Praxiserfahrungen zur Wohnraumtemperierung Pulsierende Betriebsweisen von Wärmeflächentemperierungssystemen

Die Erhöhung der Oberflächentemperaturen an den Umschließungsflächen des Raumes ist ein Charakteristikum insbesondere von Wandflächenheizungen, die im Kontext der Energieeffizienz von Gebäuden und der spezifischen Wirkweise von bauteilintegrierten Wärmeübertragungssystemen bislang nicht genügend beachtet wird. Zu sehr wird die Wärmeübertragung an den Raum noch durch den Blickwinkel von Heizkörpern gesehen.
Abgesehen von einem wassergeführten Zentralheizungssystem, an welchem auch Flächenheizungssysteme angeschlossen sind, haben diese beiden Arten der Wärmeübertragung an den Raum kaum Gemeinsamkeiten. Ferner steht bislang in der Hauptsache die Raumlufttemperatur als zentrale Größe im Mittelpunkt der Regelungstechnik.

Thermische Behaglichkeit
Die Erhöhung der Oberflächentemperaturen an den Raumumschließungsflächen wirkt sich zudem beträchtlich auf die Wahrnehmung der thermischen Behaglichkeit durch die Bewohner aus. Dem sollte auch im Regelverhalten Rechnung getragen werden. Betrachtet man die Kriterien der thermischen Behaglichkeit „Mensch, Raumluft, Bauteil“ ist das Wärmeempfinden des Menschen nicht allein von der Raumlufttemperatur, sondern ebenso von der Oberflächentemperatur der Umschließungsflächen abhängig. Für die physiologische Empfindung des Menschen ist sogar eine hohe Oberflächentemperatur bedeutsamer als eine hohe Raumlufttemperatur, die sehr schnell auch thermisch unbehaglich wirken kann. Unabhängig von der energetischen Qualität der Umschließungsfläche bleibt die Außenwand – insbesondere Außenwandecken – immer als geometrische/physikalische Schwachstelle bestehen, durch die passive und aktive Wärmegewinne verloren gehen.
Oft wird die Meinung vertreten, dass aus diesem Grunde Wandflächenheizungen nicht an Außenwänden positioniert werden sollen. Bei einem Mindeststandard eines  Wärmedurchgangskoeffizienten von maximal 0,35 W/m²K, sind die Wärmeverluste nach außen jedoch vernachlässigbar. Erst recht wenn es sich bei dem Wandaufbau um wärmespeichernde Materialien handelt. In diesem Fall ist die Positionierung von Wandheizungsflächen an Außenwänden nachgerade optimal, wenn von der Stelle – die der Mensch psychologisch längst schon als Schwachstelle zur „kalten Außenwelt“ erklärt hat  – Wärme in die Tiefe des Raums gestrahlt wird. Zuzüglich der individuellen Wahrnehmung warmer Oberflächen wirken diese Flächen auch physikalisch wärmeübertragend an
a) die Raumluft und
b) gegenüberliegende Flächen von Wänden, Bauteilen und Möbel.

Konsequenterweise sollten dann besonders die geometrischen Schwachstellen, wie die Außenwandecken, mit Wandheizungsflächen belegt werden. Bei einer hochwertigen Außendämmung (WDVS) wirkt die Wand als maximaler Wärmespeicher. Im Gegensatz zum anlagentechnischen Pufferspeicher obliegt der baukonstruktive Wärmespeicher im Wohnraum keinerlei Wärmeverluste, da diese unmittelbar der Raumtemperierung zukommen.


Bild 1: Temperaturverläufe im pulsierenden Betrieb der Wärmeübertragung an den Raum inklusive eines 8-stündigen Absenkbetriebs durch Ausschaltung.

