125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 13/1997, Seite 32 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Fußbodenheizungen im Wohnungsbau

Dr. Ing. Bjarne W. Olesen

Dieser Bericht zeigt, wie die erhöhten Anforderungen an die Wärmedämmung des Gebäudes die Gleichmäßigkeit der Raumtemperaturverteilung fördert und damit Probleme mit zu hoher Strahlungsasymmetrie* und Kaltluftabfall wegen schlechter Fenster vermieden werden. Die höhere Wärmedämmung fordert auch den Einsatz von regelfähigen Anlagen. Dieses wird ebenfalls unter dem Abschnitt "Regelung" diskutiert.

Allgemeines

Die Vorteile von Fußbodenheizungen sind in Fachkreisen wie beim Verbraucher bekannt: Thermischer Komfort, freie Raumgestaltung, hygienische Vorzüge (keine Staubaufwirbelung, keine Staubnester an schwer zugänglichen Heizflächen, Vorbeugeeffekt für Hausstauballergiker), effiziente Energienutzung dank Niedrigtemperaturbetrieb, systembedingter Selbstregeleffekt sowie Wegfall von Kosten für Instandhaltung und Reinigung der Heizfläche.

Die Wärmeschutz- und Heizungsanlagenverordnung setzt jetzt neue Randbedingungen, die zum Ende dieses Jahrtausends nochmals verschärft werden sollen. Die höheren Anforderungen an die Wärmedämmung von Fenstern und Außenwänden, Decken und Böden resultieren in einer Erhöhung der inneren Oberflächentemperatur von Fenstern und Außenwänden und damit in einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Raum.

Die Absenkung des Wärmebedarfs resultiert in einer Absenkung der erforderlichen Oberflächentemperatur der Heizfläche (Fußboden, Heizkörper) oder in dem Einsatz von kleineren Heizflächen. Die Tendenz geht doch in Richtung niedrigerer Heizwassertemperaturen, um die Niedertemperaturheiztechnik noch besser nutzen zu können.

Heute liegt die Norm-Heizlast bei 40 bis 50 W/m2 und sie wird sich in Zukunft auf das Niedrigenergiehausniveau von 20 bis 40 W/m2 absenken. Die Werte für den durchschnittlichen Wärmebedarf in der Heizperiode liegen ungefähr bei der Hälfte. Tabelle 1 zeigt die entsprechend erforderlichen Fußbodentemperaturen, um diesen Wärmebedarf zu decken.

Tabelle 1: Erforderliche Fußbodentemperatur und Heizmitteltemperatur

Wärmebedarf

Fußbodentemperatur (bei 20C Raumtemperatur)

Heizmitteltemperatur

Fliesen

Teppich

W/m2

C

0,02 (m2 K/W)

0,1 (m2 K/W)

80

27,3

31,9

38,4

40

23,9

26,2

29,4

20

22,1

23,3

24,9

10

21,1

21,7

22,5

In den 70er und 80er Jahren war es in Häusern mit Fußbodenheizung oft notwendig, zusätzlich in einigen Räumen wegen des hohen Wärmebedarfs (> 100 W/m2) Heizkörper einzusetzen. Heute und in Zukunft wird das nicht mehr erforderlich sein.

Thermische Behaglichkeit

Bei einem Niedrigenergiehaus (NEH) sind die Temperaturen des Heizsystems niedriger, und Außenwände und Fenster haben höhere Oberflächentemperaturen als dies bei Standardhäusern der Fall ist. Das führt zu einer gleichmäßigen thermischen Umgebung und bereitet keine Probleme mit hohen Fußbodentemperaturen, Strahlungsasymmetrie, vertikalen Luftunterschieden oder Zugerscheinungen wegen eines Kaltluftabfalls aufgrund großer Fenster. In bezug auf die Behaglichkeit des Raumklimas bedeuten die neuen Verordnungen nur geringe Unterschiede zwischen den verschiedenen Heizsystemen. Diese Aussage steht im Gegensatz zu einer Veröffentlichung von Bach (1996), in der bedeutende Unterschiede in der Behaglichkeit zwischen den Heizsystemen behauptet werden.

