Zwei Aufgabenstellungen im Zusammenhang mit einer Fußbodenheizung (FBH) sind zu erfüllen. Zuerst muss die Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers an die notwendige Temperatur angepasst werden. Im zweiten Schritt gilt es, die zu beheizenden Räume entsprechend der Wunschtemperatur zu bedienen.
Erster Schritt: Anpassung der Temperatur
Zu hohe Temperaturen für den Betrieb einer Fußbodenheizung (FBH) gibt es regelmäßig und in vielen Installationen. Wenn beispielsweise ein Heizkessel installiert ist, der niedrige Temperaturen nicht verträgt, weil er dann mit dem anfallenden Kondensat nicht umgehen kann, wird eine Temperatur von 50 °C meistens überschritten. Das gilt beispielsweise für Festbrennstoffkessel oder die aussterbenden Niedertemperaturkessel für Öl oder Gas. Aber auch wenn Solaranlagen zur Heizungsunterstützung auf dem Dach montiert sind, kann die Vorlauftemperatur im Solarpufferspeicher für eine FBH zu hoch sein. Ein weiterer typischer Fall ist bei gleichzeitiger Installation von Heizkörpern und FBH gegeben. Oft wurde im Erdgeschoss von Einfamilienhäusern die komfortable FBH installiert. Im Obergeschoss mit den Schlaf- und Kinderzimmern sind aber die schnell regelbaren Heizkörper unter den Fenstern. Im Heizfall und bei tiefen Außentemperaturen laufen diese Heizkörper dann gerne mit Heizwasser von 50 °C während die FBH nur 35 °C erwartet. Es gilt also, hohe Temperaturen zu senken und dabei auf einen komfortablen und wirtschaftlichen Betrieb der Fußbodenheizung zu achten.
Versuchsraum
Ein Versuchsraum ist für Sie vorbereitet worden. Ihnen steht eine per Hand regelbare Pumpe zur Verfügung und eine frei wählbare Vorlauftemperatur für die dort montierte FBH.
In den Rohrleitungen der FBH kühlt sich das heiße Wasser planmäßig ab und die abgegebene Wärme kommt dem Raum zugute.
a) Im ersten Versuch soll Heizwasser mit 65 °C durch das Rohr geschickt werden. Das Wasser soll dabei so sehr verlangsamt werden, dass es sich auf 25 °C abkühlt. Im Mittel hätte dieses Heizwasser dann eine Temperatur von 45 °C (denn 65 + 25 = 90 und 90 / 2 = 45).
b) Im zweiten Versuch erhöhen Sie die Pumpenleistung, senken aber die Temperatur. Das Wasser soll mit 50 °C durch das Rohr jagen und mit 40 °C wieder zurückströmen. Es hätte ebenso 45 °C als mittlere Temperatur (denn 50 + 40 = 90 und 90 / 2 = 45).
c) Im dritten Test senken Sie die Temperatur weiter auf nur noch 47,5 °C im Vorlauf und es rauscht durch die Leitung, um mit 42,5 °C zurückzuströmen. Nochmals liegt die mittlere Temperatur bei 45 °C (denn 47,5 + 42,5 = 90 und 90 / 2 = 45).
In den drei Beheizungsfällen dürfen Sie annähernd die gleiche Heizleistung von vielleicht 1000 Watt für diesen Raum erwarten. Aber das Erlebnis beim Betreten und Durchschreiten des Raumes ist abhängig von den gewählten Temperaturen und Durchströmungen sehr unterschiedlich. Bei den genannten 65 °C werden Sie an einigen Stellen des Raumes enorm heiße Füße bekommen, während sie an anderer Stelle mit nur noch 25 °C Wassertemperatur die viel zitierte Fußkälte verspüren. Das Wärmeerlebnis mit 50 °C / 40 °C lässt da schon eine gleichmäßigere Verteilung erwarten. Und kaum noch Temperaturdifferenzen werden Sie spüren, wenn das Wasser bei geringer Spreizung und vergleichsweise hoher Geschwindigkeit durchs Rohr getrieben wird. Wie gesagt, im Mittel liegt die Temperatur in allen drei Fällen bei 45 °C. Und Sie erkennen jetzt schon, dass die komfortabelste, weil gleichmäßigste Wärmeverteilung mit dem dritten Beispiel möglich ist. Dabei war die angeforderte Vorlauftemperatur von nur 47,5 °C auch noch die niedrigste im Test.
