Heiztechnik gegen Kaltluftfall

Die Störfaktoren optimaler Behaglichkeit, Kaltluftfall und Strahlungswärmeentzug, können mit Mitteln der Heiztechnik teilweise kompensiert werden. Dabei ist es ausgesprochen hilfreich, wenn die Möglichkeiten, Bauteile auf ein hohes Dämm-Niveau zu bringen, technisch ausgeschöpft sind bzw. werden.

Bereits im Kapitel "Störgrößen der Behaglichkeit" habe ich mich mit den Ursachen des Kaltluftfalls und den Auswirkungen niedriger Oberflächentemperaturen beschäftigt. Nach meiner Erfahrung kommen diese Störgrößen in schwach gedämmten massiven Gebäuden etwa aus der Zeit um 1980 und früher sehr häufig vor und beeinträchtigen die thermische Behaglichkeit erheblich. Eine Möglichkeit zur Vermeidung des Kaltluftfalls und zur Verbesserung des Strahlungsgleichgewichtes besteht darin, spezielle Heizkörper auszuwählen bzw. anzuordnen.

#Wie funktionieren Heizkörper?

Standard-Plattenheizkörper bestehen meist aus einer vorderen und einer hinteren Stahlplatte, in die Kanäle eingeprägt sind. In diesen Kanälen fließt das Heizwasser, wodurch sich die Platten von oben nach unten erwärmen. Es kommt zu einer

• Wärmeabgabe durch Wärmestrahlung in den Raum und
• zum Aufsteigen erwärmter Luft (Konvektion) über dem Heizkörper.

#Wie wird die Wärmeabgabe eines Heizkörpers geregelt?

Die Regelung der Wärmeabgabe von Heizkörpern erfolgt mit analogen oder digitalen Thermostatköpfen an Ventilen, die in den Durchfluss von Heizungswasser eingreifen. Thermostatventile reagieren nur auf die Temperatur der umgebenden Raumluft. Wärmestrahlung können Thermostatventile nicht erfassen. Ist die voreingestellte Temperatur erreicht (z.B. 20 °C in Stufe III), wird der Durchfluss von Heizungswasser gedrosselt.

Unterbricht das Ventil den Durchfluss vollständig, ist dies ein Zeichen dafür, dass die Heizungsanlage nicht sauber hydraulisch abgeglichen ist. Außerdem ist in diesem Fall meist die Vorlauftemperatur zu hoch und entspricht nicht dem aktuellen Heizwärmebedarf des Raumes.

#Wie erwärmt ein Heizkörper die Luft?

Zur Lufterwärmung bzw. Konvektion kommt es durch Wärmeübergabe der äußeren Oberflächen der von Heizwasser durchströmten warmen Platten an die vorbei streichende Luft. Diese Erwärmung macht die Luft leichter, wodurch sie vom Heizkörper nach oben aufsteigt. Dieser Auftrieb führt gleichzeitig zur "Ansaugung" von kühlerer Raumluft im unteren Bereich des Heizkörpers. Das bewirkt eine Luftströmung am Boden des Raumes, die als unangenehmer Zug an den Füßen wahrgenommen werden kann.

Je mehr Wärme tauschende Fläche am Heizkörper zur Verfügung steht und umso höher die Heizkörpertemperatur ist, desto größer ist die Konvektion, also die Lufterwärmung. Die Lufterwärmungsleistung kann weiter gesteigert werden, in dem auf der Rückseite der Platten ein oder mehrere zusätzliche, senkrecht angeordnete Konvektionsbleche aufgeschweißt werden. Die Konvektionsleistung sinkt dagegen mit kleiner werdender wärmetauschenden Oberfläche des Heizkörpers und sinkender Heizwassertemperatur .

#Was ist die Wärmestrahlung eines Heizkörpers?

