Fußbodenheizung bedarfsgerecht regeln

Energieeinsparung und thermischer Komfort bei Fußbodenheizungen kann nur durch absolutes Vermeiden einer Überversorgung erreicht werden. Die Überversorgung ist bei der derzeit eingesetzten Drossel-Regelung allerdings systembedingt. Ein fehlender oder falscher hydraulischer Abgleich ist nicht der Grund für die Überversorgung, er kann diese nur verstärken oder mindern, aber nicht aufheben.

Die Gründe der Überversorgung durch die Drossel-Regelung werden im ersten Abschnitt dieses Beitrags erläutert. Die Lösung des Problems – die Beimisch-Regelung – wird im zweiten vorgestellt.

Überversorgung ist systemimmanent

Die beiden gebräuchlichsten Wärmeverteil- beziehungsweise Übergabe-Systeme – Heizkörper- und Fußboden-Heizung – verhalten sich regeltechnisch absolut entgegengesetzt. Die Heizlastberechnung für beide Systeme wird jedoch nach der gleichen Norm, der DIN EN 12831 „Heizungen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Normheizlast“ berechnet. Ferner werden beide Systeme entsprechend der EnEV 214 § 14 Abs. 2 mit „selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur raumweisen Regelung der Raumtemperatur“, also demselben Regelsystem, ausgestattet. Der Unterschied:

• Heizkörper können in allen Räumen bei gleicher Vorlauftemperatur dank der vielen möglichen Baugrößen exakt der errechneten Raumheizlast angepasst werden.
• Die thermostatischen Heizkörperventile sind Stetigregler.
• Die Trägheit der Heizkörper ist wegen des geringen Wasserinhalts minimal.
• Dank dieser Eigenschaften funktioniert hier die Drossel-Regelung perfekt.
• Eine Fußbodenheizung, ein raumflächenintegriertes Wärmeübergabe-System, bringt genau die gegenteiligen Voraussetzungen mit.
• Bei gleicher Vorlauftemperatur können die Heizflächen (Bodenflächen) der jeweiligen Heizlast kaum angepasst werden.
• Drei unterschiedliche Rohrabstände können die spezifische Wärmeabgabe (W/m²) nicht ausreichend variieren. Andere Rohrabstände sind aus systembedingten Gründen nicht möglich und sinnvoll.
• Weder Heizfläche noch Vorlauftemperatur können verändert werden, obwohl jeder Raum eine andere, abweichende spezifische Heizlast (W/m²) hat.
• Die Drossel-Regelung wird mit Auf-/ Zu-Stellantrieben ausgestattet. Hinzu kommt eine wichtige Dimension, die Trägheit des Heizestrichs, mit Verzugszeiten von bis zu neun Stunden.
• Teppiche, Einbaumöbel sowie Standort des Raumfühlers stellen zusätzliche undefinierte Dämpfungsglieder dar.

Die überschüssige Wärme, die durch die Überversorgung an den Raum abgegeben wird, wird über den normativ vorgeschriebenen Mindestluftwechsel energieverschwendend herausgelüftet.

Die Überversorgung als Produkt der Drossel-Regelung widerspricht den Kriterien der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Da spielt ein fehlender hydraulischer Abgleich wie in folgendem Rechenbeispiel gezeigt eine untergeordnete Rolle. Der hydraulische Abgleich kann die systembedingte Überversorgung sogar verstärken.

Dem steht die Forderung entgegen, möglichst nachhaltige Gebäude, die energieeffiziente und ressourcenschonende Qualitäten aufweisen, zu planen und zu bauen. Diese Gebäude müssen die gesetzlichen und normativen Anforderungen sowie den Stand der Technik berücksichtigen. Es ist zudem hinlänglich bekannt, dass die Kosten für den Betrieb eines Gebäudes die einmaligen Gestehungskosten um ein Vielfaches übersteigen werden. Somit kann auch die Energieeffizienz in der Anlagentechnik durch eine energiesparende neue Beimisch-Regelung über die Lebensdauer des Gebäudes einen gewaltigen Hebel entfalten.

Träge Fußbodenheizung – Regelung schwierig oder gar unlösbar?

Grundsätzlich sollte ein perfekter hydraulischer Abgleich auch bei der Fußbodenheizung die Kernvoraussetzung für eine gute Regelbarkeit sein. Die eingestellte Heizkreis-Wassermenge soll der geforderten Heizlast des Raumes entsprechen, egal ob der hydraulische Abgleich statisch entsprechend der Berechnung für den Auslegungsfall oder dynamisch über neue differenzdruckgesteuerte Volumenstromregler durchgeführt wurde. In der Praxis ist eine exakte, dem Bedarf entsprechende Heizkreis-Wassermenge nach normativen Vorgaben kaum möglich. Normgerecht durchgeführte Berechnungen ergeben falsche Vorgabewerte für den hydraulischen Abgleich.

