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Performance von Fußbodenheizungen verbessern

Diese Art der Regelung kann hier nicht im Sinne der Energieeffizienz funktionieren, weil (vgl. Abb. 2):

a.) Die Bodenfläche (HFL2) des Raumes nicht die Heizfläche ist, deren Wärmeabgabe mit dem Raumthermostaten beeinflusst wird. Sie wird nur deshalb "Heizfläche" genannt, weil hier der Wärmeübergang zwischen Bodenoberfläche und Raum stattfindet. Die Wärmeabgabe dieser "Heizfläche" (HFL2) an den Raum ist über Raumfühler nicht regelbar.

Wenn der Raumfühler (F2) bei Erreichen der Soll-Raumtemperatur das Schließen des Regelventils (M) verursacht, unterbricht der Stellantrieb (M) den Durchfluss des Heizwassers. Dem Estrich wird über die Rohroberfläche (HFL1), der eigentlichen regelbaren Heizfläche, keine Wärme mehr zugeführt. Die Heizfläche (HFL1) ist die Oberfläche des Rohres, die die Wärme aus dem Heizwasser an den umschließenden Heizestrich abgibt. Der Estrich ab Rohroberfläche, die Bodenbeläge und die Raumluft bis zum Raumthermostat (F2) sind "undefinierte Dämpfungsglieder" dieses Regelkreises, die letztlich die regelungstechnische Trägheit ausmachen.

b.) Die Heizwasser-Temperatur für die Heizkreise aller Räume systembedingt gleich ist, obwohl die spezifische Heizlast (W/m²) der Räume unterschiedlich ist. Die Fußbodenheizung lässt sich wegen der geringen Variationsmöglichkeiten (drei Rohrabstände) und fest vorgegebenen, unveränderbaren Raumflächen den geforderten Raumheizlasten (30 bis 70 W/m²) nicht anpassen.

Schematischer Aufbau der
Quelle: Peter Gabanyi /
Abb.2: Schematischer Aufbau der "Heizfläche" einer Fußbodenheizung.

Bei den Abb. 4 und 5 handelt es sich um ein "Gedankenexperiment". Das heißt, hier führt die systembedingt gleiche Heizwasser-Temperatur (im Bsp. 48 °C) für alle Räume des Gebäudes beim Nebenraum (vgl. Abb. 5) mit geringerer spezifischer Heizlast dazu, dass ein Teil der Raumfläche (weiße Fläche) nicht beheizt werden dürfte, um eine Überversorgung des Raumes mit Wärme zu vermeiden.

Schematische Darstellung der Anpassung  der
Quelle: Peter Gabanyi
Abb.4: Schematische Darstellung der Anpassung der "Heizfläche" einer Fußbodenheizung mit Drosselregelung an die individuelle spezifische Raumheizlast, hier: "Masterraum", 70 W/m², entspricht 100 Prozent beheizter Fläche.

Schematische Darstellung der Anpassung  der
Quelle: Peter Gabanyi
Abb.5: Schematische Darstellung der Anpassung der "Heizfläche" einer Fußbodenheizung mit Drosselregelung an die individuelle spezifische Raumheizlast, hier: "Nebenraum", 30 W/m², entspricht 42 Prozent beheizter Fläche.

Eine kalte Boden(teil)fläche ist aber wegen thermischer Spannungen im Estrich und Komfortverlust nicht zulässig. Der Boden muss komplett beheizt werden. Die energievergeudende Überversorgung ist daher bei dieser Drossel-Regelung einer Fußbodenheizung nicht zu vermeiden.

Schema einer Drosselregelung.
Quelle: Peter Gabanyi
Abb.3: Die Drosselregelung wird, obwohl für Fußbodenheizungen offensichtlich nicht geeignet, aus Mangel an Alternativen bis heute eingesetzt.

c.) Die Regelventile (M) 2-Punkt-Stellantriebe (Auf/Zu) sind, die keine stetige Regelung zulassen. Die unerwünschte regelungstechnische Trägheit der Fußbodenheizung kann demnach folgendermaßen erklärt werden: Wenn ein Raumfühler bei Erreichen der Soll-Raumtemperatur den Stellantrieb (M) schließt, wird nur der Wasserdurchfluss durch das Rohr des Heizkreises abgestellt.

Der bereits aufgeheizte Estrich gibt, obwohl kein Heizwasser-Durchfluss vorhanden ist, noch einige Stunden Wärme über die Bodenoberfläche an den Raum ab. Diese sich wiederholende, zyklische Schaltweise führt zur energievergeudenden Überversorgung aller Räume des Gebäudes. Der Raumthermostat erkennt diese eigene Überversorgung als "Fremdwärmeeintrag" und reagiert wieder durch Schließen des Stellantriebes. Die durch das zyklische Ein- und Ausschalten der Wärmezufuhr bedingte Temperaturwelligkeit des Bodens reduziert zusätzlich den thermischen Komfort. Die träge Reaktion der Regelung auf eine "Störung", wie Sonneneinstrahlung oder Fensterlüftung, dauert meistens erheblich länger wie die Störung selbst.

d.) Der geforderte hydraulische Abgleich bei einem Fußbodenheizungs-System mit Drossel-Regelung ist nicht – wie oft gemeint – der Grund für die Überversorgung. Fakt ist, dass die Einstellwerte auch bei richtiger normativer Berechnung von Heizlast und Auslegung der Fußbodenheizung ungenau und falsch sind. In der Bestands-Sanierung ist der hydraulische Abgleich praktisch undurchführbar.