Eine komfortable FBH „lebt“ also von hohen Volumenströmen bei niedrigen Vorlauftemperaturen.
Im echten Einsatz orientiert sich die Vorlauftemperatur an den Außentemperaturen. Die gute alte Heizkurve lässt grüßen.
Folgen für Auslegung
Um eine Fußbodenheizung wirklich zu regeln, wird diese also über eine passende Vorlauftemperatur bei gleichbleibend hohem Volumenstrom gefahren. Bei einer Außentemperatur von 10 °C können in einem Haus älterer Bauart vielleicht 30 °C im Vorlauf ausreichen. Herrschen draußen nur noch 0 °C, sind schon 35 °C nötig und bei -10 °C dürfen es auch gerne 40 °C sein. Um den Volumenstrom dabei konstant zu halten, greift man in die Trickkiste und zum Dreiwegeventil (DWV). Dieses lässt sich stufenlos in beliebige Positionen stellen. Immer werden zwei Eingänge, nämlich die Zuflusstore -A- und -B-, zu einem Ausgang, dem Abflusstor -AB-, gemischt.
Bild: IBH
65 + 25 = 90 und 90 / 2 = 45
b) Hoher Volumenstrom bei gleichzeitig geringer Abkühlung
50 + 40 = 90 und 90 / 2 = 45
c) Höchster Volumenstrom bei geringster Abkühlung
47,5 + 42,5 = 90 und 90 / 2 = 45
Die Temperaturregelung
Während also ein Wärmeerzeuger oder ein Pufferspeicher auf der einen Seite, -Tor A-, eine zu hohe Temperatur liefert, nimmt die Fußbodenheizung auf der anderen Seite, Tor -AB- des DWV, als Verbraucher eine niedrige Temperatur ab.
Dabei wird zwischen dem DWV und der Fußbodenheizung eine Pumpe eingebaut. Das garantiert schon mal den konstanten Volumenstrom.
Ist das Wasser vom Kessel kommend tatsächlich zu heiß, wird das DWV so angesteuert, dass es einen ordentlichen Schuss kalten Wassers aus dem Rücklauf im -Tor B- bekommt. Wird es zu kühl, schließt sich -Tor B-, während gleichzeitig -Tor A- weiter aufgerissen wird. Der Volumenstrom für die Fußbodenheizung bleibt dabei weitestgehend konstant.
Weitere Absicherungen
Eine Fußbodenheizung und der umgebende Estrich vertragen nur begrenzt hohe Temperaturen. Nach Norm sollte bei 55 °C Schluss sein. Bei noch höheren Temperaturen kommt es wohl zur Überbeanspruchung, da sich der Estrich ja auch ausdehnt und dabei schiebt und drückt. Dies kann zu Rissen führen. Daher werden einige Heizungsanlagen zusätzlich mit einer Sicherheitsabschaltung für die Umwälzpumpe ausgestattet. Ein Anlegefühler sitzt dann im Zulauf zur FBH und wenn dieser eine Temperatur feststellt von maximal 55 °C, unterbricht er die Stromzufuhr zur Pumpe. Aber bitte denken Sie daran, dass diese Schaltung keine Regelung darstellt und daher nicht ausreicht, um eine FBH komfortabel zu betreiben.
Zweiter Schritt: Regelung der Raumtemperatur
An jedem im Hause installierten Verteiler stellt sich jetzt die gleiche Vorlauftemperatur ein. Der winzige Heizkreis im innen liegenden Gästebad mit seinen 15 m Gesamtlänge erhält ebenso diese Temperatur wie das Wohnzimmer mit seinen zwei Außenwänden und insgesamt zwei Kreisen von jeweils 118 m Länge. Das Gästebad neigt also mit der geringen Heizlast und der kurzen Rohrleitung zu einer Überhitzung, während das Wohnzimmer mit der hohen Leistungsanforderung eher zur Unterversorgung neigen dürfte.
Klar, das schreit zwingend nach einem Kunstgriff, den eigentlich nur wir Anlagenmechaniker beherrschen: Der hydraulische Abgleich ist gefordert.