Die Wärmestrahlung (Radiation) ist ähnlich wie das Licht eine elektromagnetische Strahlung, aber in einem für das menschliche Auge unsichtbaren Frequenzbereich. Sie geht von jedem warmen Körper (Sonne, Ofen) aus und erwärmt einen kühleren Körper beim Auftreffen. Ein Übertragungsmedium ist nicht erforderlich. Je höher der Temperaturunterschied, umso größer ist die Strahlungsleistung. Ist der Heizkörper wärmer als der Mensch (Oberflächentemperatur etwa 33°C), kommt es zur "Anstrahlung" des Menschen durch den Heizkörper. Der Mensch registriert die auftreffende Strahlung durch ein Wärmegefühl. Ein unangenehmes Kältegefühl macht sich hingegen bemerkbar, wenn der Mensch als wärmerer Körper die umgebenden Wände, Fenster, Gegenstände, etc. anstrahlt. Im Winterhalbjahr wird der Mensch also selbst zum "Wärmesender". Ich nenne diesen Vorgang Strahlungswärmeentzug.

Da die Wärmestrahlung eine gerichtete Größe ist, muss man daran interessiert sein, die Sichtbarkeit des Heizkörpers möglichst von allen Aufenthaltsorten aus zu gewährleisten. Das verlangt vor allem Heizkörper mit großer Ansichtsfläche und eine die Anstrahlung nicht absorbierende Möblierung.

Sind mehrere Heizkörper im Raum, sollten sich daher auch alle Heizkörper erwärmen. Das führt nicht nur zu einer homogenen Verteilung der Raumtemperatur sondern auch zu einer an allen Orten spürbaren, gleichmäßig milden Anstrahlung. Häufig wird angenommen, dass das Heizen mit allen im Raum befindlichen Heizkörpern einen Mehrverbrauch an Heizenergie nach sich zieht. Wenn die Raumtemperatur durch diese Maßnahme nicht ansteigt, ist ein Mehrverbrauch jedoch nicht erkennbar.

Damit die Heizkörper über längere Zeit eine solch milde Strahlungswärme abgeben (also warm sind und bleiben), ist ein hydraulischer Abgleich der Heizungsanlage zu empfehlen. Nach einem solchen Abgleich kann die Vorlauftemperatur des Heizungssystem meist so weit reduziert werden, dass die Heizkörper mit niedrigerer Temperatur längere Zeit "durchlaufen".

Aus Behaglichkeitsgründen, zur Vermeidung von Staubverschwelung und dem Wunsch nach geringen Heizkosten ist man an der Einhaltung einer nur milden Oberflächentemperatur von 30°C bis 40°C interessiert. Dies wird durch eine niedrige Heizwassertemperatur erreicht, was gleichfalls eine Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb von Heizanlagen mit Wärmepumpen oder Brennwertgeräten ist.

Ausführlich in energytools.de: Hydraulischer Abgleich, Link: www.energytools.de/heizung-und-warmwasserbereitung/energierelevante-heizungsteile/hydraulischer-abgleich

#Welche Wirkungen hat der Strahlungsaustausch zwischen Heizkörper, Mensch und Wand?

Die Wärmestrahlung des Heizkörpers in Richtung der Bewohner ist nicht der einzige Strahlungsvorgang. Ebenso kommt es von der Oberfläche des menschlichen Körper (etwa 33°C) zur Wärmeabstrahlung in Richtung kühler Wände, Boden, Fensterscheiben und Gegenstände. Diese Abstrahlung kann die Behaglichkeit negativ stark beeinflussen. Ist z.B. die Wand sehr kalt, wird die vom Menschen abgegebene Strahlungsleistung zu hoch. Es kann dann sehr ungemütlich werden. Der Mensch fängt trotz akzeptabler Lufttemperatur an zu frieren, wenn in diesem Fall Heizkörper keine Wärmestrahlen senden.

Das wirft die Frage auf, ob die Anstrahlung vom Heizkörper, die negativen Folgen zu hoher Abstrahlung des Menschen kompensieren muss. Ein vollständiger Ausgleich kann dabei nicht das Ziel sein, da bei einem völligen Strahlungsgleichgewicht die Körpertemperatur (u.a. durch Abstrahlung) nicht mehr geregelt werden kann. Die Umgebung wäre schlicht zu warm.