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.

Fußbodenheizung mit verbesserter Regeltechnik

Eine Verbesserung der regeltechnisch überaus unbefriedigenden Ist-Situation (Drossel-Regelung) wird mit einer raumweisen Beimisch-Regelung von Fußbodenheizungen möglich. 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 dezentralen Brauchwarmwasserbereitung sein. Die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen für die einzelnen Räume werden dann individuell, bedarfsorientiert heruntergemischt.

Regeltechnisches Verhalten der Beimisch-Regelung für Fußbodenheizungen

Im Folgenden wird die Innovation für den Neubau, aber auch im Hinblick auf eine serielle, geringinvasive und wirt-schaftliche Sanierung von Fußbodenheizungs-Systemen im Bestand, kurz vorgestellt:

a.) Alle Heizkreise (Räume) werden wegen der unveränderbaren Bodenfläche nun mit unterschiedlichen Heizwas-ser-Temperaturen versorgt, die dem individuellen, adaptiv ermittelten Heizwärmebedarf des Raumes entsprechen (vgl. Abb. 9).

Schematische Darstellung der Anpassung der
Quelle: Peter Gabanyi
Abb.8: Schematische Darstellung der Anpassung der "Heizfläche" einer Fußbodenheizung mit Beimisch-Regelung an die individuelle spezifische Raumheizlast, hier: "Masterraum", 70 W/m², entspricht 100 Prozent beheizter Fläche.

Die Grafik belegt die nachhaltige Verbesserung der Anlagenhydraulik in Fußbodenheizungs-Systemen durch Installation einer Beimisch-Regelung.
Quelle: Peter Gabanyi
Abb.9: Nachhaltige Verbesserung der Anlagenhydraulik in Fußbodenheizungs-Systemen durch Installation einer Beimisch-Regelung: Im "Gedankenexperiment" (vgl. Abb. 4 und 5, Drosselregelung) muss nun nicht mehr die Bodenfläche variiert werden, um die spezifische Raumheizlast des Nebenraums (30 W/m²) zu decken, sondern es kann zielgerichtet und elegant die Vorlauftemperatur beeinflusst werden (nun: 36 °C). Die hier um 12 K reduzierte Vorlauftemperatur kann weiterhin entsprechende Energieeinsparpotentiale heben.

b.) Jeder Heizkreis ist ein eigener Regelkreis mit Mischventil und Heizungsumwälzpumpe (vgl. Abb. 6). Die kleine Pumpe hält die definierte Kreiswassermenge immer konstant, ein hydraulischer Abgleich ist daher nicht notwendig.

Schema einer Beimisch-Regelung (zentrale Verteilung) bei Fußbodenheizungen.
Quelle: Peter Gabanyi
Abb.6: Innovation: Beimisch-Regelung (zentrale Verteilung) bei Fußbodenheizungen.

c.) Die Heizwasser-Temperatur eines jeden Kreises wird über eine individuelle Kennlinie gesteuert, die in Abhängigkeit von der Führungsgröße Außentemperatur der individuellen bedarfsgerechten Raumheizlast entspricht.

d.) Über die vom Raumfühler gemessene Raumlufttemperatur wird die adaptive, bedarfsgerechte Raumheizleistung in Abhängigkeit der Außentemperatur ermittelt. Die Kennlinie wird laufend mit diesen Werten überprüft und angepasst. Eine direkte Verbindung zwischen Raumthermostat und Mischventil gibt es nicht. Aus diesen Funktionen heraus ergibt sich das Verhalten einer stetigen Regelung.

e.) Diese Anpassung der adaptiv ermittelten, bedarfsgerechten Raumheizleistung an die Kennlinie führt dazu, dass alle späteren bauphysikalischen Änderungen an der Gebäudehülle oder etwaige Nutzungsänderungen während des Gebäude-Lebenszyklus bzw. des Betriebs automatisch angepasst werden.

f.) Die dezentrale Verteilung (vgl. Abb. 7) verhindert zusätzlich Wärmeverluste durch unkontrollierte Wärmeabgabe der Zuleitungen vom Wohnungsverteiler der Fußbodenheizung zu den Räumen.

Schema einer Beimisch-Regelung (dezentrale Verteilung) bei Fußbodenheizungen.
Quelle: Peter Gabanyi
Abb.7: Innovation: Beimisch-Regelung (dezentrale Verteilung) bei Fußbodenheizungen.

Fazit

Will man der eingangs erwähnten "Energieeffizienzstrategie Gebäude" folgen, sollen die Gebäude der Zukunft mit nachhaltigen, intelligent gesteuerten Systemen ausgerüstet werden, welche den Energieverbrauch und somit die CO2-Emissionen so reduzieren, dass das Ziel eines "klimaneutralen Gebäudebestands" bis 2050 erreicht wird. Die hier vorgestellte Beimisch-Regelung von Fußbodenheizungen ist im Kontext einer energieeffizienten Haus- und Gebäudetechnik ein wesentlicher Beitrag.

Im Laufe des Jahres 2019 werden sich weitere Fachbeiträge namhafter, kompetenter und unabhängiger Autoren mit dem Thema der bedarfsorientierten Regelung von Fußbodenheizungen beschäftigen. Konkretere Untersuchungen und Ergebnisse durch Simulationsberechnungen sind zu erwarten.

Mittwoch, 24.04.2019

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