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Fußbodenheizung: (K)Eine Lösung für Kunden von heute

Bedarfsheizung Teil 2: Überversorgte Fußbodenheizungen als "Effizienzkiller".

Ein kaputtes Rohr mit vier Ventilen.

Dass die aktuelle thermostatische Raumtemperatur-Regelung ("Drossel-Regelung") für Systeme der Fußbodenheizung nicht geeignet ist, da sie nicht "selbstlernend, adaptiv und bedarfsorientiert" arbeitet, wurde an dieser Stelle schon mehrfach gezeigt. Der Entwicklungsauftrag für die "Fußbodenheizung von morgen" ist demnach klar beschrieben: Sie muss von einer Angebotsheizung zu einer Bedarfsheizung transformiert werden, wo von den modernen Endkunden doch Energieeinsparung, Ressourcenschonung, hoher thermischer Komfort und "Smart Home"-Funktionalitäten gefordert werden. Im ersten Teil des Fachbeitrags wurde denn auch der Regel- und Wirkkreis "Fußbodenheizung" genauer untersucht. Im nun folgenden zweiten Teil werden die Hauptgründe für die Überversorgung bei der heutigen Angebots-Fußbodenheizung analysiert.

Ein Regel- und Wirkkreis "Fußbodenheizung", in dem zwischen "Actio" und "Reactio" Stunden vergehen, ist im digitalen Zeitalter gegenüber einem "Kunden von heute" nicht mehr vertretbar, wurde im ersten Teil gefolgert. Energieverschwendende Angebots-Fußbodenheizungen müssen deshalb dringend durch energie-effiziente Bedarfsheizungen ersetzt werden, um den Forderungen nach Energieeinsparung und thermischem Komfort gerecht zu werden.

Nomenklatur: Angebots- vs. Bedarfsheizung

Bei der Angebotsheizung wird das Heizwasser mit dem Wärmeinhalt des errechneten Wärmebedarfs aller Räume vom Wärmeerzeuger über das Rohrnetz zu den Heizkörpern/Heizflächen des ganzen Hauses gepumpt. Jedem Heizkörper bzw. jeder Heizfläche wird die Wassermenge zugeführt, die der errechneten Raumheizlast entspricht. Der hydraulische Abgleich verteilt die Wassermengen richtig. Die Raumtemperatur-Regelung übernehmen Raumthermostate. Voraussetzungen für die richtige Funktion sind die exakte Anpassung der Heizfläche an die errechnete Raumheizlast, der perfekte hydraulische Abgleich und eine richtig eingestellte Kennlinie der außentemperaturgeführten Regelung – zusätzlich: schnell reagierende Raumtemperatur-Regler und eine minimale Speicherfähigkeit der Heizfläche.

Die Bedarfsheizung ist eine Alternative, die dem einzelnen Raum nur die Wärmemenge zuführt, die tatsächlich gerade gebraucht wird und vorher adaptiv (mittels Werkzeugen der "künstlichen Intelligenz") ermittelt wurde. Mit anderen Worten: Exakte Auslegung, Berechnungen und hydraulischer Abgleich sind hier systembedingt nicht notwendig!

Drossel- vs. Beimisch-Regelung

Bei der Drossel-Regelung wird die Wärmeabgabe der Heizfläche durch Veränderung des Heizwasser-Durchflusses geregelt. Die Drossel-Regelung wird derzeit für Heizkörper und Fußbodenheizungen eingesetzt, obwohl sich die beiden Systeme regeltechnisch absolut entgegengesetzt verhalten.

Bei Heizkörpern funktioniert die Drossel-Regelung perfekt: Alle Heizkörper eines Hauses werden systembedingt mit der gleichen Vorlauftemperatur versorgt. Die Heizkörper-Größen werden der errechneten Raum-Heizlast exakt angepasst. Das Thermostatventil am Heizkörper kann auf Fremdwärmeeinträge bei Erreichen des Sollwertes schnell reagieren – der Heizkörper besitzt keine träge Speichermasse.

Bei der Fußbodenheizung werden systembedingt auch alle Heizkreise des Hauses mit der gleichen Vorlauftemperatur versorgt. Die Fußbodenflächen können der errechneten Raumheizlast jedoch nicht angepasst werden. Der Raumthermostat reagiert auf einen Fremdwärmeeintrag erst nach Stunden, die träge Masse des Heizestrichs ist gewaltig. Für Fußbodenheizungen funktioniert die Drossel-Regelung im Sinne einer energieeffizienten Regelung nicht, wird aber aus Mangel an Alternativen bis heute eingebaut.

Bei der Beimisch-Regelung wird dagegen die Vorlauftemperatur raumweise der geforderten Heizlast angepasst, weil die Bodenoberfläche eine feste Größe ist, die nicht angepasst werden kann. Mit der Beimisch-Regelung wird damit die "alte" Angebots-Fußbodenheizung in die geforderte "neue" Bedarfs-Fußbodenheizung transformiert.

Eigentliches Problem der Fußbodenheizung: Überversorgung

Die heute installierte Drossel-Regelung (= "Stand der Technik") kann also das Problem der systembedingten Überversorgung der Fußbodenheizung nicht verhindern. Die Überversorgung oder der "Eigenwärme-Eintrag", gleichbedeutend mit "Energievernichtung", hat verschiedene Ursachen, die in der komplexen Struktur der Wärmeabgabe des Bodens liegen und im ersten Teil des Fachbeitrags ausführlich beschrieben wurden. Hierbei wurde deutlich, dass die Regelung der Fußbodenheizung ein komplexes dynamisches System darstellt.

Dies bedingt, dass bei der Angebots-Fußbodenheizung die Heizwassermenge, die der Raum-Heizfläche zugeführt wird, möglichst genau der zu deckenden rechnerischen Heizlast entsprechen muss. Das setzt wiederum genaue – von Menschen durchgeführte – Berechnungen und präzise Einregulierungsarbeiten voraus. In der Praxis werden diese Voraussetzungen aber bekanntlich häufig nicht erfüllt ("menschliches Versagen"), was bei der Angebotsheizung zwangsläufig zur genannten "Energievernichtung" führt. Es gilt, diese Unzulänglichkeiten des Menschen durch maschinelle Lernfähigkeit bzw. "künstliche Intelligenz" "auszubügeln".

Dienstag, 13.10.2020

Von Peter Gabanyi
Dipl.-Ing. (FH) Energie- und Versorgungstechnik