Es geht daher um die dosierte Anstrahlung durch angemessen leicht temperierte Heizflächen von etwa 30 bis 40°C. Leider finden wir aber in vielen Wohnungen preiswerte kurze, mehrlagige Kompaktheizkörper, die bei hoher Heizwassertemperatur um 60 °C eine hohe Lufterwärmungsleistung (Konvektion) besitzen. Wegen der geringen Ansichtsfläche sehen wir aber nur eine "punktförmige" heiße Strahlungsquelle, die lediglich das Gefühl "vorne heiß und hinten kalt" vermittelt.

Dass es mit niedrig temperierten großen Heizflächen besser funktioniert, zeigen die hohen Behaglichkeitswerte, die von Wand- und Fußbodenheizungen erreicht werden.

#Wie müssen Heizkörper für eine optimale Strahlungsleistung gestaltet sein?

Der Aufgabe, milde Strahlungswärme bereit zu stellen, sind einlagige, flache Plattenheizkörper mit großer Ansichtsfläche am besten gewachsen. Die Heizwassertemperatur sollte nach einem hydraulischen Abgleich dagegen möglichst niedrig eingestellt (von 30°C bis 40°C) sein. Das ergänzt sich sehr gut mit den Anforderungen an die Effizienz von Heizkörpern in einer Anlage mit Wärmepumpe oder Gasbrennwerttechnik. Heizkörper in dieser Bauform sind in der Anschaffung etwas teurer als zwei- oder dreilagige Kompaktheizkörper. Sie werden, weil weniger nachgefragt, zu selten vom Installateur angeboten und eingesetzt (sind aber verfügbar!).

Ausführlich bei energytools.de: Hinweise zur Heizkörperauswahl, Link: www.energytools.de/heizung-und-warmwasserbereitung/waermeverteilung/hinweise-zur-heizkoerperauswahl

#Wie muss die Einrichtung gestaltet sein, damit Wärmestrahlung ungehindert wirken kann?

Da Wärmestrahlen im Gegensatz zur Raumlufttemperatur eine gerichtete Größe wie das Licht darstellen, kann die Wärmestrahlung nur wirken, wenn keine Gegenstände wie Schränke, Möbel, Vorhänge, Verkleidungen usw. die strahlende Fläche abdecken.

• Verzichten Sie auf lange, dichte Gardinen vor den Heizkörpern.
• Verzichten Sie auf alle Arten von Heizkörperverkleidungen.
• Lassen Sie Vorhänge in Höhe der Oberkante der Heizkörper enden.
• Stellen Sie die Möbel so, dass die Abstrahlung der Heizkörper kaum unterdrückt wird.

#Warum sind Heizkörperverkleidungen Unsinn?

Einen negativen Beitrag zur Behaglichkeit leisten Heizkörperverkleidungen, die

• die Wärmestrahlung beseitigen,
• die Konvektion unterdrücken
• den Kaltluftfall nicht beheben und
• die Temperatur-Regelung verlangsamen.

Jede Heizkörperverkleidung führt zu einem Anstieg der Heizkosten.

#Wie verringere ich die Wärmeverluste von Heizkörpern?

Die hintere Platte eines Heizkörpers mit zwei Platten strahlt in Richtung der Wand, was bei schwach gedämmten Wänden zu hohen Wärmeverlusten führt. Es gibt Heizkörper, bei denen die vordere Platte zuerst durchflossen wird, wodurch die hintere Platte mit bereits abgekühltem Heizwasser durchströmt wird. Diese Konstruktion ist empfehlenswert, da sie die Abstrahl-Verluste in Richtung der Außenwand mindert. Man kann diese Effekt allerdings auch mit einer hinter dem Heizkörper angebrachten Dämmstoffplatte erzielen.

Hängen Heizkörper an schwach gedämmten Wänden oder sind diese in Nischen eingebaut, sollte eine zusätzliche Dämmung der Wand bzw. der Nische in Erwägung gezogen werden.

ausführlich in energytools.de: Dämmung der Heizkörpernische, Link: www.energytools.de/hausbau-und-erneuerung/bauteile-und-konstruktionen/waermegedaemmte-aussenwaende/aussenwanddaemmung-von-innen/innendaemmung-konstruktionsdetails/daemmung-der-heizkoerpernische

#Gehören Heizkörper noch unter das Fenster?

