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Fußbodenheizungen bedarfsorientiert regeln - Teil 2

Beimischen statt (er)drosseln

Die vielfältigen Entwicklungspotentiale in der Hydraulik sowie im Betrieb von Fuß­bodenheizungen soll diese Beitragsreihe aufzeigen. Im zweiten Teil werden nun innovative Lösungen bzw. aktuelle Entwicklungen im Bereich der Hydraulik wasserführender Fußbodenheizungssysteme dem Fachpublikum erstmals vorgestellt. Das neue System der raumweisen, bedarfsorientierten Beimisch-Regelung von Fußbodenheizungen wird ausführlich beschrieben, ist aber noch nicht marktverfügbar.

Ein paar Füße stehen auf einem Holzboden.
Quelle: Pexels / https://www.pexels.com/
Die heute gebräuchliche Drossel-Regelung mittels Auf/Zu-Stellantrieben in Fußbodenheizungssystemen führt zu Trägheit, Überversorgung, Energieverschwendung, Komforteinbußen und unkontrollierte Wärmeabgabe der Zuleitungen vom Verteiler zu den Räumen.

Wie im ersten Teil des Fachbeitrags "Fußbodenheizungen bedarfsorientiert regeln – mit der Norm am Bedarf vorbei" ausführlich beschrieben, bedingt die herkömmliche (heute gebräuchliche) Drossel-Regelung mittels Auf/Zu-Stellantrieben in Fußbodenheizungssystemen Trägheit, Überversorgung, Energieverschwendung, Komforteinbußen und unkontrollierte Wärmeabgabe der Zuleitungen vom Verteiler zu den Räumen. Dies stellt nicht mehr den Stand der Technik dar!

Die Entwicklungen und die Zukunft der raumflächenintegrierten Wärmeübergabesysteme sowie der Fußbodenheizung gehen in ganz andere Richtungen:

Gefordert sind Energieeinsparung und Ressourcenschonung bei hohem thermischen Komfort. Gefordert sind selbstlernende, adaptive, bedarfsorientierte Regelungen mit raumweiser temporärer Temperaturabsenkung. Gefordert sind nicht zuletzt Vernetzung und "Smart Home"-Funktionen als Bausteine eines zukunftsfähigen Energiemanagements.

Um aber moderne Regelsysteme verstehen zu können, sollen an dieser Stelle die Begriffe "Steuerung" und "Regelung" unterschieden werden, die in der Praxis häufig fälschlicherweise als Synonyme verwendet werden: Die klassische Steuerung besteht zum Beispiel aus Raumtemperaturfühler, Außentemperaturfühler und einem Steuergerät. Das Steuergerät errechnet mit den Messwerten der Fühler und vorgegebenen Kennlinien eine Sollgröße für die Regelung. Die Regelung wiederum besteht aus Ventilen mit Stellantrieben, die die errechnete Sollgröße – hier Wassermenge –, die von der Steuerung vorgegeben wird, einstellt und überwacht.

Wo die Drossel-Regelung (nicht) funktioniert…

Die Drossel-Regelung ist das derzeit übliche Regelsystem für Heizkörper und Fußbodenheizungen (Abb. 1).

Das Schema zeigt eine Drossel-Regelung bei Fußbodenheizungen.
Quelle: Gabanyi
Abb.1: Herkömmliche Drossel-Regelung bei Fußbodenheizungen (zentrale Verteilung).

Ihr grundlegendes Prinzip: Konstante Vorlauftemperatur, variable Wassermengen. Um die Wärmeübergabe zu regeln, wird also der Wasserdurchfluss durch die Heizflächen gedrosselt bis abgesperrt. Alle Heizkörper oder Fußbodenheizflächen der Heizungsanlage eines Hauses werden von der gleichen Vorlauftemperatur versorgt. Die Heizflächen müssen der Heizlast angepasst werden.

Bei Heizkörpern funktioniert dieses Regelsystem perfekt: Die Heizkörper-Größe wird einfach durch Variation von Bauhöhe, -tiefe und -länge der geforderten Raumheizlast exakt angepasst. Die geringe Speicherfähigkeit des Heizkörpers und zusätzliche Konvektion kommen der Drossel-Regelung hier zugute.