Pulsierende Betriebsweise
Die Betrachtung der spezifischen Wärmespeicherkapazität von verwendeten Materialien im Putzaufbau und deren Masseanteil, war die Grundlage mehrerer Messreihen an einem Referenzobjekt zur Untersuchung eines pulsierenden Betriebsverhaltens, die durch das Forum Wohnenergie durchgeführt und bewertet wurden. Auf diese Weise wurde neben den Auswirkungen auf die Raumlufttemperatur auch die Entladung des Pufferspeichers durch das Wärmeübertragungssystems beobachtet und bewertet.
Die gestrichelte schwarze Linie (Bild 1) zeigt die Oberflächentemperatur einer aktiven Wandflächentemperierung auf massiver Steinwand mit insgesamt 35 mm Putzaufbau. Der Temperaturverlauf zeigt das Taktverhalten der Heizkreispumpe sowie die Vollabschaltung über einen Zeitraum von  etwa 17.00 Uhr bis 01.00 Uhr. Insgesamt war die aktive Wärmeübertragung acht Stunden unterbrochen. In dieser Zeit kühlte die Wandoberfläche  von etwa 29°C auf etwa 22°C ab.
In derselben Zeit verringert sich die Raumlufttemperatur nur unwesentlich um < 1 K. Die Heizungspumpe wird bei Unterschreitung von 19°C Raumlufttemperatur in Betrieb geschaltet. Innerhalb kürzester Zeit wird die Oberflächentemperatur an der Wand um etwa 6 K angehoben, was ausreichend ist, um den Auskühlungstrend aufzuhalten. Die Raumlufttemperatur wird in den Morgenstunden auf 19°C stabilisiert. Nach Aussagen der Nutzer reicht diese Temperatur vollkommen aus und könnte sogar noch etwas niedriger sein (was in einer weiteren Versuchsreihe untersucht wird, aber auch von weiteren Faktoren der Wohnwärmegestaltung abhängig ist) da definitiv, besonders in den Morgenstunden nach dem Aufstehen, die erhöhten Oberflächentemperaturen relevant sind.
Gegen Mittag dringt Wärme durch die Lichteinstrahlung in den Raum. Die Aufzeichnung zeigt, dass diese Veränderung über die Raumlufttemperatur nur unzureichend wahrgenommen wird. Überlegenswert wäre die zusätzliche Steuerungsoption eines Lux-Sensors, um die Lichteinflüsse noch schneller erfassen und darauf reagieren zu können. Somit ließ sich eine passive Solarnutzung nachhaltig optimieren, ohne Überhitzungen zu provozieren. Am späten Nachmittag wurde gekocht, die internen (passiven) Wärmegewinne von der aktiven Wärmeübertragung registriert, die Wärmezufuhr wurde zurückgenommen und unterbrochen.


Bild 2: Temperaturverläufe im stetigen Betrieb der Wärmeübertragung an den Raum.

Bereitstellungstechnik
Durch das Taktverhalten der Wärmeübertragung an den Raum wird die Entladung des Pufferspeichers erheblich reduziert, ohne dass dies relevante Auswirkungen auf die thermische Behaglichkeit im Raum hat. Wärmemengen können somit länger bereitgestellt werden. Ergo muss weniger Wärme erzeugt bzw. nachgeliefert werden. Geringere Laufzeiten des zentralen Wärmeerzeugers sind die Folge.
Um ein Auskühlen während der Betriebspausen zu vermeiden, ist die genaue Kenntnis der thermischen Eigenschaften der Baustoffe und diesbezügliche Anpassung der Regelungsstrategie notwendig, um eine maximale Effizienz zu erreichen. Als Betriebsredundanz fungiert nach wie vor die Raumlufttemperatur, die über eine weitaus sensiblere Sensorik zu erfassen ist, als es bei den meisten Einzelraumregelungen der Fall ist. Die Ventile bilden somit – abgesehen von den Feineinstellungen im Rahmen des hydraulischen Abgleichs – einen untergeordneten Stellenwert und wirken sich somit auch nicht durch Störpotenziale auf das System aus. Abgesehen von der Spannungsfreischaltung der Heizkreis-Umwälzpumpe empfiehlt sich eine zusätzliche Heizkreisabsperreinrichtung, die parallel zur Pumpe betrieben wird, um Fehlzirkulationen oder unerwünschte Wärmeströme aus dem Pufferspeicher zu unterbinden.
Wichtig ist die Feineinstellung des Massenvolumenstroms der einzelnen Flächenkreise. Die Regelung erfolgt über einen zentralen Raumklima-Sensor mit Temperaturerfassung und Schaltrelais für die einzelnen Wärmezonen, die über ein Zonenventil angesteuert werden. Die Wärmezone entspricht hierbei den konkreten Wohn- und Aufenthaltsbereichen entsprechend der ihr zugeordneten Behaglichkeitsprioritäten.


