Fußbodenheizung

Die Fußbodenheizung gehört zur Gruppe der Flächenheizungen.

Geschichte

Römische Fußbodenheizung (Hypokaustum)

Erste Fußbodenheizungen wurden bereits von den Römern verwendet (Hypokaustum), später, etwa 700 n. Chr., auch von den Koreanern, die Fußbodenheizung Ondol.

Der große Durchbruch der Fußbodenheizung hat sich seit den 1970er Jahren rasant vollzogen. Ein wichtiger Grund dafür ist die Behaglichkeit. So ermöglicht es etwa eine Fußbodenheizung, selbst im Winter im Haus barfuß zu gehen. Ein weiterer Vorteil ist die architektonische Freiheit der Raumgestaltung. Dazu kommen noch die hygienischen Aspekte einer Fußbodenheizung. Staubaufwirbelung findet nicht statt. Durch die gleichmäßige Flächenwärme wird das Wachstum der Hausstaubmilben und die Schimmelpilzbildung verhindert.

Warmwasser-Heizungen

Im oder unter dem Heizestrich werden Rohre aus überwiegend Kunststoff oder seltener Kupfer verlegt. Als Kunststoff kommen verschiedene Materialien zum Einsatz. Der am meisten verwendete Kunststoff ist das vernetzte, sauerstoffdichte (ansonsten Korrosionsgefahr im Heizungskessel) Polyethylen (PE-X). Die Verlegung erfolgt entweder modular, mäanderförmig oder bifilar (Schneckenform). Der modularen Verlegung wird nach Möglichkeit der Vorrang gegeben, da mit dieser Verlegeart eine gleichmäßige Wärmeverteilung im beheizten Raum erreicht wird. Die modulare Verlegung erfolgt auch bei der Betonkernaktivierung. Schließlich gibt es noch Verlegearten mit Kunststoffkapillarrohrmatten, wobei die parallel angeordneten PP-Röhrchen (Abmessungen z. B. 4,3 mm × 0,8 mm) vorzugsweise im Gleichsinn durchflossen werden. Die kleinen Rohrabstände von 15 bis 30 cm bewirken eine sehr geringe, praktisch nicht merkbare Temperaturwelligkeit auf der Fußbodenoberfläche. Die Anwendung bei der Betonkernaktivierung führt zu einer sehr homogenen Bauteiltemperaturverteilung, wodurch die Wärmespeicherkapazität gegenüber großen Rohrabständen stark steigt. Die Fußbodenheizung wird nochmals in Nasssysteme (Zementestrich oder Anhydritestrich, sehr häufig aufgrund der besseren Wärmeübertragung in Fließestrich) und Trockensysteme (Trockenestrichplatten) unterschieden. Beim Nasssystem werden die Rohre im Estrich installiert.

Nasssystem (Typ A / C)

Rohre für eine Fußbodenheizung (Nasssystem)

Regler für eine Fußbodenheizung (Nasssystem)

Beim Nasssystem ist das Rohr vollständig vom Estrich umschlossen und es gibt dabei verschiedene Möglichkeiten, um das Rohr im Estrich zu fixieren:

• die Rohre werden auf Trägermatten aus Stahl mit Klammern befestigt
• die Rohre werden auf Klemmschienen aus Stahl oder Kunststoff befestigt
• die Rohre werden auf einer Noppenplatte aus Kunststoff befestigt
• die Rohre werden mit Klammern auf einer Trägerdämmung befestigt (wegen der Beschädigung der Schutzschicht zur Dämmung und der Dämmung eigentlich nicht zulässig)
• die Rohre werden zwischen eine Stahlwabenplatte eingefädelt
• die Rohre (mit einem Klettstreifen versehen) werden auf mit Vlies beschichtete Trägermatten aufgeklettet

Trockensysteme (Typ B)

Beim Trockensystem befinden sich die Rohre unterhalb des Bodenbelages in der Dämmschicht. Die Befestigung erfolgt dort auf der Trägerdämmung, die mit Nuten und Wärmeleitlamellen ausgestattet ist. Die Wärmeleitbleche sollen der besseren Wärmeverteilung dienen. Das Trockensystem eignet sich für niedrige Fußbodenaufbauten und wird im Altbau oder in der Gebäudemodernisierung eingesetzt. Trockensysteme können auch mit direkt aufgelegten Oberböden (Estrichziegeln, Fliesen, schwimmendes Parkett und Laminat) ausgeführt werden und führen dadurch zu einer weiteren Reduzierung der Vorlauftemperatur und zu einer schnelleren Auf- und Abheizphase.

