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Ist die Fußbodenheizung sparsam und behaglich?

01.02.2019 | von: fegonnow54 | Kategorie: Energierelevante Heizungsteile, Fußbodenheizung, Heizen | Druckansicht Druckansicht

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Ist die Fußbodenheizung eine energiesparende und behagliche Alternative zur Heizkörperheizung? Über Einflussfaktoren, einzuhaltende Bedingungen und Auslegung

Ich habe oft die Meinung gehört, dass Flächenheizungen, insbesondere die wasserführende Fußbodenheizung, eine gute, energiesparende Alternative zu einer Heizung mit Plattenheizkörpern sei. Ich denke, dass zu dieser Frage eine differenziertere Betrachtung erforderlich ist. Denn nach meiner Erfahrung treten Einsparungen durch die Fußbodenheizung nur selten ein. Warum ist das so? Sehen wir uns dazu die wasserführende Fußbodenheizung im Detail an.

Nass- und Trockenestrich

Zu unterscheiden sind Fußbodenheizungen mit einem Nassestrich (Beton, Anhydrit) und mit Trockenestrich.

Rohrleitung einer Fußbodenheizung auf der Dämmebene
Rohrleitung einer Fußbodenheizung mit Nassestrich auf der Dämmebene

Bei einer Fußbodenheizung mit Nassestrich liegen die wärmeführenden Rohrleitungen auf einer Dämmebene. Sie werden bei der Herstellung von einem nass eingebrachten Beton- oder  Anhydritestrich umschlossen, der nach einer bestimmten Zeit aushärtet. Bei Systemen mit Nassestrich erfolgt also die Wärmeübertragung des Heizungswassers über die Rohrwandung in den Estrich. Von der Oberfläche des Estriches aus erfolgt die Wärmeweiterleitung durch Konvektion an die darüber befindliche Raumluft bzw. durch Wärmestrahlung an niedriger temperierte Objekte im Raum.

Bei Fußbodenheizungen mit Trockenstrich wird die Heizungswärme dagegen mittels Wärmeleitblechen von der Oberfläche der Rohrleitung an die Oberfläche des Trockenestriches (Gipsfaserplatten, metallische Platten, Vergussmasse) weitergeleitet. 

Thermogramm eines Abschnittes einer Fußbodenheizung
Thermogramm eines Abschnittes einer Fußbodenheizung

In beiden Fällen (Nassestrich, Trockenestrich) wird die Heizwärme über eine große wärmeübertragende Fläche in den Raum abgegeben. Daher ist es möglich, die Heizlast des Raumes mit niedrigen Heizwassertemperaturen zu decken. Diese liegen im Bereich zwischen 22°C und 35 °C, je nach Größe der Heizlast des Raumes, der Auslegung (Verlegeabstand, Heizkreislänge), der Außentemperatur und der gewünschten Raumtemperatur. Im Vergleich dazu liegen die bei Plattenheizkörpern erforderlichen  Heizwassertemperaturen zwischen 40°C und 60 °C, sofern es sich um den gleichen Raum handeln würde und die Heizlast gleich wäre. Wenn der Heizkessel – gleich welcher Art – für eine Fußbodenheizung nur niedrige Heizwassertemperaturen zwischen 22°C und 35°C bereitstellen muss, entstehen nur wenige Verluste bei der Wärmeerzeugung. Dies resultiert aus geringem Abgasverlust, Abstrahlungsverlust und Betriebsbereitschaftsverlust

Die niedrige Heizwassertemperatur einer Fußbodenheizung kann im Vergleich zur Heizung mit Plattenheizkörpern zu geringeren Verlusten bei der Wärmeerzeugung und der Wärmeverteilung führen, sofern ein dafür geeignetes hydraulisches System umgesetzt wurde.

Haben wir im gesamten Gebäude ausschließlich Fußbodenheizung, wirken sich die geringeren Wärmeverluste bei der Wärmeerzeugung positiv auf die Energiebilanz aus. Das gilt jedoch nur unter der Voraussetzung, dass alle wärmeführenden Leitungen durch beheizte Gebäudeabschnitte verlegt und sehr gut gedämmt sind. Mit anderen Worten: Die Wärme darf nur dort abgegeben werden, wo sie benötigt wird.

Bei der häufig eingebauten Mischheizung (Fußboden- und Heizkörperheizung in einem Haus) bestimmt jedoch die Heizkörperheizung (vor allem ein Badheizkörper) primär die erforderliche Heizwassertemperatur. Der Heizkessel muss daher zwangsläufig immer mit der höheren Heizwassertemperatur gefahren werden. Das niedrigere Temperaturniveau für die Fußbodenheizung wird in diesem Fall aus dem Vorlaufwasser und dem kühleren Rücklaufwasser gemischt (Mischer). Verluste einer solchen Heizungsanlage, die bei der Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung entstehen, werden von dem höheren Temperaturniveau der Heizkörperheizung bestimmt. Die Fußbodenheizung im System führt hier zu keiner Einsparung. 