Bild 3: Speichermasse und Putzaufbau einer Wändflächentemperierung während des Einputzens.

Pulsierende Wandflächentemperierung
Durch den Heizwasserheizkreis findet eine thermische Beladung des Bauteils statt – im Grunde wie die Beladung eines gewöhnlichen Pufferspeichers mit Ausschalttemperatur und Einschalttemperatur. Unterschiedliche Taktintervalle, die die verwendeten Baustoffe und -materialien mitbestimmen, können die Betriebsstunden des Wärmeübertragungssystems auf ein Minimum reduzieren. Als Schaltintervall zeichnete sich am Objekt der Messreihen ein Zeitfenster von jeweils 15 Minuten ab. Das bedeutet: Die Wärmeübertragung steht nicht auf Standby (!), sondern die Pumpe ist definitiv aus und kann nicht manuell zugeschaltet werden, da dieses Regelungsprinzip ausschließlich für eine Grundlastabdeckung zur Optimierung der thermischen Behaglichkeit und Sicherstellung einer  nutzungsgerechten Wohnraumtemperierung ausgelegt ist. Abgesehen von diversen Absenk- oder Abschaltzeiten wird somit die Wärmeübertragung an den Raum in den Schaltzeiten der aktiven Zwangszirkulation durch die Umwälzpumpe nahezu halbiert.
Das Messdiagramm in Bild 2 zeigt in einem 48-Stunden-Ausschnitt den Temperaturverlauf ohne pulsierenden Heizkreis. D.h. die Umwälzpumpe des Heizkreises ist ständig in Betrieb, was an der relativ konstanten Temperaturlinie der Wandoberflächentemperatur zu sehen ist. Die Raumlufttemperatur hingegen verändert sich nicht wesentlich und bleibt konstant zwischen etwa 18,5 und 19,5°C. Der relevante Unterschied jedoch ist, dass die Pufferspeicherentladung schneller vonstatten geht als bei einer pulsierenden Regelung und somit der Wärmeerzeuger deutlich mehr Betriebsstunden aufweist. Des Weiteren wird die Stromaufnahme der Umwälzpumpe dementsprechend reduziert.

Kein Wärmekomfortverlust
Im Zusammenhang mit einer Wandflächentemperierung und entsprechendem Materialaufbau kann eine pulsierende Regelung der Wärmeübertragung an den Raum die thermische Entladung des Pufferspeichers nachhaltig reduzieren, ohne an Wärmekomfort einzubüßen. Diese „sanfte Entladung des Pufferspeichers“ reduziert infolgedessen natürlich auch die Betriebsstunden des Wärmeerzeugers und vermag die Energieeffizienz eines Gebäudes auf den Punkt zu bringen. Um ein Takten des Wärmeerzeugers zu vermeiden, ist auf eine ausreichende Dimensionierung des Pufferspeichers zu achten. Weitere Untersuchungen und Auswertungen, bis hin zu einer entsprechenden Regel- und Steuerungstechnik einschließlich Materialien, sind weiter in Arbeit.

Autor: Frank Hartmann

Bilder: Forum Wohnenergie