Tabelle 2: Anforderung für operative Temperatur, Strahlungsasymmetrie und Fußbodentemperatur für Räume mit sitzenden Personen (1,2 met) mit normaler Winterbekleidung (1,0 clo)

Anforderungen

DIN ISO EN 7730

DIN 1946

Operative Temperatur in der Aufenthaltszone (to)

20 C < to <24 C

20C < to

Strahlungstemperaturasymmetrie D tpr) bei Fenstern und anderen kalten vertikalen Flächen in der Relation zu einer kleinen vertikalen Fläche 0,6 m über dem Boden

D tpr < 10 K

D tpr < 8 K

DIN 4725; prEN 1264

Oberflächentemperatur des Bodens (tfb)

19 C tfb 29 C

tfb 29 C Aufenthaltszone
tfb 35 C Randzone

Tabelle 2 zeigt die Empfehlungen für die operative (empfundene) Temperatur, Strahlungsasymmetrie und Fußbodentemperatur. Um die Einflüsse der verbesserten Wärmedämmung und die Einflüsse des Heizsystems zu verdeutlichen, sind in Tabelle 3 in einem typischen Raum (2,4 x 4,8 x 2,7 m) die operative Temperatur und Strahlungsasymmetrie für eine sitzende Person am Fenster (1 m von der Außenwand) und an der Rückwand dargestellt.

Tabelle 3: Berechnete Mittlere Strahlungstemperatur und Strahlungsasymmetrie

Heizsystem  

Außentemperatur

Wärmebedarf

k-Wert

Fenster-
temperatur

Außenwand

Heizflächen-
temperatur

Operative
Temperatur

Mittl.
Strahlungs-
temperatur

Luft-
temperatur

Strahlungsasymmetrie
Halbraum

 

C

 

W/m

Fenster

W/(m K)

Fenster/Wand

W/(m K)

 

C

 

C

 

C

 

C

 

C

 

C

Rückw.

C

Fassade

C

D tpr

K

100% Konvektive

Heizkörper

Fußbodenheizung

Fußbodenheizung + Randzone

-12

56

2,9

1,8

8,9

18,7

 

65

25

23
35

20

18,6

20,0

20,2

21,1

21,4

20,0

19,8

18,9

19,9

19,9

21,7

21,0

15,9

20,2

17,0

19,1

4,0

- 0,3

4,7

1,9

100% Konvektive

Heizkörper

Fußbodenheizung

Fußbodenheizung + Randzone

-12

 

42

1,5

1,0

14,2

18,7

 

54

24

22,5
35

20

19.1

20,2

20,4

21,5

20,9

19,8

19,6

18,5

19,9

19,9

21,4

20,9

17,7

21,0

18,5

20,9

2,2

-1,1

2,9

0

100% Konvektive

Heizkörper

Fußbodenheizung

Fußbodenheizung + Randzone

+5

22

1,5

1,0

17,3

19,4

 

38

22

21
25

20

19,5

20,1

20,2

20,4

20,5

19,9

19,8

19,6

19,9

19,9

20,7

20,3

19,0

20,7

19,4

20,1

0,9

-0,8

1,3

0,2

Das Berechnungsbeispiel ist für eine normale Doppelverglasung (k-Wert = 2,9 W/(m2 K) und ein Wärmeschutzglas (k-Wert = 1,5 W/(m2 K) und bei -12C und +5C (mittlere Heizperiode) durchgerechnet. Die Fenstergröße ist 1,5 x 2,4 m und entspricht einem Außenwandteil von 55%. Für die anderen Bauteile ist ein hoher Dämmstandard angenommen (Außenwand = 0,35 W/(m2 K), Dach = 0,20 W/(m2 K), Boden = 0,35 W/(m2 K). Die Fenster/Außenwand entspricht einem mittleren k-Wert von 1,8 W/(m2 K) und 1,0 W/(m2 K). Die Ergebnisse in Tabelle 3 sind dann auch gültig für eine komplette Fensterwand mit einem k-Wert von 1,8 oder 1,0 W/(m2 K).

Mit einem geringeren Wärmebedarf (höherer Wärmedämmung oder höherer Außentemperatur) wird die Strahlungsasymmetrie kleiner und auch die Unterschiede zwischen Strahlungstemperatur und Lufttemperatur werden kleiner. In anderen Positionen in dem Raum ist die Strahlungsasymmetrie noch kleiner.

Bild 1: %-Unzufriedene bei Strahlungstemperaturasymmetrie von warmen Decken- und Wandflächen und kalten Decken- und Wandflächen (Fanger, 1985).

Die Werte liegen deutlich innerhalb der Empfehlungen in Tabelle 2. Nach Untersuchungen mit Testpersonen zeigt Bild 1, daß die Asymmetrie von einer kalten Wand bzw. einem kalten Fenster erst bei einer Asymmetrie höher als 6 K gespürt wird. Alle Werte in Tabelle 3 sind niedriger als 6 K. Damit gibt es keine Komforteinschränkungen wegen der Strahlungsasymmetrie.

