 W/m² benötigt, zuzüglich der Evaporation, die jedoch nur zu einer geringen Leis­tungserhöhung führt. Da das Schmelzen von Schnee energie­intensiv ist, sollte dieser, soweit möglich, geräumt werden.

Auslegung
Ausschlaggebend für die Auslegung sind folgende Faktoren:

• Funktion und Lage der beheizten Fläche,
• Gleichzeitigkeit der Ereignisse,
• Lokale Wetterbedingungen, zu erwartende Außentemperaturen und Schneefall,
• Spezifische Wärmekapazität des Bodenaufbaus.

Eine sternenklare Nacht mit hoher Abstrahlung und gleichzeitig Schneefall schließen sich aus, für die Leistungsermittlung sind nicht beide Faktoren in Betracht zu ziehen. Auch wird bei windigen Verhältnissen kaum Schnee auf exponierte Flächen liegen bleiben.
Für exponierte Lagen ist ein höherer konvektiver Wärmeverlust zu erwarten als für windgeschützte Lagen. Auf privaten Verkehrswegen kann ein langsames Schmelzen von Schnee akzeptiert werden im Gegensatz zu Rettungswegen oder stark frequentierte Verkehrsflächen mit erhöhter Unfallgefahr. In den überwiegenden Anwendungsfällen ist die Auslegung in einem Bereich von 150 bis 200 W/m² ausreichend. Bei Rettungswegen oder Hubschrauberlandeplätzen auf Kliniken, wo die Anforderung besteht, fallenden Schnee unmittelbar zu schmelzen, kann die Leistung auch bis 300 W/m² betragen. Es ist jedoch nicht für alle Wetterbedingungen machbar, eine Freifläche mit einer Beheizung frei von Schnee und Eis zu halten, wie z. B. bei einem Schneesturm, wenn die Benutzung von Straßen und Hubschrauberlandeplätzen deutlich eingeschränkt oder nicht mehr möglich ist.
Mit einer wassergeführten Freiflächenheizung ist eine flexible Leistungsabgabe durch Anpassung der Vorlauftemperatur möglich. Sollte im späteren Betrieb eine höhere Leistung erforderlich werden, kann diese bei gleichem Massenstrom mit einer höheren Temperaturspreizung übertragen werden.

Wärmebereitstellung und Regelung
Aufgrund der Verwendung von Frostschutzzusätzen werden Freiflächenheizungen mit einer Systemtrennung und Frost­schutz­über­wachung des Wärmetauschers an das Heizungsrohrnetz angebunden. Alle verbauten Rohrleitungen und Anlagenkomponenten müssen für das Frostschutzmittel geeignet sein. Bei der Verwendung von zum Beispiel Propylenglycol können üblicherweise Mischer, Pumpen, Ausdehnungsgefäße etc. verwendet werden, die auch bei der Solarthermie eingesetzt werden.
Die Regelung besteht im Prinzip aus einer witterungsgeführ­ten Vorlauftemperaturregelung, die mit einem oder mehreren Oberflächentemperaturfühlern als Referenzgröße ergänzt wird. Diese Fühler können knapp unter der Oberfläche eingebaut werden und sollten sich an Stellen befinden, an denen zuerst Glätte zu erwarten ist, beispielsweise in verschatteten oder exponierten Bereichen, die einer hohen nächtlichen Abstrahlung ausgesetzt sind. Witterungsverhältnissen wie Wind, Sonneneinstrahlung und Niederschläge beeinflussen die Leistungsabgabe an der Oberfläche. Mithilfe der Oberflächentemperaturfühler kann die Vorlauftemperatur bedarfsweise angepasst werden. Schnee- und Eiswarner können ebenfalls in die Regelung eingebunden werden. Jedoch ist hier die Reaktionsgeschwindigkeit des Bodenaufbaus zu beachten.
Die Heizung kann ausgeschaltet oder in einem Stand-by-Betrieb abgesenkt werden, wenn keine Glätte zu erwarten ist, um einen unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden, zum Beispiel bei Außentemperaturen über + 5 °C oder unter - 12 °C über einen längeren Zeitraum. Die Regelung beeinflusst den Wärmeverbrauch und damit die Energiekosten der Freiflächenheizung. Der Energiebedarf ist aufgrund wechselnder klimatischer Bedingungen sowie Betriebsweisen schwer vorherzusagen.

Autor: Thomas Beck, Senior Engineer Produkt­management Flächenheizung/-kühlung, Rehau AG + Co

Nachgefragt
IKZ-FACHPLANER: Freiflächenheizungen gehören eher zu den Exoten in der TGA. Auf welche Besonderheiten sollten Planer und Anlagenbauer achten?
Thomas Beck: Ziel ist es, über die gesamte Fläche eine möglichst gleichmäßige Temperatur zu erreichen. Deshalb ist ein besonderes Augenmerk auf die Einhaltung des Verlegeabstandes und die Höhenlage der Heizrohre zu richten. Werden konstruktiv benötigte Fugen gekreuzt, dann wird in diesem Bereich ein Schutzrohr verwendet. Auch über den Schutzrohren ist eine gleichmäßige Beheizung sicherzustellen wie auch bei Bodenabläufen und Rinnen. Witterungsbedingungen wie Außentemperaturverlauf, Sonnenschein, Wind und Schneefall beeinflussen die Wärmeabgabe der Oberfläche. Dies erfordert im laufenden Betrieb die Anpassung der Vorlauftemperatur.

IKZ-FACHPLANER: Bietet Rehau bei Planung und Auslegung Unterstützung? In welcher Form?
Thomas Beck: Rehau hilft von der Ermittlung der Leistung und der Berechnung der Heizmitteltemperatur und bei der Ermittlung der Massen für die Ausschreibung und der Angebotsphase. Unser Planungscenter unterstützt im Auftragsfall bei der Planung und den hydraulischen Berechnungen. Zudem stehen unsere Kollegen im Außendienst von der ers­ten Anfrage bis zur Installation zu Seite.

IKZ-FACHPLANER: Unter ökologischen Aspekten ist eine Freiflächenheizung kaum zu vertreten. Und dennoch gibt es Einsatzfelder, wo die Sicherheit an oberster Stelle steht und die Systeme notwendig sind. Welche Energiekosten fallen im Jahresbetrieb an? Gibt es eine grobe Faustformel zur Abschätzung?
Thomas Beck: Idealerweise wird für die Beheizung der Fläche Abwärme genutzt oder auch regenerative Energien. Bei Landeplätzen von Kliniken stellt sich die Frage weniger, da es aus Sicherheitsgründen erforderlich ist, die Funktion aufrechtzuerhalten. In anderen Fällen muss klar abgewogen werden, wie die Verkehrssicherungspflicht optimal gewährleistet werden kann, z. B. durch das Vorhalten eines Schneeräumdienstes. Ein weiterer Aspekt sind potenzielle Schäden durch Streusalz an Gebäuden und Pflasterbelägen. Insofern ist es immer eine individuelle Kosten-/Nutzenabwägung.