Das folgende Praxisbeispiel zeigt einen Raum einer Wohnung eines Mehrfamilienhauses in München der trotz exakter, normativer Berechnungen für Heizlast und Fußbodenheizung, im ganzen Haus ein „hydraulisches Chaos“ auslösen wird. Hier wird der hydraulische Abgleich die systembedingte Überversorgung vergrößern.

Heizlastberechnung nach DIN EN 12831

In der Heizlastberechnung für den Raum 115 nach DIN EN 12831, müssen Wohnungstrennwände (orange) in der Berechnung der Raumheizlast berücksichtigt werden.

Diese eher unwahrscheinliche, aber mögliche Betriebsweise der Nachbarwohnungen steht in keinem Verhältnis zu einer komplett falsch ausgelegten, falsch eingestellten und über Jahre falsch betriebenen Fußbodenheizung im ganzen Gebäude. Überversorgung, Energieverluste und thermische Komforteinbußen sind die Folge. Dieser normative Rechenansatz, der bei Anlagen mit Heizkörpern nicht stört, ist bei Fußbodenheizung mit Drossel-Regelung ein Problem. Diese Räume mit der „Reserveheizlast“ haben häufig die größte spezifische Heizlast (W/m²) und bestimmen somit entsprechend der DIN 1264–3 („Raumflächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung – Teil 3: Auslegung.“) die Auslegungstemperatur für alle Räume des Gebäudes. In der Konsequenz sind alle Raume ungleichmäßig – in unterschiedlicher Höhe – falsch ausgelegt. Aus dieser falschen Vorlauftemperatur resultieren Überversorgung, falsche Wassermengen, Rohrabstände und Druckverluste. Mit den falschen berechneten Wassermengen wirkt auch ein exakt eingestellter hydraulischer Abgleich paradox.

Zum Berechnungsbeispiel

In der Heizlastberechnung für Raum 115 ist für die beiden Wohnungstrennwände „IW0Bn“ (orange) eine innere Heizlast von 315 W und 348 W ausgewiesen.

• Bei der ersten Berechnungsvariante von Raum 115 mit voller Heizlast von 1 589 W ist die Fußbodenheizung normgerecht berechnet und wird später so eingebaut.

• Bei Raum 115 A – der zweiten Berechnungsvariante – wird mit der Raumheizlast abzüglich der „Reserveheizlast“ mit 926 W gerechnet.

Mit den drei normativ richtig errechneten, eingebauten und hydraulisch abgeglichenen Heizkreisen der ersten Variante ist der Raum 115 komplett überversorgt. Auch die Einstellungen anderer Räume der Wohnung werden von diesen Werten negativ beeinflusst.

Allein dieses Beispiel zeigt die totale Disharmonie der Wassermengen und Druckverluste aller Heizkreise bei richtiger, normativer Berechnung. Ein hydraulischer Abgleich mit diesen Werten ist nicht zielführend. Das Problem mit der „Reserveheizlast“ am Beispiel des Raumes 115 kann gelöst werden – aber nicht mit der Drossel-Regelung. Die Lösung mit der Beimisch-Regelung wird später erläutert.

Die Höhe der Überversorgung einer ganzen Etage, Räume 111 bis 125, ist im folgenden Bild im Zusammenhang dargestellt.

Im rechten Teil der Tabelle wird die ideale Temperaturspreizung des Heizwassers in Balkenform dargestellt. Der rote Balken steht für die Auslegungs-Temperatur 47/ 37 °C aller Kreise des Gebäudes entsprechend der alten Drossel-Regelung. Der grüne Balken steht für die Temperaturspreizung, entsprechend der neuen Beimisch-Regelung, mit der jeder einzelne Heizkreis betrieben werden müsste, um eine Überversorgung zu vermeiden. Am rechten Rand steht die Vor- und Rücklauf-Temperatur, die dem grünen Balken entspricht.

Fußbodenheizungs-Auslegung nach DIN

Eine weitere Ungenauigkeit, die die Überversorgung der Fußbodenheizung beeinflusst, entsteht bei der Auslegung entsprechend der DIN EN 1264–3. In der Norm wird eine pauschale Vorgabe des Wärmedurchgangs-Widerstandes für Bodenbeläge von 0,10 (m²K/W) (Teppich/Parkett) für alle Räume der Wohnung außer Bad und WC getroffen. Diese Vorgabe macht in dieser Planungsphase Sinn. In der Praxis variieren die Werte jedoch erheblich: Von Bodenfliesen bis zu schweren Holzdielen mit Teppichen. Diese Diskrepanz zwischen Berechnung und späterem Betrieb macht das System noch ungenauer. Die Überversorgung und der hydraulische Abgleich ist in den meisten Räumen nicht mehr kontrollierbar. Mit der Drossel-Regelung können diese Probleme nicht gelöst werden.