Die maximale Strahlungstemperaturasymmetrie D tpr am Fenster in einem Raum kann folgendermaßen berechnet werden (Olesen 1994):

D tpr < 4,0 kw [K]

kw ist der durchschnittliche k-Wert für Wand/Fenster.

Bei einer Fensterfront mit Standard-Doppelverglasung, kw = 2,9 W/(m2 K) ist die Asymmetrie höher als die zulässigen 10 K. Bei einer Fensterfront mit Wärmeschutzglas, kw = 1,5 W/(m2 K), liegt die maximale Asymmetrie nur bei 6 K.

Ein Faktor, der die Behaglichkeit beeinträchtigen kann, ist Zugluft, hervorgerufen durch Kaltluftabfall an kalten Oberflächen. Das Ergebnis einer Studie von Heiselberg (1994) zeigte, daß die maximale Luftgeschwindigkeit vmax , gemessen 0,4 bis 2 m von der kalten Oberfläche, nach der folgenden Gleichung geschätzt werden kann:

Hierbei ist

h die Höhe der kalten Oberfläche,

to die operative Temperatur,

tw die Wand-/Fenstertemperatur,

x der Abstand von der kalten Oberfläche.

Angenommen, die operative Temperatur beträgt 22C und die Außentemperatur -12C. Bei einem Abstand von 1 m von der kalten Oberfläche und Einsetzen der Gleichung kann die maximale Höhe h als eine Funktion der zulässigen Luftgeschwindigkeit (DIN 1946, ISO 7730) und des k-Wertes für die Wand/Fenster anhand der folgenden Gleichung geschätzt werden:

Geht man von einem Luftstrom mit geringer Turbulenz, 10-20% und einer Lufttemperatur von 21C aus, beträgt die empfohlene maximale Luftgeschwindigkeit nach existierenden Normen 0,18 m/s. Bei einer Standard-Doppelverglasung mit kw = 2,9 W/(m2 K) beträgt die Höhe dann maximal 1,6 m, bei Wärmeschutzglas mit kw = 1,5 W/(m2 K) maximal 3 m.

Bei extremen Fensterfassaden ist es möglich, die Zugerscheinungen von Kaltluftabfall durch verschiedene Maßnahmen zu vermeiden: Einbau von Fenstersprossen (-balken), die die Kaltluftströmung unterbrechen, Einbau von Fußbodenheizung, evtl. mit Randzone, Konvektoren oder Heizkörpern unter dem Fenster. Diese Ergebnisse bestätigen jedoch, daß die Notwendigkeit eines Heizkörpers unter dem Fenster nicht gegeben ist und in vielen Fällen auf eine Randzonenheizung ebenfalls verzichtet werden kann.

Raumluftqualität

Aufgrund der besseren Dämmung und damit der höheren Oberflächentemperaturen von Außenwänden und Fenstern kann grundsätzlich die Lufttemperatur in einem Niedrigenergiehaus geringer als im Standardhaus gehalten werden. Dies hat zur Folge, daß während der Heizperiode im Winter die relative Luftfeuchtigkeit höher liegt. Effekt: Mögliche Probleme mit dem Austrocknen der Atemwege, Augen und Haut reduzieren sich. Studien (Fang, 1996) belegen darüber hinaus, daß der Mensch grundsätzlich die Raumluftqualität bei niedrigeren Lufttemperaturen als angenehmer empfindet. Dieser Effekt ist noch deutlicher mit einem Strahlungsheizsystem wie Fußbodenheizung.

Wie Studien des Deutschen Allergie- und Asthmabundes e.V. und Kuehr (1994) beweisen, verschlechtert eine Fußbodenheizung die Lebensbedingungen der Hausstaubmilbe im Vergleich zu radiatorbeheizten Räumen. Die Temperaturen in Teppichen und Matratzen, den bevorzugten Aufenthaltsorten dieser Allergieauslöser, sind höher; die relative Feuchtigkeit in diesen Bereichen dann aber geringer. Damit fehlt den Hausstaubmilben die Lebensgrundlage.

Regelung

Nach der Heizungsanlagenverordnung müssen alle Heizsysteme in Wohnungen mit einer witterungsgeführten Zentralregelung und einer individuellen Raumregelung ausgestattet werden. Früher war eine Einzelraumregelung für die Fußbodenheizung nicht gefordert. Bei der zentralen Regelung wird normalerweise die Vorlauftemperatur über ein Mischventil nach einer Heizkurve und der Außentemperatur gesteuert. Für die Fußbodenheizung ist es aber empfehlenswert, das Zweifühlerprinzip, bei dem die mittlere Heizwassertemperatur als Durchschnitt von Vor- und Rücklauftemperatur nach der Außentemperatur und der Heizkurve geregelt wird, zu verwenden. Bei einer Absenkung des Wärmebedarfs in einer Wohnung wegen Sonneneinstrahlung, Personen oder Beleuchtung steigt die Rücklauftemperatur; mit einer Regelung nach dem Mittelwert zwischen Vor- und Rücklauftemperatur senkt sich die Vorlauftemperatur ab und die Wärmezufuhr wird reduziert. Das ergibt eine effizientere Zentralregelung.

