Vorausschauend geplant

ist halb gewonnen

Fußbodenheizungen sind bekanntlich beliebt: Sie arbeiten energieeffizient, ihre Wärmeabgabe wird als besonders angenehm empfunden und sie bieten Bewohnern maximalen Gestaltungsspielraum bei der Einrichtung. Für eine optimale Funktionsweise sollten bei der Auslegung jedoch bestimmte Kriterien berücksichtigt werden – der folgende Beitrag gibt einen Überblick.

Abbildung: Systeme der Flächenheizung und insbesondere der Flächenkühlung werden immer beliebter.
Quelle: Uponor
Die Systeme der Flächenheizung und Flächenkühlung werden immer beliebter: So wurden in 2020 stolze 252 Mio. laufende Meter Rohr abgesetzt, ein Plus von zwölf Prozent gegenüber dem Vorjahr. Die Option der sommerlichen Kühlung gewinnt dabei an Bedeutung.

Wenn wir den Klimawandel ernst nehmen, müssen wir unseren Lebensstil anpassen – wir müssen klimafreundlicher wohnen. Denn 14 Prozent der gesamten CO2-Emissionen stammen aus dem Gebäudesektor. Und wenn die Emissionen von Stromerzeugung oder Fernwärme sowie von der Herstellung von Baustoffen noch eingerechnet werden, verdoppelt sich dieser Wert. Ziel ist, dass die Treibhausgasemissionen in Deutschland bis 2030 im Vergleich zum Jahr 1990 um zwei Drittel sinken. Energiesparpotential in Gebäuden bietet vor allem das Thema Wärmeregulierung. Nicht nur die Dämmung von Gebäudeaußenflächen beeinflusst den Wärmebedarf stark und damit einhergehend auch die Energieeffizienz. Auch die Heizungsanlage, mit ihren Komponenten Wärmeerzeugung, -speicherung, -verteilung und -übergabe, spielt eine wesentliche Rolle. Prädestiniert, um die Stellschrauben „Energieeffizienz“ und „Erneuerbare Wärme“ nachhaltig zu optimieren, sind im Kontext der Wärmeübergabe die vielfältigen Systeme der Flächentemperierung – allen voran die Fußbodenheizung, welche im Folgenden genauer betrachtet werden soll.

Grafik: Seit der ersten Wärmeschutzverordnung 1977 haben sich die Anforderungen auch an den Heizwärmebedarf stetig erhöht. In Anbetracht der 2030 zu erreichenden Klimaziele wird sich dies fortsetzen.
Quelle: Uponor (nach Fraunhofer IBP)
Seit der ersten Wärmeschutzverordnung 1977 haben sich die Anforderungen auch an den Heizwärmebedarf stetig erhöht. In Anbetracht der 2030 zu erreichenden Klimaziele wird sich diese Entwicklung weiter fortsetzen.

Theoretische Planungsgrundlagen der Fußbodenheizung

Wird eine neue Fußbodenheizung geplant, ist die DIN EN 1264 als Berechnungsgrundlage unerlässlich. Die relevante Kenngröße ist die Basiskennlinie – sie stellt den Zusammenhang zwischen der mittleren Fußbodentemperatur tFB,m und der Wärmestromdichte q als empirische Funktion dar:

q = 8,92 (tFB,m - ti)1,1

Die Leistung der Fußbodenheizung, die Wärmestromdichte (gemessen in W/m2), ist somit von der Temperaturdifferenz der mittleren Fußbodentemperatur tFB,m und der Rauminnentemperatur ti abhängig. Dieser Zusammenhang wird durch den Exponenten von 1,1 für Fußbodenheizungen – bei Heizkörpern beträgt er 1,3 – und den Proportionalitätsfaktor 8,92 bestimmt. Aus der Formel ist ersichtlich, dass jede Erhöhung der Rauminnentemperatur bei konstanter mittlerer Fußbodentemperatur die Wärmestromdichte verringert. Andersherum führt eine höhere Boden-/Oberflächentemperatur zu einer höheren Wärmeleistung. Als Faustformel kann für den Proportionalitätsfaktor ein Wert von 10 angenommen werden, dann zeigt sich: Mit einer um 1 K höheren Temperaturdifferenz zwischen Oberboden- und Raumtemperatur wird eine um 10 W/m2 erhöhte Wärmestromdichte erzielt.