Der Volumenstrom für jeden Heizkreis wird einzeln berechnet und mittels Voreinstellung am Verteiler einreguliert.
Sinngemäß wird also der Heizkreis im kleinen Gästebad gedrosselt und die beiden Wohnzimmerheizkreise werden voll aufgerissen. Optisch gut sichtbar kann man eine solche Einstellung an den Abgleichventilen des Herstellers Taco erkennen. In meiner Region hat sich daher sogar der Name „Taco-Setter“ als umgangssprachliches Synonym für diese Art des hydraulischen Abgleichs verbreitet.
Bild: IBH
Bild: IBH
Volumenstrom angepasst und dann?
Der Nutzer ist hochzufrieden mit der angepassten Vorlauftemperatur und freut sich. Er weiß, dass abhängig von der jeweils herrschenden Außentemperatur eine angepasste Vorlauftemperatur durch seine Fußbodenheizung gejagt wird.
Er weiß auch, dass jeder Heizkreis einen ordentlichen, weil angepassten Volumenstrom erhält. Der Profi hat mittels Voreinstellung dafür gesorgt, dass jeweils nur der notwendige Wasserdurchfluss durch die einzelnen Heizkreise strömt.
Beide Grundvoraussetzungen für einen sparsamen und komfortablen Betrieb sind natürlich an die Voraussetzung geknüpft, dass der jeweilige Heizkreis überhaupt durchströmt wird, also in dem Moment nicht abgesperrt ist.
Bitte unterscheiden Sie dazu zuerst einmal nur diese beiden Zustände, also „Auf“ und „Zu“. Die sogenannten Stellantriebe auf den jeweiligen Verteilerpositionen können nämlich auch nicht mehr als „Auf“ und „Zu“ und sind daher als sogenannte Zweipunktregler in Funktion.
Es ist also nicht so, dass auch Zwischenstellungen von einem solchen Stellantrieb angefahren werden.
Der Kunde am Raumthermostaten
Ein wichtiger Grund dafür, dass überhaupt abgesperrt wird, liegt in der Tatsache, dass man nicht alle Räume eines Hauses beheizen muss. Selbstverständlich lassen sich Räume in der Temperatur absenken oder die Beheizung ganz abschalten.
Regelt der Hausbewohner die Temperatur für das Elternschlafzimmmer auf beispielsweise 15 °C, bleibt der zugehörige Kreis bei mildem Wetter überwiegend geschlossen. Im nicht belegten Gästezimmer könnte der Kunde sogar die niedrigste Einstellung von 5 °C vorgeben und hätte nur den Frostschutz vorgesehen.
Bewegen wir uns nun zu den letzten „Geheimnissen“ der Fußbodenheizung. Wir betrachten das über Eck gebaute Wohnzimmer, in dem der Kunde eine Wunschtemperatur von 20 °C vorgibt. Mit den beiden Außenwänden ist der Einfluss der Außentemperatur in diesem Wohnzimmer am größten. Die beiden bodentiefen Fenster rufen aber auch gleichzeitig einen weiteren für eine Fußbodenheizung entscheidenden Einfluss auf den Plan.
Das Haus ist gut wärmegedämmt und die Außentemperatur an einem klaren Herbsttag betrage 13 °C. Das Heizen der Anlage erfolgt mit einer angepassten Vorlauftemperatur von 26 °C, woraus sich eine Oberflächentemperatur von 23 °C auf dem Parkett im Wohnzimmer ergibt. Der Raum erreicht damit sehr leicht die gewünschte Raumtemperatur. Am Nachmittag steht die Sonne schon etwas tiefer und scheint durch die großen Fenster. Diese solaren Gewinne sorgen für eine Temperaturerhöhung im Raum von 20 °C auf 21 °C. Die Oberflächentemperatur der Fußbodenheizung am Boden bleibt aber bei 23 °C.
Wenn anfangs die Temperaturdifferenz zwischen Raum und Oberfläche 3 Kelvin (23 – 20 = 3) betrug, reduziert sich diese inklusive des solaren Gewinns auf 2 Kelvin (23 – 21 = 2).
