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Die dezentral-elektrische (Fußboden-)Heizung hat Potential

Technische Herausforderungen der Fußbodenheizung

Aktuelle Wärmeerzeuger wie Brennwertgeräte und Wärmepumpen arbeiten bekanntlich umso effizienter, je niedriger die Heizwassertemperatur zur Erreichung der geforderten Raumtemperatur sein kann. Im Optimalfall führt dies zu Heizwassertemperaturen von 30 bis maximal 35 °C. Für die Masse des zu erwärmenden Estrichs ist dies jedoch kontraproduktiv, denn es verlängert die Zeitspanne des An- und Abheizens deutlich. So wurde die Estrich-Fußbodenheizung zu einer "Konstant-" statt zu einer "Bedarfs-Heizung".

Die schon in den 1980er-Jahren kritisierte Trägheit der Fußbodenheizung – damals mit Heizwassertemperaturen um 50 °C – wurde noch gesteigert. Die temporäre Anpassung durch Regelsysteme ist kaum möglich. Die Estrichmasse ist dafür zu groß. In einem 160 m² Wohnhaus müssen so mehr als 10 m³ Beton/Estrich aufgeheizt werden, bevor Wärme an den Raum abgegeben wird. Weder Brennwertgeräte noch Wärmepumpen verfügen über eine "Boost"-Funktion (Schnellaufheizung), mit der 50 °C warmes Heizwasser unmittelbar in die Etage, den Raum und das Heizregister geführt werden. Bei max. 30 °C Heizwassertemperatur dauert dieser Aufheizvorgang einfach zu lange.

Resultat: Wärmepumpe und Brennwertgeräte, die von der Außentemperatur geführt werden, arbeiten zwar energiesparend aber eben "konstant". Für den Nutzer bzw. den Menschen ist jedoch die Raumtemperatur das entscheidende Kriterium – und diese möchte sie bzw. er schnell anpassen können.

Ein anwendungstechnisches Problem hat die Estrich-Fußbodenheizung zudem bei Sanierungen: Estriche sind zu dick, zu schwer und zu feucht. In der Sanierung führen Lösungen deshalb fast ausschließlich über den Trockenbau. Der Verzicht auf schwere Nass-Estriche führt wiederum zu anwendungstechnisch und bauphysikalisch anderen Herausforderungen, was ein Umdenken erfordert.

Ziele einer neuen Fußbodenheizung

Nachdem der Heizungsraum durch komplexe Wärmeerzeuger und Regelungssysteme für den Hausbesitzer und Otto-Normalverbraucher mittlerweile zum "Mysterium" wurde, die Kunden andererseits leicht bedienbare (und dennoch hochkomplexe) Smartphones in Händen halten, ist eine essentielle Grundvoraussetzung für neue, innovative Heiztechnologien ein klares Nutzerverständnis! Der Endkunde muss seine Heizung verstehen und bedienen können – und das schnell und in Echtzeit; die Digitalisierung lässt grüßen. Die eindeutige Devise: "Keep it short and simple".

Ein weiterer Kernaspekt fortschrittlicher Innovation ist die Kostensenkung. Die Heizung des Jahres 2018 (= der Stand der Heizungstechnik) widerspricht diesem Dogma. Denn sie ist in der Regel nicht nur kompliziert, sondern auch teuer. Ziel einer Neuentwicklung muss es daher sein, Bauzeiten zu verkürzen, die Kosten der Wärmeerzeugung zu reduzieren, Betriebskosten zu senken, Wartungskosten zu vermeiden und Wohnfläche zu gewinnen. Vorbild können hier digitale Anwendungen, Technologien und Services sein, welche Mehrleistung bieten und dabei Aufwand reduzieren.

Technologie für höheren Kundenutzen

Natürlich ist die digital vernetzte (= elektrische) Welt in manchen Fällen abschreckend, weil sie vieles rasant und disruptiv verändert und nicht immer dem Nutzer bzw. Kunden dient. Dabei sollte Technologie doch vor allem eines tun: das Leben und Arbeiten der Menschen verbessern.

Eine neue, verbesserte (Fußboden-)Heizung definiert sich aus diesem Grund a) durch das Weglassen nicht mehr nötiger Anlagenteile, b) durch geringere Betriebskosten und c) durch einfache sowie unmittelbare Nutz- und Steuerbarkeit.