Auch nach Einführung des neuen Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der aktualisierten Variante der Norm für die Heizlastberechnung DIN EN 12831-1 im vergangenen Jahr beträgt der typische reale Wärmebedarf im Neubau etwa 30 W/m2. Auch wenn die Bedingungen des Auslegungsfalls nur für etwa fünf Prozent der Heizperiode gelten, muss die Leistung der Fußbodenheizung dem Wärmebedarf in diesem Fall entsprechen. Übertragen auf die Funktion der Basiskennlinie ergibt sich folglich für den Auslegungsfall und eine Raumtemperatur von 20 °C eine Oberflächentemperatur des Fußbodens von etwa 20 °C + 30/10 K = 23 °C. In der übrigen Zeit der Heizperiode ist der Wärmebedarf geringer und liegt im Schwachlastbetrieb bei etwa 10 bis 20 W/m2. Daraus resultieren Oberflächentemperaturen von entsprechend etwa 21 bis 22 °C.

Je nach gewählten Berechnungsparametern kann der rechnerische Wärmebedarf jedoch darüber liegen: Ein erhöhter Lüftungswärmebedarf, Aufheizreserven und höhere gewünschte Innentemperaturen (ein Komfortzuschlag von 3 K) steigern den Wärmebedarf. Seit April 2020 muss die Lüftung laut DIN/TS 12831-1 nach Gebäudezonen berechnet werden. Das führt im Schnitt zu einer Steigerung der Heizlast um rund zehn Prozent im Vergleich zur bisherigen Berechnungsmethode – für einzelne Räume kann es auch mehr sein. Sind zusätzlich höhere Raumtemperaturen gewünscht, kann es vorkommen, dass die Heizlast die Heizleistung der Fußbodenheizung überschreitet und eine zusätzliche Wärmequelle eingeplant werden muss. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass sich diese Überschreitung nur auf die wenigen Tage im Jahr bezieht, in denen der Auslegungsfall erreicht wird. Ob diese finanzielle Investition notwendig ist, sollte der Bauherr also selbst entscheiden. Soll ein Gebäude nach einer Temperaturabsenkung – zum Beispiel über Nacht – schnell wieder die Solltemperatur erreichen, sind Aufheizreserven bei der Berechnung der Heizlast zu berücksichtigen. Als Aufheizreserven können größer dimensionierte Wärmeerzeuger, geringere Verlegeabstände bei der Fußbodenheizung oder eine Erhöhung der Vorlauftemperatur dienen. In allen Fällen muss der Bauherr mit Mehrkosten rechnen. Zudem sinkt – zumindest bei einer erhöhten Vorlauftemperatur – die Energieeffizienz des Wärmeerzeugers, speziell bei Wärmepumpen. Da bei der guten heutigen Dämmung der Gebäude eine Temperaturabsenkung energetisch keine messbaren Vorteile mehr bringt, empfiehlt der Autor, auf diese Aufheizreserven zu verzichten. Sind höhere Innentemperaturen gewünscht und die Solltemperatur wird auf 23 °C statt 20 °C festgesetzt, hat das negative Auswirkungen auf den Wärmebedarf und die Heizleistung der Fußbodenheizung – die DIN EN 12831-1 lässt die Vereinbarung von höheren Innentemperaturen jedoch zu. So erhöht sich die Heizlast bei einer um 3 K höheren Innentemperatur um zehn Prozent. Weil die maximale Oberflächentemperatur für Aufenthaltszonen laut DIN EN 1264 auf 29 °C beschränkt ist, führt eine um 3 K erhöhte Innentemperatur zu einer Reduktion der maximalen Heizleistung von 100 W/m2 auf etwa 70 W/m2. Zusammen können diese Effekte dazu führen, dass im Jahr 2021 die Heizlast bei Niedrigstenergiehäusern in einzelnen Räumen mit einer Fußbodenheizung nominell nicht gedeckt werden kann. Eine Diskussion, die sich eigentlich nach der Einführung der Wärmeschutzverordnung (WSVO) 1995 erledigt hatte, da durch die dort festgelegten Wärmedämmanforderungen der Wärmebedarf sicher unter die von der Fußbodenheizung lieferbaren 100 W/m2 gesenkt wurde – der durchschnittliche Bedarf lag bei 50 W/m2.

Freitag, 20.08.2021

Von Sven Petersen
Referent Uponor Academy CE
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