Eine weitere Variante der Trockensysteme besteht aus Trockenestrichplatten mit einer vorgefertigten Fräsung, die die Heizungsrohre fixiert. So fasst dieses System die vormals getrennten Komponenten – Trockenestrichplatten und Fußbodenheizung – früherer Systeme zusammen. Die geringe Montagezeit kommt besonders Architekten zugute, die in öffentlichen Einrichtungen, wie Schulen und Kindergärten, nur die Ferienzeiten zum Einbau zur Verfügung haben. Außerdem kann dieses vereinfachte System auch vom Privatmann verlegt werden, so dass der Bauherr nur noch für die Rohranschlüsse einen Heizungsbauer benötigt.

Neuere Fußbodenheizungssysteme werden verstärkt für die Gebäuderenovierung konzipiert, ohne dabei in die bestehenden Fußbodenaufbauten einzugreifen. Dabei entstehen sehr niedrige Aufbauhöhen ab ca. 8 mm. Eine spezielle Ausgleichsmasse ist die Grundlage für den Bodenbelag.

Warmwasserverteilung

Bei beiden Systemen wird zur Wärmeverteilung ein Heizkreisverteiler benötigt. Alle Heizkreise werden mit dem Vorlauf und Rücklauf an jeweils einen Heizkreisverteiler angeschlossen. An dem Heizkreisverteiler kann jeder einzelne Heizkreis mittels eines Ventils hydraulisch abgeglichen werden. Durch in den Heizkreisverteiler integrierte Durchflussmengenmesser kann dazu der Volumenstrom optisch sichtbar gemacht werden. Der hydraulische Abgleich ist erforderlich, da die einzelnen Bauteile der Fußbodenheizung (z. B. Heizkreisverteiler, Rohrkreise etc.) verschieden hohe Strömungswiderstände erzeugen. Eine gleichmäßige Wärmeverteilung ist nur mit gleich hohen Durchsätzen in allen Heizkreisen möglich. Möglicherweise wird aber auch eine ungleichmäßige Wärmeverteilung angestrebt, um die stärkere Abkühlung in Räumen mit großen Außenwandflächen im Vergleich zu Binnenräumen zu kompensieren. Da eine Fußbodenheizung im Gegensatz zu Heizkörpern sehr viel träger reagiert wird die Vorlauftemperatur oft aus einem Außentemperaturfühler abgeleitet. Die Steuereinheit gibt ein elektrisches Signal an den Stellmotor, der dann das Vierwegeventil weiter öffnet oder schließt. Bei hochwertigeren Anlagen kann die Energiezufuhr mit Thermostaten (Raumreglern), deren Temperaturfühler im Heizbereich (z. B. Wohnzimmer) montiert werden, geregelt werden. Die Heizleistung beträgt bei gut gedämmten Wohngebäuden etwa 50 bis 100 W/m². Zudem kann bis zu einer bestimmten Fläche (abhängig vom Durchflusswiderstand der eingesetzten Fußbodenheizung) die Fußbodenheizung direkt an den bestehenden Heizkreislauf angeschlossen werden. Die Regelung erfolgt dann über ein RTL-Ventil (return temperature limiter, deutsch: Rücklauftemperaturbegrenzer), das im Rücklauf der Fußbodenheizung montiert wird.

Es sind zahlreiche Verlegearten der Rohre möglich. Um eine weitestgehend gleichmäßige Wärmeverteilung im Raum zu erreichen, sollten Rohre mit gegenläufiger Warmwasser-Fließrichtung verlegt werden. Dies wird erreicht, indem die Vor- und Rückläufe jeweils nebeneinander angeordnet werden.

Elektro-Heizungen

Elektrische Fußbodenheizung (50 cm × 200 cm) vor der Verlegung

Neben warmwassergebundenen Heizsystemen kommen auch elektrisch betriebene Heizungen zum Einsatz. Hierbei werden Widerstandskabel oder Heizfolien mit eingearbeiteten Heizleitern unter, im oder auf dem Estrich verlegt. Sie eignen sich für alle Verlegungsarten, die auch bei Warmwassersystemen üblich sind. Wegen der geringen Bauhöhe empfehlen sie sich besonders für die direkte Verlegung unter Fußbodenbelägen. Heizkabel mit einem Durchmesser ab 3 mm können im Kleberbett von Fliesen und Folien sogar unter Laminat verlegt werden. Für die Fußbodentemperierung (nicht Vollheizung) gibt es Matten ab ca. 2 mm Höhe. Für Bade-, Dusch- und andere Feuchträume werden Leitungen mit geerdetem Schirm verwendet, um Sicherheit gegen Elektrounfälle zu garantieren. Die zutreffenden Normen für elektrische Flächenheizelemente sind DIN EN 60335-1 und DIN EN 60335-2-96.