Eine disruptive Entwicklung der Heizung, ist das überhaupt möglich?

"Disruptive Technologien sind Innovationen, die die Erfolgsserie einer bestehenden Technologie ersetzen oder diese vollständig vom Markt verdrängen", definiert Wikipedia. Das Ziel ist es also, nicht das Bestehende zu optimieren, sondern das gewünschte Ergebnis zu definieren.

Das Unternehmen mfh systems GmbH aus Belm bei Osnabrück, spezialisiert auf Flächenheiz- und -kühlsysteme, hat diesen Ansatz in der Forschung und Entwicklung konsequent verfolgt und mit dem elektrischen System "Ideal E-nergy" eine technologische Alternative zur bekannten Estrich- und Elektro-Fußbodenheizung vorgestellt, welche besonders geeignet ist für den Einsatz in Kombination mit Trockenestrichen.

Die Kernfrage bei der Entwicklung von "E-nergy" lautete: Ist es möglich, auf Heizwasser zu verzichten und ein anderes "Medium" für den Wärmetransport zu finden?

Der Verzicht auf Heizwasser und entsprechende Hydraulikkomponenten sowie die Entwicklung eines neuen Systemheizkabels für den speziellen Anwendungsbereich dünnschichtiger Flächenheizungen ergaben denn auch eine nutzerorientierte und effiziente Systemtechnik.

Die Grafik erläutert die Funktion des Systemheizkabels von
Quelle: mfh systems
Das Heizband reagiert mit differenzierter Wärmeabgabe je nach Wärmeanforderung. Es passt seine Leistungsabgabe dem Wärmebedarf des Raumes an und heizt nur so viel wie im Raum gefordert ist. In kühleren Bereichen (Außenwand/Fenster) ermöglicht es höhere Leistungen (= schnelle Aufheizung) und bei höheren Bodentemperaturen (z.B. Hitzestau) erfolgt automatisch eine sofortige Leistungsreduzierung.

Hierbei wurden die in den Heizelementen integrierten Systemrohre des hydraulischen Systems "Ideal Classic" aus dem Hause mfh systems durch das elektrische Systemheizkabel ersetzt, das eine maximale Temperatur von 50 °C nicht überschreitet. So können die Heizelemente nicht überhitzen und bieten damit eine Grundvoraussetzung für den Einbau in Kombination mit Trockenestrich-Elementen aus Gipsfaser. Eng anliegend am Aluminium-Wärmeleitblech kommt es zu einem idealen Wärmeübergang – analog zum hydraulischen Trockenbausystem. Am Bodenaufbau ändert sich nichts. Da im Trockenbau planebene Untergründe nötig sind, kann die Ausgleichsdämmung "CF-Therm" ebenso verwendet werden wie die effizienten Wärmeleitschichten "CF-Pro".

Die Grafik zeigt den Aufbau der Systemheizkabel von mfh systems.
Quelle: mfh systems
Bei der dezentral-elektrischen Heizlösung "E-nergy" wurden die in den Heizelementen integrierten Systemrohre der wasserführenden Fußbodenheizung "ideal Classic" durch das Systemheizkabel ersetzt, welches eine maximale Temperatur von 50 °C nicht überschreitet.

Der elektrische Anschluss von "E-nergy" ist unkompliziert: Er kann und darf von Heizungs- oder Elektrofirmen ausgeführt werden. Mit einem flachen Bodenaufbau ab 20 mm bietet das System "E-nergy" Vorteile gerade bei der Sanierung.

Eine wichtige Erkenntnis beim System "E-nergy": Diese Heizung geht weg von der Zentralheizung hin zur dezentralen Raumheizung. Und es "frisst" bei gedämmten Häusern und Wohnungen bzw. Niedrigstenergiegebäuden auch keinen Strom. Denn durch Wegfall/Reduzierung der Estrichmasse und sofortige Wärmeabgabe des Systemheizkabels wurde eine Fußbodenheizung als sofort reagierendes Wärmeübergabesystem entwickelt. Die Grafiken zeigen das Ergebnis:

Das Diagramm vergleicht das Aufheizverhalten verschiedener Fußbodenheizungsmaterialien.
Quelle: mfh systems
Zum Erhöhen der Bodentemperatur von 20 auf 24 °C benötigt "E-nergy" (grüne Kurve) in Kombination mit "CF-Pro 12" lediglich acht Minuten. Die Variante des hydraulischen Systems "ideal" mit "CF-Pro 12" (orange Kurve) bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C 16 Minuten und das herkömmliche mfh-Nasssystem (blaue Kurve) mit 65 mm Zementestrich und einer Vorlauftemperatur von 35 °C bis zu 180 Minuten.