Das Kernthema im Zusammenhang mit den Energiesparzielen der Bundesregierung ist die Steigerung der Energieeffizienz im Wohnungsbau. Die Entwicklungen und die Zukunft der Fußbodenheizung gehen in ganz andere Richtungen. Angestrebt werden:

• Energieeinsparung und Ressourcenschonung bei hohem thermischen Komfort. Die Lösung sind selbstlernende, adaptive bedarfsorientierte Regelungen mit raumweiser temporärer Temperaturabsenkung.
• Digitale Vernetzung und „SmartHome“-Funktionen als Bausteine eines zukunftsfähigen Gebäude-Energiemanagements.
• Systeme und Verfahren zur Senkung des Energieverbrauchs. Die neue Beimisch-Regelung kann durch raumweises, auf der Heizkostenabrechnung basierendes „Submetering“ die Energiekosten senken.
• Systeme, die auch bei Veränderungen an der Gebäude-Außenhülle oder Nutzungsänderungen während des Gebäudelebenszyklus die Energieeffizienz nicht verändern.
• Methoden die eine industrielle Vorfertigung ermöglichen.

 

Eine Verbesserung der hydraulisch durchaus unbefriedigenden Ist-Situation wird mit einer raumweisen Beimisch-Regelung möglich.

Die Ergebnisse und Wirkungen der Beimisch-Regelung:

• Keine Überversorgung mehr. Die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen für die einzelnen Räume werden individuell dem Bedarf angepasst. Jedem Raum wird eine individuelle Heizungskennlinie zugeordnet. Während des Betriebes wird diese Kurve laufend über selbstlernende Algorithmen dem tatsächlichen Bedarf adaptiv angepasst. Dieser individuelle Bedarf wird von der Raumheizlast, vom Nutzerverhalten und raumspezifischen Gegebenheiten wie Ausrichtung, Speicherfähigkeit der Umschließungsflächen, Bodenbeläge, Raumgeometrie , Möblierung usw. beeinflusst. Auch auf Veränderungen des Bedarfs während des Lebenszyklus des Gebäudes stellt sich das System automatisch ein.
• Energieeinsparung und thermischer Komfort durch niedrigere Vorlauftemperatur. Ein stetiger Heizwasserdurchfluss, ohne ständiges Aufheizen und Auskühlen, kommt – wie bekannt – mit niedrigerer Vorlauftemperatur aus. Dieser Vorteil macht sich besonders bei Betrieb mit Wärmepumpen oder Brennwertkesseln in der Energiebilanz bemerkbar. Durch den permanenten Heizwasserdurchfluss durch den Heizkreis reagiert die stetige Regelung auf kleinste Abweichungen vom Sollwert der Raumtemperatur mit feinsten Änderungen der Vorlauftemperatur. Die systembedingte Trägheit scheint dadurch aufgehoben. Das erhöht auch den thermischen Komfort.
• Energieeinsparung durch reduzierte Wassermenge mit hoher Auslegungs-Temperatur. Nur der ungünstigste Heizkreis wird mit der „teuren“ hohen Auslegungstemperatur versorgt.
• Energieeinsparung durch Absenken der Raumtemperatur bei Abwesenheit auch tagsüber. Das ist bei der Drossel-Regelung wegen der trägheitsbedingten Verzugszeiten von bis zu neun Stunden nicht möglich. Die Beimisch-Regelung ermöglicht raumweise unterschiedliche Absenk-Temperaturen und -Zeiten. Anschließendes schnelles Aufheizen ermöglicht längere Absenkzeiten und spart Energie.
• Schnelles Wiederaufheizen erreicht man durch kurzfristiges Anheben („pushen“, Bild) der Vorlauftemperatur des Raumes auf die maximale Vorlauftemperatur des Verteilers.

Individuelles Steigern der Wärmeabgabe des einzelnen Raumes mit der neuen Beimisch-Regelung: Raum 115 B ist identisch mit dem ehemaligen Raum 115 A, der nicht der Norm entsprechend ohne „Reserveheizlast“ (926 W) und zwei Heizkreisen mit RA 20 cm ausgestattet ist.

Anlagekosten können eingespart werden. Zusätzlich können im Zusammenhang mit der Beimisch-Regelung Armaturen der Wohnungsstation entfallen. Auf die derzeit üblichen ungenauen Regelungsformen bei Wohnungsstationen mit Referenzraum oder manueller Festeinstellung der Vorlauftemperatur kann verzichtet werden.

Der Hydraulische Abgleich entfällt. Die Kreiswassermenge ist konstant. Nur die Vorlauftemperatur bestimmt die bedarfsgerechte Wärmeabgabe an den Raum.