Für die Fußbodenheizung ist es empfehlenswert, daß die Zentralregelung auch über eine Schnellaufheizfunktion verfügt, um die Aufheizung nach einer Nachtabsenkung zu beschleunigen. Mit der erhöhten Wärmedämmung werden die Einsparungen bei Nachtabsenkung im Wohnungsbau mit nur bis zu 8 Stunden Absenkung allerdings gering.

Mit einem geringeren Wärmebedarf bedeutet der Einfluß der Sonneneinstrahlung auf einen Raum und eine Änderung der Belastung durch Personen eine relativ große Änderung des Wärmebedarfs und damit einen Anstieg der Raumtemperatur. Das beeinflußt die Behaglichkeit. Wenn die Regelung nicht schnell genug anspricht, öffnen die Raumbenutzer die Fenster, um zu lüften und die Raumtemperatur schnell wieder abzusenken, und das kann zu einem erhöhten Energieverbrauch führen.

Bild 2: Gemessene Werte von Vorlauf-, Rücklauf-, Außen- und operativer Raumtemperatur im Niedrigenergiehaus NEH-R.

In einem früheren Bericht (IKZ-HAUSTECHNIK, 6/95: Fußbodenheizungen in Gebäuden mit geringem Wärmebedarf) wurde dargestellt, daß die Fußbodenheizung wegen des hohen Selbstregeleffektes in Kombination mit einer Einzelraumregelung ein sehr regelfähiges System ist, um die Einflüsse von Innenlasten und Sonneneinstrahlung zu regeln. In einer anderen Studie wurden das Raumklima und die Heizsystemtemperaturen in zwei Niedrigenergiehäusern mit Fußbodenheizung einige Wochen im Winter gemessen.

Tabelle 4: k-Werte und Energiedaten für die zwei Niedrigenergiehäuser

Wand

Dach

Keller

Fenster

Norm-Heizlast

Energieverbrauch

W/(m2 K)

W/(m2 K)

W/(m2 K)

W/(m2 K)

W/m2

kWh(m2 a)

NEH-Z

0,18

0,15

0,25

1,50

32

55 (93/94)

NEH-R

0,19

0,30

0,45

1,30

28

64 (92/93)

67 (93/94

In Tabelle 4 sind die k-Werte mit der Norm-Heizlast und der über einige Heizperioden gemessene Heizenergieverbrauch aufgeführt. Tabelle 5 zeigt Durchschnittswerte für zwei Meßperioden. Während dieser Meßperiode lag die operative Temperatur in einem Temperaturbereich von nur 2 bis 2,5 K. Bild 2 gibt die entsprechenden Meßwerte für Vorlauf-, Rücklauf-, Außen- und operative Raumtemperatur an. Ein Strahlungsmeßfühler zeigt, zu welchem Zeitpunkt die Sonne einstrahlt. Zwischen dem 14. und 18. Februar sind leider einige Meßfühler ausgefallen.

Tabelle 5: Messungen in dem Wohnraum der zwei Häuser

Haus

Außen

Vorlauf

Rücklauf

Fußboden

Luft

Operative

NEH-R

4.2 - 17.2.94

Mitteltemperatur [C]

0,0

30,8

25,1

23,1

22

22,2 1,3*

Bereich von ... bis [C]

-10 bis 8,8

22,6 bis 39,5

21,6 bis 29,4

22,0 bis 24,2

19,5 bis 23,6

21 bis 23,8

NEH-Z

9.3. - 20.3.94

Mitteltemperatur [C]

5,1

31,6

27,1

21,0

20,7

20,8 1,1*

Bereich von ... bis [C]

-2,5 bis 14,1

22,4 bis 46,2

21,7 bis 40,6

19,0 bis 22,3

17,1 bis 24,1

19 bis 24,3

* 95% Konfidenzgrenze; d.h., 95% der Meßwerte liegen innerhalb dieses Bereiches

Die Verteilung der operativen Raumtemperatur ist in Bild 3 dargestellt. Fast alle Werte liegen in dem Bereich 21 bis 23C. Die Messungen in Bild 4 zeigen, daß die Fußbodentemperatur mehrmals die Raumtemperatur übersteigt und damit keine Wärmeabgabe vom Fußboden erfolgt. Die etwas hohen Raumtemperaturen am Abend des 12. und 18. März sind durch den Einfluß von einem Holzofen in der Höhe der Meßfühler verursacht worden. Die niedrigen Werte für die operative Temperatur kommen durch die Fensterlüftung. Diese Messungen verdeutlichen, daß ein Fußbodensystem auch in Niedrigenergiehäusern ein regelfähiges System ist.