Die Fußbodenheizung jedoch ist für die Drossel-Regelung nicht geeignet. Warum gibt es diese Probleme hier: Die Größe der Heizfläche – der Fußboden eines Raumes – kann nicht verändert werden.

Die unterschiedlichen Verlegeabstände der Heizrohre im Estrich von 10, 15 und 20 cm können die Wärmeabgabe nicht ausreichend variieren, um die Heizfläche "Boden" der Heizlast anzupassen. In einem Wohngebäude schwanken zudem die spezifischen Heizlasten der einzelnen Räume häufig zwischen 35 und 75 W/m². Die Vorlauftemperatur für alle Räume des Hauses ist gleich und wird vom Raum mit der höchsten spezifischen Heizlast bestimmt (DIN EN 1264-3).

Mit dieser Vorlauftemperatur sind bei Fußbodenheizung alle anderen Räume des Gebäudes stark überversorgt. Die Temperaturspreizung ist normativ auf maximal 20 K begrenzt. Des Weiteren ist der Speicherestrich mit einer Verzugszeit von bis zu sechs bis neun Stunden sehr träge. Aus diesen genannten Eigenschaften der Fußbodenheizung ergeben sich genau die gegenteiligen Voraussetzungen wie bei Heizkörpern.

Dennoch: Die Drossel-Regelung wird, obwohl für Fußbodenheizungen offensichtlich nicht geeignet, aus Mangel an Alternativen bis heute eingesetzt.

Die einzige Möglichkeit, die Wärmeabgabe des Bodens eines jeden Raumes der Heizlast anzupassen, ist eine individuelle, raumweise Vorlauftemperatur. Das Problem "Trägheit" wird auf ein Minimum reduziert. Das ist gleichzeitig die Voraussetzung für eine moderne Fußbodenheizung, die den Kriterien der Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit entspricht.

Besseres Konzept: Raumweise Beimisch-Regelung

Eine Verbesserung der hydraulisch überaus unbefriedigenden Ist-Situation wird mit einer raumweisen Beimisch-Regelung von Fußbodenheizungen möglich (Abb. 2).

Schema einer zentralen Beimisch-Regelung bei Fußbodenheizungen.
Quelle: Gabanyi
Abb.2: Innovation - Beimisch-Regelung (zentrale Verteilung) bei Fußbodenheizungen.

Ihr grundlegendes Prinzip: Konstante Wassermenge, variable Vorlauftemperaturen. Jeder Heizkreis (Raum) ist demnach ein eigener Regelkreis, dessen individuelle Vorlauftemperatur über Regelventil und Pumpe bestimmt wird. Die adaptive, bedarfsorientierte Steuerung ist schon seit Jahren von verschiedenen Herstellern hauptsächlich im Zusammenhang mit Heizkörpern im Einsatz.

Am Verteiler der Fußbodenheizung steht die höchste (für den ungünstigsten Raum notwendige) Vorlauftemperatur an. Es kann aber auch zum Beispiel die hohe Vorlauftemperatur der Wohnungsstationen zur Brauchwarmwasserbereitung sein. Die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen für die einzelnen Räume werden dann individuell, bedarfsorientiert heruntergemischt.

Die Ergebnisse und Wirkungen der Beimisch-Regelung in Fußbodenheizungssystemen im Überblick:

  • Keine Überdimensionierung und keine Überversorgung mehr. Jeder Heizkreis (Raum) einer Wohnung bzw. eines Hauses bekommt eine individuelle Vorlauftemperatur. Durch diese individuelle Vorlauftemperatur wird exakt die Wärme an den Raum abgegeben, die der adaptiv ermittelten Heizlast entspricht.

  • Energieeinsparung durch niedrigere Vorlauftemperatur. Ein stetiger Heizwasserdurchfluss, der ein ständiges Aufheizen und Auskühlen des Heizestrichs verhindert, kommt mit niedrigerer Vorlauftemperatur aus. Niedrigere Vorlauftemperaturen bedeuten insbesondere bei Wärmepumpenbetrieb Energieeinsparung. Ein permanent durchflossener Heizkreis bei dieser Beimisch-Regelung reagiert auf kleinste Abweichungen vom Sollwert der Raumtemperatur mit feinsten Änderungen der Vorlauftemperatur.