Anwendungen in Gewerbe- und Kommunalbauten

Neben den auch im Wohnungsbau verwendeten Fußbodenheizungen kommen hier Industrieflächenheizungen oder Schwingbodenheizungen (Sporthallen) zum Einsatz. Lufterhitzer erhitzen die Luft im Raum, die beim Öffnen der Hallentore aber sofort entweicht. Es dauert lange und ist mit hohem Energieaufwand verbunden, die Hallentemperatur wieder zu erhöhen. Bei einer Bodentemperatur von z. B. 10 °C und einer Lufttemperatur von 20 °C ergibt sich arithmetisch eine empfundene Temperatur von nur 15 °C. Daher ist für eine akzeptable thermische Umgebungstemperatur eine Bodentemperierung zu empfehlen. Bei einer Fußbodenheizung besteht die Beheizung einer Halle aus Strahlungswärme. Diese steht ihren Nutzern auch noch während der geöffneten Hallentore zur Verfügung. Nach Schließung der Hallentore spürt der Nutzer diese behagliche Strahlungswärme in kürzester Zeit wieder.

Raumklimatisierung mit Warmwassersystemen

Fußbodenheizungssysteme werden auch zur Fußbodenkühlung genutzt. In Verbindung z. B. mit Wärmepumpen und der Erdwärme bietet sich diese Variante an. Die Oberflächentemperatur des Fertigfußbodens sollte 20 °C nicht unterschreiten und 29 bis 35 °C – je nach Standort – nicht überschreiten (siehe Abschnitt Randbedingungen). Weiterhin sollte der Taupunkt mit einem entsprechenden Feuchtigkeitsfühler überwacht werden und die Vorlauftemperatur entsprechend regeln. Die Vorlauftemperatur des Kaltwassers beträgt in der Regel 16 °C bei einer Spreizung von 2 bis 3 °C Kelvin.

Nachteile einer Fußbodenheizung

Neben den je nach Gegebenheiten hoch ausfallenden Einbau- bzw. Reparaturkosten sind weitere Probleme, dass zum einen nur eine langsame Anpassung der Raumtemperatur möglich ist, zum anderen ist eine Kombination der Fußbodenheizung mit einem Teppichboden nicht empfehlenswert, da dieser den Wärmeaustausch zu stark hemmt. Es gibt aber im Handel auch spezielle Teppichböden zu kaufen, die für Fußbodenheizungen geeignet sind.

Traditionell schwierig ist die Sanierung von Fußbodenheizungen, da bestimmte Arten der verwendeten Kunststoffrohre mit der Zeit verstopfen können. Mittlerweile gibt es aber auch ein Verfahren, das die Sanierung von innen ohne den aufwendigen Aus- und Wiedereinbau der Heizungsrohre ermöglicht. Moderne Fußbodenheizungsrohre müssen nach DIN 4726 diffusionsdicht sein, somit kann kein Sauerstoff über das Rohr in das Heizungssystem gelangen. Dies wiederum verhindert Korrosion an Stahlteilen im Heizsystem und dementsprechend gering ist das sogenannte Abschlammen im Fußbodenheizungssystem. Ein anderer Schutz vor Abschlammung kann eine Systemtrennung vom alten Heizsystem mittels Plattenwärmetauscher sein.

Randbedingungen

Für Fußbodenheizungen gilt folgende Norm:

• DIN EN 1264 (alt DIN 4725).

Weitere Normen, die eine Schnittstelle zur Fußbodenheizung haben:

• EnEV: Energieeinsparverordnung
• DIN 18560: Estrichnorm
• DIN 1055: Verkehrslasten
• DIN 18202: Toleranzen im Hochbau
• DIN 4109: Schallschutz im Hochbau
• DIN 4726

Die Vorlauftemperatur des Heizwassers ist auf 35 °C (bei älteren Systemen bis 55 °C) bei einer Spreizung von 5 °C (Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur) festgelegt. Die Oberflächentemperaturen des Fertigfußbodens dürfen 29 °C im Aufenthaltsbereich, 33 °C im Bad und 35 °C in den Randzonen nicht überschreiten. Diese Temperaturen sind in langjährigen Untersuchungen ermittelt worden. Dabei wurde die Physiologie des Menschen berücksichtigt und es wurde festgestellt, dass diese Temperaturen für den überwiegenden Teil der Menschen als unbedenklich eingestuft wurde. Somit haben sie Eingang in den entsprechenden DIN-Normen gefunden und jetzt auch in der europäischen Norm für die Fußbodenheizung, womit auch ein einheitlicher Standard für die Fußbodenheizung gefunden wurde. Von richtig eingestellten Fußbodenheizungen werden diese Maximalwerte nur an der Grenze der Auslegungsbedingungen, also den kältesten Tagen, erreicht; Normalerweise sollten es etwa 10 °C weniger sein. Zuvor waren als schlechte Eigenschaften der Fußbodenheizung dicke Füße, Krampfadern etc. als Folgen bekannt, als teilweise mit Oberflächentemperaturen oberhalb dieser Grenzwerte operiert wurde und Oberflächentemperaturen von etwa 27 °C als normal galten.