Bild 3: Verteilung der operativen Raumtemperatur über die ganze Meßperiode im Haus NEH-R.

Auslegung

Grundsätzlich ändert sich die Auslegung von Fußbodenheizung wegen der Absenkung des Wärmebedarfs nicht. Um den Wärmebedarf abzudecken, wäre es möglich, größere Rohrabstände, Teilverlegung, kleinere Rohre oder niedrigere Durchströmung zu verwenden. Die Durchströmungsgeschwindigkeit darf nicht zu niedrig sein, weil die Strömung im Turbulenzbereich sein muß wegen der Wärmeübergangszahl zwischen Wasser und Rohr. Im Niedrigenergiebereich ist es empfehlenswert, mit einer kleinen Spreizung von 5 K (Vorlauf-/Rücklauftemperatur) auszulegen. Damit erreicht man auch eine Verbesserung des Selbstregeleffektes. Normalerweise ist es auch nicht nötig, eine Randzone mit enger Verlegung vorzusehen.

Bild 4: Temperaturverlauf von Fußboden- und operativen Raumtemperaturen in dem Niedrigenergiehaus NEH-Z.

Zusammenfassung

Dieser Bericht zeigt, daß auch in Zukunft die Fußbodenheizung ein sinnvolles System für Heizung im Wohnungsbau ist. Mit den höheren Anforderungen an die Wärmedämmung von Fenstern und Wänden wird das thermische Raumklima gleichmäßiger und die Unterschiede zwischen den Heizsystemen kleiner.

Kaltluftabfall und Strahlungsasymmetrie wegen kalter Fensterflächen ist mit dem existierenden Standard für Fenster kein Thema. Damit besteht auch kein Bedarf für den zusätzlichen Einbau von Heizkörpern unter dem Fenster.

Mit dem geringen Wärmebedarf wird die erforderliche Fußbodentemperatur bei Fußbodenheizung nur einige Grade höher als die Raumtemperatur. Das erhöht den Selbstregeleffekt bei Fußbodenheizung und damit die Regelfähigkeit.


* Strahlungsasymmetrie: Temperaturunterschied zwischen Fassadenwand und Rückwand.


B i l d e r : Velta, Norderstedt


L i t e r a t u r :

[1] Bach, H.; Bauer, M.; Reichert, H.: Heizkörper - eine architektonische Aufgabe. DAB, Nr. 10, 1996.

[2] Deutscher Allergie- und Asthmabund: Hausstaubmilben-Allergie, Merkblatt, Mönchengladbach.

[3] DIN 1946: Raumlufttechnik Teil 2.

[4] Fanger, P.O.; Ipsen, B.M.; Langkilde, G.; Olesen, B.W.; Christensen, N.K.; Tanabe, S.: Comfort limits for asymmetric thermal radiation. Energy and Buildings, 8, 1985.

[5] Fang, L.; Clausen, G.; Fanger, P.O.: The impact at temperature and humidity on perception and emission of indoor air pollutants. Indoor Air 96, Nagoya, Japan.

[6] Heiselberg, P.: Statified flow in rooms with a cold vertical wall. ASHRAE Trans. 1994.

[7] ISO Standard 7730: Moderate thermal environments-Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. Geneva: International Organization for Standardization, 1994.

[8] Kuehr, J.; Frischer, T.; Karmaus, W.; Meinert, R.; Barth, R.; Schraub, S.; Daschner, A.; Ubanek, R.; Forster, J.: Natural variation in mite antigen density in house dust and relationship to residential factors. Clinical and Experimental Allergy, 1994, Volume 24.

[9] Olesen, B.W.: Eine vereinfachte Methode zur Verifizierung der Anforderungen an das Thermische Raumklima. HLH, Nr. 4, 1995.

[10] Olesen, B.W.: "Fußbodenheizungen in Gebäuden mit geringem Wärmebedarf". IKZ-HAUSTECHNIK, Heft 6, 1995.

[11] prEN 1264: Fußbodenheizung: Systeme und Komponenten. Normentwurf, Brüssel, 1994.


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