Zum Erhöhen der Bodentemperatur von 20 auf 24 °C benötigt "E-nergy“ (grüne Kurve) in Kombination mit "CF-Pro 12" lediglich acht Minuten. Die Variante des hydraulischen Systems "Ideal" mit "CF-Pro 12" (orange Kurve) bei einer Vorlauftemperatur von 35 °C 16 Minuten und das herkömmliche mfh-Nasssystem (blaue Kurve) mit 65 mm Zementestrich und einer Vorlauftemperatur von 35 °C bis zu 180 Minuten. Das verdeutlicht: Bei "E-nergy" mit dünnschichtigen Wärmeleitschichten kann der Nutzer eigenverantwortlich und aktiv Einfluss auf Heizzeiten und Energieverbrauch/-kosten nehmen.

Wissenschaftliche Begleitung

Das elektrische System "E-nergy" ist eine Vollraumheizung, deren Einsatzfähigkeit im Neubau bzw. in allen KfW-Effizienzhaus-Standards offiziell vom ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden, Prof. Dr.-Ing. Bert Oschatz, bestätigt wurde.

Der Energieverbrauch wurde dokumentiert: Für ein "KfW 40"-Effizienzhaus mit einer Grundfläche von 170 m² wurden als Anlagentechnik das System "E-nergy" in Kombination mit einer Brauchwasser-Wärmepumpe, kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung und einer Photovoltaikanlage gewählt.

Die Grafik zeigt den Energieverbrauch und die Energiedeckung des elektrischen Heizsyst
Quelle: mfh systems
Der Energieverbrauch des elektrischen Heizsystems "E-nergy" wurde durch das ItG Institut für technische Gebäudeausrüstung Dresden dokumentiert: Für ein "KfW 40"-Effizienzhaus mit einer Grundfläche von 170 m² wurden als Anlagentechnik das System "E-nergy" in Kombination mit einer Brauchwasser-Wärmepumpe, kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung und einer Photovoltaikanlage gewählt.

Der Endenergiebedarf für Heizung, Warmwasser und Hilfsenergie, abzüglich des nach § 5 EnEV anrechenbaren Eigenverbrauchs der Photovoltaik-Anlage, beträgt lediglich 2.405 kWh/a – das bedeutet jährliche Energiekosten von 627,70 € (Strompreis: 0,261 €/kWh).

Weiter ist gewährleistet, dass diese elektrische Fußbodenheizung aufgrund des selbstregelnden Heizkabels für alle gängigen Bodenbeläge geeignet ist.

Die Graphik zeigt den Aufbau der neuen elektrischen Fußbodenheizung von mfh systems.
Quelle: mfh systems
Die neuartige elektrische Fußbodenheizung ist aufgrund des selbstregelnden Heizkabels für alle gängigen Bodenbeläge geeignet.

Überhitzungen durch temporäre Bodenauflagen (z.B. Wäschestapel, Taschen) oder dicke Teppiche sind ausgeschlossen. Im Gegensatz zu hydraulischen Fußbodenheizungen gibt es zur Ermittlung der Wärmeleistungen keine Normen: In Zusammenarbeit mit Dr.-Ing. Joachim Seifert, TU Dresden, wurde deshalb ein Berechnungsverfahren entwickelt und die Grundlage für Leistungstabellen geschaffen. Damit ist eine fachgerechte Planung des Systems gewährleistet.

Andreas Piephans und Daniel Schuschan.
Quelle: mfh systems
Fünf Jahre investierten die mfh-Gesellschafter in die Entwicklung des Wärmeübergabesystems "E-nergy": Andreas Piephans (li.), Geschäftsführer Vertrieb & Unternehmensleitung, und Daniel Schuschan, Geschäftsführer Technik.

Mittwoch, 21.11.2018

Von Achim Nierbeck
Gesellschafter mfh systems GmbH