Der Wärmedurchlasswiderstand $R_{\lambda ,B}$ in $\mathrm {\frac {m^{2}\,K}{W}}$ des Fußbodenbelages soll 0,15 m²K/W nicht überschreiten. Die meisten textilen Beläge sind mit dem Fußbodenheizungssymbol gekennzeichnet und damit zugelassen.

An den Rändern des Estrichs sind Randdämmstreifen anzuordnen. Sie sollen die Ausdehnung des Estrichs ermöglichen und auch den Schallschutz gewährleisten. Bei größeren Flächen sind zusätzlich Dehnungsfugen vorzusehen. Es gilt hierbei die Estrichnorm DIN 18560.

Die Führung der Rohre wird durch den Verlegeabstand, der aus einer Berechnung ermittelt wird, bestimmt. Die Abweichung vom ermittelten Rohrabstand darf in einer bestimmten Toleranz nicht überschritten werden, weil dadurch die Gefahr einer zu großen Welligkeit im Estrich entsteht. Die Welligkeit ist der Temperaturunterschied zwischen den Rohren.

Berechnung

Die Berechnung der Fußbodenheizung erfolgt auf Grundlage der DIN EN 1264 Teil 2 und 3.

Eine wichtige Kenngröße ist die Basiskennlinie. Dort wird der Zusammenhang zwischen der mittleren Fußbodenübertemperatur und der Wärmestromdichte beschrieben.

${\dot {q}}=8,92(\Theta _{F,m}-\Theta _{i})^{1,1}$

${\dot {q}}$ Wärmestromdichte in W/m²

$\Theta _{F,m}$ mittlere Fußbodenoberflächentemperatur in °C

$\Theta _{i}$ Raum-Innentemperatur in °C

Beispiel:

${\dot {q}}=8,92\,\mathrm {\frac {W}{m^{2}\cdot \,^{\circ }\mathrm {C} }} (29\,^{\circ }\mathrm {C} -20\,^{\circ }\mathrm {C} )^{1,1}=100\,\mathrm {\frac {W}{m^{2}}}$

Hier sieht man deutlich, dass jede Erhöhung der Innentemperatur eine geringere Wärmestromdichte bewirkt.

Aus der Wärmestromdichte können wir auch den Wärmeübergangskoeffizienten berechnen.

$\alpha ={\frac {\dot {q}}{\Delta \Theta _{F,m}}}={\frac {100\,\mathrm {\frac {W}{m^{2}}} }{9\,^{\circ }\mathrm {C} }}=11,11\,\mathrm {\frac {W}{m^{2}\cdot \,^{\circ }\mathrm {C} }}$

Um die Wärmestromdichte im Auslegungsfall zu berechnen wird noch die so genannte logarithmische Heizmittelübertemperatur benötigt.

$\Delta \Theta _{H}={\frac {\Theta _{V}-\Theta _{R}}{ln{\frac {\Theta _{V}-\Theta _{i}}{\Theta _{R}-\Theta _{i}}}}}$

$\Theta _{V}$ Vorlauftemperatur in °C

$\Theta _{R}$ Rücklauftemperatur in °C

$\Theta _{i}$ Raum-Innentemperatur in °C

Jetzt kann die Wärmestromdichte berechnet werden

${\dot {q}}=\mathrm {B} \cdot \Pi _{i}\cdot \Delta \Theta _{H}$

$\mathrm {B}$ Systemabhängiger Koeffizient, der sich aus den Rohreigenschaften ableitet

$\Pi$ hier werden die spezifischen Eigenschaften des Fußbodenaufbaus in Abhängigkeit von der gewählten Rohrteilung berücksichtigt

Die Hersteller von Fußbodenheizungssystemen liefern zu ihren Systemen Leistungsdiagramme für verschiedene Bodenbeläge und Rohrabstände, aus denen die Wärmestromdichte ${\dot {q}}$ in W/m² anhand der oben genannten Heizmittelübertemperatur grafisch ermittelt werden kann.

Weiterhin existiert für Nasssysteme ein allgemeingültiges Berechnungsverfahren auf der Basis des Algorithmus von FAXEN, das für alle Rohrabmessungen und Rohrabstände anwendbar ist. Das Berechnungsverfahren ist an der DIN EN 1264-2 verifiziert. Das in vorgestellte, detailliert beschriebene Verfahren ist in auf Trockensysteme und auf Nasssysteme mit dynamischer Betriebsweise unter Einbeziehen von Materialien mit Phasenwandeleffekten (sogenannte PCM) erweitert worden.

Weblinks

Wiktionary: Fußbodenheizung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Fußbodenheizung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen e. V.