Aber ja, Heizkörper werden unter den Fenstern angebracht! Dieser Sachverhalt ist allgemein akzeptiert und Planungsstandard. Mit dem Aufkommen sehr gut gedämmter Dreifachverglasungen wird diese Regel seit einigen Jahren nicht mehr so ernst genommen. Das ist nicht problematisch, sofern der Dämmstandard des gesamten Gebäudes ein hohes Niveau hat. Für ein Gebäude mit schwächerer Wärmedämmung, d.h. wo der U-Wert der Wand deutlich größer als 0,3 W/m²K ist und der U-Wert Fenster 1,2 W/m²K erreicht, gehören Heizkörper aus Behaglichkeitsgründen unbedingt unter das Fenster.

Über einem Heizkörper steigt, wie wir weiter oben gesehen haben, Warmluft nach oben (Konvektion). Ist dieser Heizkörper unter dem Fenster angebracht, stellt sich die aufsteigende Warmluft der sich am Fenster abkühlenden und nach unten fallenden Raumluft in den Weg.

Ist nun der Luftstrom warmer Luft nach oben etwa gleich dem Luftstrom der nach unten fallenden Kaltluft, entsteht ein Gleichgewicht. Es kommt nicht mehr genug kalte Luft am Boden an, um einen kühlen Luftstrom in den Raum hinein in Gang zu setzen. Das ist zwar eine stark vereinfachte Darstellung, aber im Grunde funktioniert es so. Damit ein Auftrieb über die gesamte Breite entsteht, muss der Heizkörper mindestens so breit sein wie das Fenster.

In einer weniger gut gedämmten Wohnung mit Heizkörpern wird es behaglicher, wenn besonders großflächige, langgestreckte Heizkörper die gesamte Außenwandlänge bedecken. Denn eine schwach gedämmte Außenwand verursacht einen mindestens ähnlich bedeutsamen Kaltluftfall wie Fenster. Immerhin haben Außenwände vieler älterer Häuser nur einen U-Wert von 1,2 bis 1,6 W/m²K. Diese Werte liegen damit über dem U-Wert moderner Fenster mit Dreifachverglasungen, die einschließlich Rahmen 0,8 bis 1,2 W/m²K erreichen.

#Wie funktioniert die Fußbodenheizung?

Werden Räume durch eine Fußbodenheizung beheizt, übernimmt meist der erwärmte Estrich die Beheizung des Raumes. Dazu sind im Heizestrich Rohrleitungen untergebracht, die von warmem Heizungswasser durchflossen werden und den Boden erwärmen. Das gleiche Prinzip nutzen Wandheizungen, bei denen Heizwasser durch dünne Rohre zirkuliert, die vom Wandputz überdeckt sind. Beide Varianten der Flächenheizungen funktionieren auch mit Trockenelementen.

Fußbodenheizungen geben einen hohen Anteil milder Strahlungswärme ab, die Konvektionsleistung ist eher gering. Räume mit guter Wärmedämmung benötigen lediglich Oberflächentemperaturen des Estrichs von etwa 23 °C um bei etwa -5°C Außentemperatur eine Raumtemperatur von etwa 21°C zu erzielen.

Sollen auch Räume mit schwacher Wärmedämmung durch eine Fußbodenheizung beheizt werden, werden dafür Oberflächentemperaturen von zum Teil deutlich mehr als 25 °C benötigt. Dies ist für die Behaglichkeit ungünstig, weil die Wärmeabgabe der Füße dadurch gehemmt wird.

Um im Fensterbereich und bei kalten Außenwänden dem Kaltluftfall zu begegnen, ist es günstig, am Rand einer Fußbodenheizung eine etwas erhöhte Konvektionsleistung zu erzielen. Dazu kann der Verlegeabstand der Rohrleitung im Randbereich auf etwa 5 cm verringert werden, was zu einer lokal begrenzten erhöhten Oberflächentemperatur führt. Das wirkt sich positiv auf die Behaglichkeit aus, da die Füße auf einem Bereich niedrigerer Temperatur abgestellt werden können. Leider wird diese einfache Maßnahme zu selten umgesetzt. Eine Fußbodenheizung mit erhöhter Randleistung sollte einen anderen Randdämmstreifen mit deutlich mehr als 10mm Dicke (Empfehlung: 30mm) erhalten.