  • Energieeinsparung durch reduzierte Wassermenge mit Auslegungstemperatur. Bei der Beimisch-Regelung muss nur die Wassermenge des ungünstigsten Heizkreises mit der hohen, "teuren" Auslegungstemperatur versorgt werden. Alle anderen Heizkreise sind auf einem niedrigeren Temperatur-Niveau. Bei der Drossel-Regelung werden alle Heizkreise von der hohen Auslegungs-Temperatur versorgt.

  • Energieeinsparung durch Absenken der Solltemperatur einzelner Räume. Die Absenkphasen sollen während der Abwesenheit, auch tagsüber, möglichst lange andauern. Dafür ist die Fußbodenheizung wegen ihrer Trägheit im Allgemeinen nicht geeignet. Die neue Beimisch-Regelung ermöglicht raumweise unterschiedliche Absenktemperaturen und -zeiten. Durch anschließendes schnelles Aufheizen, also lange Absenkzeiten, kann der Heizenergiebedarf, laut Expertenmeinung, um 15 bis 25 Prozent reduziert werden.
  • Schnelleres Aufheizen nach Absenkphase. Die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der einzelnen Heizkreise liegen, bis auf den ungünstigsten Heizkreis, unterhalb der am Verteiler anstehenden Vorlauftemperatur. Ein schnelleres Wiederaufheizen erreicht man durch kurzfristiges Anheben ("pushen") der Temperatur auf die maximale Vorlauftemperatur des Verteilers (Abb. 4).

Das Diagramm zeigt, wie das kurzfristige Anheben der Vorlauftemperatur nach der Absenkphase das Wiederaufheizen beschleunigt.
Quelle: Gabanyi
Abb.4a: Kennlinien mit schnellem Wiederaufheizen: Das kurzfristige Anheben der Vorlauftemperatur (B-B‘) nach der Absenkphase (A-A‘) beschleunigt das Wiederaufheizen auf die ursprüngliche Raumtemperatur (N-N‘)...

Das Diagramm zeigt die verlängerte Absenkphase einer Fußbodenheizung.
Quelle: Gabanyi
...und verlängert somit die energiesparende Absenkphase (Abb.4b).

Im mehrgeschossigen Wohnungsbau kann die Vorlauftemperatur einzelner Heizkreise so kurzfristig sogar auf das Temperaturniveau der Wohnungsstation (60 °C) angehoben werden. Dieses kurzfristige Anheben der Vorlauftemperatur (B-B‘) nach der Absenkphase (A-A‘) beschleunigt das Wiederaufheizen auf die ursprüngliche Raumtemperatur (N-N‘) und verlängert somit die energiesparende Absenkphase.

  • Bei Wohnungsstationen kann außentemperaturabhängige Steuerung entfallen. Die hohe Vorlauftemperatur an der Wohnungsstation (60 °C für Brauchwarmwasser) wird durch raumweises Beimischen des kalten Kreisrücklaufs heruntergekühlt. Das geforderte Temperaturniveau ist bedarfsbedingt für jeden Raum unterschiedlich. Die hohe am Verteiler anstehende Temperatur wird zum schnellen Aufheizen nach einer energiesparenden Absenkphase eingesetzt. Die derzeit üblichen ungenauen Regelungsformen mit Referenzraum oder manueller Festeinstellung der Vorlauftemperatur für die Fußbodenheizung können entfallen.
  • Individuelle Heizungskennlinie für jeden Raum. Jedem Raum wird eine individuelle Heizungskennlinie zugeordnet. Der Maximalwert entspricht der Heizlast des Raumes für den Auslegungsfall bei niedrigster Außentemperatur. Während des Betriebes wird diese Kurve laufend über selbstlernende Algorithmen dem tatsächlichen Bedarf adaptiv angepasst. Der individuelle Bedarf wird vom Nutzerverhalten, von raumspezifischen Gegebenheiten wie Ausrichtung, Speicherfähigkeit der Umschließungsflächen, Bodenbelag, Raumgeometrie sowie Möblierung usw. beeinflusst.

  • Pumpenleistung im Heizkreis ist konstant. Eine konstant laufende Pumpe sorgt für bessere Wärmeverteilung im Raum und eine gleichmäßige Oberflächentemperatur des Bodens. Bodenflächen vor raumhohen Fenstern, die mehr Wärme nach außen abstrahlen, kühlen dadurch zum Beispiel nicht stärker aus.

Freitag, 23.03.2018

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