Wenn 3 Kelvin (K) einer Differenz von 100 % entspricht, beträgt die Differenz bei 2 K nur noch 66 %. Gute 33 % der Übertemperatur des Fußbodens sind verschwunden. Das reduziert die Leistung der Fußbodenheizung erheblich und um ziemlich genau diese 33 %.
Dieser Vorgang beschreibt den in unseren Fachkreisen viel zitierten Selbstregeleffekt der Fußbodenheizung.
Ein zweiter Effekt, den Sie jetzt selbst noch durch Anwendung von Logik überprüfen sollten, folgt.
Der hochentwickelte Raumthermostat bemerkt natürlich die Temperaturerhöhung durch die Sonne und gibt Signal an den Heizkreis für das Wohnzimmer.
Machen wir uns kurz klar, was da abgeht: In dem Wohnzimmer mit 30 m² Grundfläche befinden sich mehr als 3 Tonnen aufgeheizten Estrichs plus einige Zentner Bodenbelag. Stellen Sie sich jetzt die Auswirkung eines gedrosselten Ventils in den jeweiligen Heizkreisen der Fußbodenheizung vor. Da wird der Einfluss sicherlich verpuffen. Selbst das komplette Zufahren der Ventile, wie es in der Realität geschieht, wird sich nicht kurzfristig auf diese enorme Speichermasse auswirken.
Die meisten Hersteller bleiben daher bei der Variante eines Zweipunktreglers.
Wir kapitulieren als Anlagenmechaniker also nicht vor den Schwierigkeiten der Regelung einer Fußbodenheizung, sondern wir sind uns des Selbstregeleffektes bewusst und nutzen ihn. Die Trägheit aufgrund der enormen Estrichmassen, die da auf Temperatur gebracht werden, lässt eine hochsensible Regelung mit feinster Abstufung unsinnig erscheinen. Es reicht daher „Auf“ und „Zu“.
Nebenbei, wir können auch gleichzeitig abschätzen, was passieren würde, wenn ein solcher Stellmotor auch Zwischenstellungen wie halb geöffnet einnehmen würde. Klar, ein verlangsamter Volumenstrom sorgt für eine große Spreizung der Temperatur. Große Temperaturspreizungen innerhalb eines Heizkreises können zu spürbaren Komforteinbußen führen, wie anfangs bereits beschrieben wurde.
Bild: Taconova
Diese kennen also nur den Zustand offen oder geschlossen
Pflicht oder Kür?
Wenn man diese Anforderungen und den dadurch zu erzielenden Komfort betrachtet, kann man schnell annehmen, dass dieser Luxus nicht zwingend erforderlich ist. Muss also der Kunde, dem wir eine solche Fußbodenheizung einbauen, diesen ganzen Glanz an Hightech einzeln erfragen?
Klare Antwort: Er muss nicht danach fragen!
Die Standard-Fußbodenheizung ist mit genau dieser Technik auszustatten und unter diesen Bedingungen zu betreiben. Einzig die Notwendigkeit des Einbaus einer Sicherheitsabschaltung bei Erreichen einer Maximaltemperatur wird in Fachkreisen immer mal wieder diskutiert. Der Rest aus diesem Bericht entspricht den anerkannten Regeln der Technik oder wird innerhalb von Verordnungen oder gesetzlich
gefordert.
Genau nachlesen kann man Anforderungen an die Regelung einer FBH beispielsweise in der DIN EN 1264 oder im Gebäudeenergiegesetz.
Zusammenfassung
Hohe Vorlauftemperaturen werden klug reduziert und bei konstantem Volumenstrom an den Heizkreisverteiler einer Fußbodenheizung weitergegeben.
Die Fußbodenheizung „lebt“ von einem hohen Volumenstrom. Die Übergabe der Wärme erfolgt über tonnenschweren Estrich und ist daher nur träge, also zeitverzögert regelbar. Der Selbstregeleffekt hilft allerdings ohne äußeres Zutun. Die Zweipunktregelung mittels Stellantrieben reicht fast
immer aus.
Der hydraulische Abgleich der Kreise ist notwendig. Die Anforderungen an unterschiedliche Kreislängen und spezifische Leistungsanforderungen lassen sich sonst nicht erfüllen.
Bild: Tomasz Zajda - stock.adobe.com