Die Regelung der Fußbodenheizung erfolgt mit Thermostaten. Im Gegensatz zur Heizung mit Heizkörpern werden hier aber elektrische Signale an den Stellantrieb im Verteilerschrank gesendet. Ist die Soll-Temperatur im Raum erreicht, schickt der Thermostat den Befehl "Aufhören" an den Stellantrieb.

Dieser unterbricht den Durchfluss des Heizwassers im Fußbodenheizkreis, wodurch die Wärmeabgabe des Heizungswassers an den Estrich langsam aufhört. Sinkt die Raumtemperatur wieder unter den eingestellten Sollwert, fordert der Thermostat erneut Wärme an, wodurch der Stellantrieb wieder öffnet und warmes Heizungswasser passieren lässt. Leider vollzieht sich diese Art der Regelung der Wärmeabgabe recht langsam, was der Forderung nach rascher Temperaturregelung widerspricht. Einen Ausweg bieten Fußbodenheizungen mit Trockenelementen, die weniger träge als Systeme mit nass eingebauten Heizestrichen reagieren.

#Welche Alternativen gibt es für einen lang gestreckten Heizkörper

Heizwasser führende Rohrleitungen können mit ringförmig angeordneten Blechen (Rippenrohr) oder ähnlichen Konstruktionen zu einer gewissen Konvektionsleistung gebracht werden. Solche Konstruktion werden bei Randleistenheizungen eingesetzt. Randheizleisten (auch Sockelheizleiste oder Fußleistenheizung genannt) werden an der gesamten Außenwand angebracht und bringen Wärme bis in die letzte Ecke, was die Schimmelgefahr in Außenwandecken reduziert. Randheizleisten haben aber den Nachteil, dass sie nur mit relativ hohen Heizwassertemperaturen funktionieren, weshalb sie für eine Wärmepumpe nicht geeignet sind.

#Wie wird der Kaltluftfall bei Glaserkern und Wintergärten verringert?

Kaltluftfall und Strahlungswärmeentzug sind insbesondere bei Glaserkern oder beheizten Wintergärten zu beachten. Vor solchen Glasflächen kann es in Sitzecken bei niedrigen Außentemperaturen und ohne Sonneneinstrahlung sehr unbehaglich werden. Es sei denn

1. der durch die kälteren Glasoberflächen hervorgerufene Strahlungswärmeentzug des Körpers und
2. der Kaltluftfall durch aufsteigende Warmluft

werden aufgehoben bzw. durch entsprechende Heizkörper kompensiert.

Großflächige Heizkörper können da helfen, müssen aber vor den Glasflächen angeordnet sein. Doch solche Heizkörper behindern dann den Durchblick und führen zu erhöhter Wärmeabgabe durch die Verglasung. Vor Glasflächen angeordnete Heizkörper müssen daher mit einer Wärmedämmung gegenüber der Glasfläche ausgestattet sein. Da kann gleich eine sehr gut gedämmte Brüstung mit davor angeordneten Heizkörpern geplant werden.

Auch könnte der Einsatz von so genannten Unterflurkonvektoren in Erwägung gezogen werden. Sie werden vor den Glasflächen im Fußboden eingelassen. Wie in Schwimmbädern üblich, werden die Glasflächen durch ein integriertes Gebläse mit warmer Luft angeblasen. Von Gebläsen unterstützte Konvektoren jedoch sind teuer, rufen Geräusche hervor und verwirbeln den Staub.

Ist die Glasqualität wärmetechnisch sehr gut (U-Wert kleiner/gleich 0,5 W/m²K), können recht hohe Oberflächentemperaturen auf der inneren Glasseite erreicht werden (etwa 17°C bei 20 °C Raumlufttemperatur). Im preisgünstigen Bauträgerhaus sind solche Glasqualitäten jedoch auch heute noch nicht durchgängig anzutreffen.