Bestandssanierung ist ein wichtiges Thema im Zusammenhang mit den Energiesparzielen der Bundesregierung. Wegen fehlender Bestandsunterlagen ist das Problem nur mit der Beimisch-Regelung zu lösen. Komplizierte Berechnungen und der hydraulische Abgleich entfallen. Die richtige, bedarfsgerechte Wärmeabgabe des Bodens an jeden Raum wird über die adaptiv bestimmte richtige Vorlauftemperatur errechnet.

Energieeinsparung mittels Verbrauchstransparenz durch „Submetring“: Bei der dezentralen Warmwasserbereitung kann der Wärmemengenzähler den Verbrauch für Brauchwarmwasser und Heizung nur zusammen erfassen und darstellen. Ein „Abfallprodukt“ der Beimisch-Regelung ist die raumweise Erfassung der Heizkosten. Dadurch kann zu jeder Zeit sogar der Energieverbrauch jeden Raumes durch den Mieter abgefragt werden. Allein diese Transparenz der Verbrauchsinformation, stellt ein zusätzliches „psychologisches“ Energiesparpotenzial im Gebäudesektor dar.

Ein Zusatzheizkörper im Bad kann im mehrgeschossigen Wohnungsbau entfallen: Bei dezentraler Warmwasserbereitung kann der Fußbodenheizkreis des Bades vom Verteiler sogar im Sommer mit der maximalen Vorlauftemperatur versorgt werden.

Ein weiterer Schritt, die Energieeffizienz zu steigern, ist die dezentrale Verteilung. Im Zusammenhang mit der Beimisch-Regelung werden die bekannten Probleme der zentralen Verteilung der Fußbodenheizung gelöst.

Es gibt noch keine Untersuchungen in Bezug auf das Energieeinsparpotenzial dieser Beimisch-Regelung. Aus Simulationsstudien und Untersuchungen namhafter Institute kann man an Hand der Eigenschaften dieser neuen Regelung diese Werte zur Energieeinsparung und Nachhaltigkeit trotz unterschiedlicher Randbedingungen vorsichtig ableiten:

• Kein hydraulischer Abgleich notwendig (15 % Optimus Projekt)
• Keine Überversorgung (bedarfsorientiert/adaptiv – Energiemanagement-System) (12,8 % IBP-Mitteilung 523)
• Abgesenkter Betrieb täglich, dezentral mit Schnellaufheizen einzelner Räume („pushen“) und Abwesenheitskennung (24 % IBP-Mitteilung 527) und (20-30 % VDI TGA Honeywell)
• Energieeinsparung durch stetigen Betrieb (5-7 % angenommen).
• System mit dezentralen Pumpen (21 % IBP-Mitteilung 508).
• Dezentrale Verteilung – keine unkontrollierte Wärmeabgabe der Zuleitungen in Fluren (circa 5 % angenommen).
• Laufende Verbrauchsinformation „Submetering“ (10 % Dena/ista).

Fazit

Nur ein Regelsystem wie die raumweise Beimisch-Regelung kann die genannten Probleme der Fußbodenheizung, insbesondere die Überversorgung der Räume, lösen. Jeder Heizkreis bekommt bei diesem System die Vorlauftemperatur, die der bedarfsgerechten Wärmeabgabe des Bodens entspricht. Heizlastberechnung und Fußbodenauslegung und hydraulischer Abgleich könnten entfallen. In allen Räumen kann der gleiche Rohrabstand verlegt werden. Auch im Bestand sind keine technischen Details zur bestehenden Fußbodenheizung notwendig, um die Anlage energieeffizient zu modernisieren. Auch auf spätere, im Laufe der Gebäudenutzungsdauer durchgeführte bauphysikalischen Verbesserungen der Gebäude-Außenhülle oder Nutzungsänderungen reagiert die Beimisch-Regelung automatisch – die unterschiedlichen Vorlauftemperaturen der Räume passen sich adaptiv dem jeweiligen Heizbedarf an. Neben den genannten Formen der Energieeinsparung und CO_²-Reduktion generiert das Regelsystem durch die stetige Regelung ein Höchstmaß an thermischem Komfort. Auch raumweises SmartHome in Zusammenhang mit Gebäudeautomatisation und Verbrauchstransparenz durch Submetring mit dem Ziel, die Energieeffizienz zu steigern, sind nur mit der Beimisch-Regelung möglich. Patente dazu sind 2017 und 2018 erteilt. das System ist aber noch nicht marktverfügbar.

 

 

Literatur:

[1] Gabanyi, Peter: Fußbodenheizungen bedarfsorientiert regeln, Teil 1 – Mit der Norm am Bedarf vorbei. Heizungs-Journal 12/2017, S. 26-29.

[2] Gabanyi, Peter: Fußbodenheizungen bedarfsorientiert regeln, Teil 2 – Beimischen statt (er)drosseln. Heizungs-Journal 1-2/2018, S. 72-77.