Eine hohe Behaglichkeit kann sich im glastechnisch optimierten Wintergarten durch eine gut geplante Fußbodenheizung oder auch eine Fußbodentemperierung einstellen. Dazu müssen die Rohre im Randbereich des Wintergartens in einem geringeren Verlegabstand verlegt werden, so z.B. statt 15 cm also etwa 5 cm. Dadurch erhöht sich die Oberflächentemperatur im Randbereich, was eine höhere Strahlungsleistung nach oben und eine etwas erhöhte Konvektion vor der Verglasung zur Folge hat.

ausführlich bei energytools.de: Wintergärten), Link: www.energytools.de/hausbau-und-erneuerung/bauteile-und-konstruktionen/fenster-und-tueren/wintergaerten

#Mein Fazit

• Wärmende Behaglichkeit kann von Heiztechnik nur ausgehen,
  • wenn sie die gewünschte Lufttemperatur ermöglicht,
  • den Kaltluftfall vollständig kompensiert und
  • einen hohen Anteil Strahlungswärme in den Raum abgibt.
• Einige Behaglichkeitsstörungen können durch die Auswahl von speziellen Heizkörpern vermieden werden.
• Eine deutliche Verbesserung der Behaglichkeit wird mit großflächigen Heizungen, wie Fußboden- und Wandheizungen erreicht. Im Randbereich sollte ein engerer Verlegeabstand gewählt werden.
• Ist nur der Einsatz von Plattenheizkörpern möglich, sind langgestreckte Typen mit möglichst großer Ansichtsfläche auszuwählen.
• Haben Außenwände einen schwächeren U-Wert als die Fenster (z.B. nach einer Fenstermodernisierung), sind bis in die Raumecken reichende, langgestreckte Heizkörper einzusetzen, um den Kaltluftfall zu mindern.
• Heizkörper gehören unter das Fenster.
• Ein hydraulischer Abgleich ist vorzunehmen, um nur mild strahlende und dauerhaft durchströmte Heizkörper zu ermöglichen. So kann auch eine gute Regelfähigkeit der Thermostate gewährleistet werden.
• Eine behagliche Wärmeumgebung lässt sich auch im beheizten Wintergarten erzielen, wenn die wärmetechnische Qualität
  • der Verglasung hochwertig und
  • eine Verschattung möglich ist.

#Fragen und Antworten zum Kaltluftfall

Frage: Ich fühle mich in meiner Wohnung (über zwei Etagen) im Winter nicht wohl. Kann es an Luftströmungen liegen?

Antwort: In Wohnungen über zwei Etagen können oftmals intensive vertikale Luftströmungen beobachtet werden, die die empfundene Behaglichkeit negativ beeinflussen. Ursache ist hier weniger der Luftwechsel im Sinne des Luftaustausches (frische Luft gegen gebrauchte), sondern die Thermik. Sie stellt sich - mit unangenehmen Zugerscheinungen verbunden - im Winter ein, wenn sich erwärmte Raumluft an Außenwand- oder Fensterflächen abkühlen kann. Dadurch wird die Luft schwerer, sinkt über den Zugang zur zweiten Etage nach unten und wird durch Erwärmung an Heizkörpern wieder nach oben geleitet. Besonders intensiv ist dieser Vorgang bei großen, manchmal auch über zwei Etagen reichenden Fensterflächen zu beobachten. Es entstehen an kritischen Orten Luftgeschwindigkeiten oberhalb von 0,2m/s bis 0,3m/s, die von einigen Personen als äußerst unangenehm empfunden werden.

Neben einer sich einstellenden Luftbewegung infolge Thermik durch Temperaturunterschied entstehen Luftströmungen auch durch das Entweichen von Raumluft über Luftleckagen. Dieser Vorgang ist in allen Wohnungen mit mehr als einer Etage, also auch in den meisten Einfamilienhäusern zu beobachten, bei denen die Luftdichtheit im Dachgeschoss mangelhaft ausgeführt wurde. Die Nachströmung kühlerer Luft geschieht über Einströmmöglichkeiten im Unterdruckgebiet (erste Etage bzw. Keller).

Ebenso ungünstig auf die Behaglichkeit können sich Luftbewegungen auswirken, die von Be- und Entlüftungsanlagen ausgehen. Bei mangelhafter Planung können sich Luftströmungen oberhalb der kritischen Luftgeschwindigkeit einstellen, besonders wenn es sich um den Zustrom kühlerer Außenluft bei Anlagen ohne Wärmerückgewinnung bzw. ohne Erwärmung der Zuluft handelt.