Es gibt aber auch Wärmeverluste einer reinen Fußbodenheizung, die an Bedeutung gewinnen, je höher die Heizwassertemperaturen sind:

  1. An den Stirnseiten einer Fußbodenheizung mit Nassestrich begrenzt meist nur ein sehr dünner Randdämmstreifen (8 bis 10 mm Kunststoffschaum) den Wärmeübergang in die Wand.
    Thermogramm eines Hauses mit Fußbodenheizung
    Thermogramm eines Hauses mit Fußbodenheizung
    Thermografische Analysen von außen zeigen die Höhenlage von solchen Heizestrichen als wärmere Streifen an. Besonders hohe Verluste entstehen, wenn die Estrichmasse mit der Außenwand direkt in Verbindung gekommen ist, z.B. durch fehlende oder unterbrochene Dämmstreifen bzw. Estrichbrücken. Solche Wärmeverluste können allerdings durch eine sehr gute, innen oder außen liegende Wärmedämmung unterbunden werden.
  2. Wärme der Fußbodenheizung wird über eine zu schwache Dämmschicht (ggf. auch durch unterbrochene Dämmmaterialien) in die darunter liegende Geschossdecke abgeleitet. Hier ist eine im Vergleich mit Heizkörpern sehr große Fläche aktiv, die so lange Wärme abtransportiert, bis keine Temperaturdifferenz mehr besteht. Ist der darunter befindliche Raum unbeheizt und kühl, kann es so zu erheblichen Wärmeverlusten (z. B durch die Kellerdecke) kommen.   
  3. Ebenfalls nachteilig wirkt sich aus, dass eine Wärmeanforderung (“Thermostat ein”) im Gegensatz zu Heizkörpern erst deutlich später mit spürbarer Wärmeentwicklung beantwortet wird (Trägheit). Bei Bedarfsende (“Thermostat aus”) wird noch mehr oder weniger lange Wärme nachgefördert (thermisches Überschwingen). Dieses Verhalten ist abhängig von der Estrichhöhe und Fläche, vom Estrichmaterial (Nass- oder Trockenstrich) und von der Heizwassertemperatur. Wegen der großen Masse wirkt sich die Trägheit besonders bei Systemen mit Nassestrich aus. In Räumen oder Zonen, die dauerhaft geheizt werden (ohne nennenswerte Unterbrechung) ist der Nachteil allerdings kaum zu spüren. Anders dagegen ist es in temporär genutzten Räumen (Schlafen, Gäste, Bäder, Arbeiten, Kinder). Gerne wählt man für solche Räume dann doch eine Heizkörperheizung aus, womit die mögliche Energieeinsparung bei der Wärmeerzeugung allerdings wieder zunichte gemacht wird.
  4. Je nach erreichter Güte des baulichen Wärmeschutzes übt auch solare Zustrahlung (tief stehende winterliche Sonne) bzw. eine Fremdwärmequelle (Personen, Geräte, Kaminofen) Einfluss auf das thermische Überschwingen aus. Denn ein bereits auf 27°C aufgeheizter Estrich kann natürlich weniger Wärme aufnehmen als ein bei 19 °C normal temperierter Fußboden. Der Einfluss der Fremdwärmequellen wird umso größer, je besser die Wärmedämmung der Außenwände, Decken und Fenster ist. Daher kommt es bei gutem baulichen Wärmeschutz besonders auf eine sorgfältig dimensionierte Fußbodenheizung mit möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen (um 22°C) an.
  5. Ein geringfügig erhöhter Elektroenergiebedarf entsteht durch die länger laufenden Umwälzpumpen und die elektrischen Antriebe der Stellglieder der Fußbodenheizung (pro Stellglied für einen Heizkreis etwa zwischen 2 und 6 kWh pro Jahr).  

Eine Fußbodenheizung ist sparsam, wenn

  • alle Heizkreise einer Heizungsanlage eine Fußbodenheizung erhalten,
  • mit einer sehr niedrigen Vorlauftemperatur (max. 25 °C) geplant wird,
  • kein Heizungsmischer verbaut ist, sondern der Wärmeerzeuger solche niedrigen Temperaturen bereitstellt und verträgt (Brennwerttechnik, Wärmepumpe) , 
  • auch Badheizkörper mit der gleichen niedrigen Vorlauftemperatur betrieben werden,
  • das hydraulische System sorgfältig abgeglichen ist,
  • sinnvoll niedrig temperierte regenerative Wärme (Kollektoren, Wärmepumpe) eingebunden wird. 

Behaglichkeit

Fußbodenheizungen werden im Allgemeinen als besonders behaglich angesehen, was vor allem daran liegen mag, dass viele Menschen kalte Füße mit Unbehaglichkeit gleichsetzen. Wird also die Wärme über den Fußboden übertragen, so glaubt man, ist auch die Behaglichkeit gesichert. Das halte ich für einen Trugschluss.

Empfundene Behaglichkeit wird wesentlich vom Verhältnis der Höhe der Raumlufttemperatur zur erlebten Oberflächentemperatur der Raumumschließungsflächen beeinflusst (mehr dazu im Abschnitt Oberflächentemperatur). Dabei toleriert die überwiegende Zahl der Menschen einen maximalen Temperaturunterschied von etwa 3 Grad. D.h. bei einer Raumlufttemperatur von 21°C würde eine Wand- oder Fußbodentemperatur von minimal 18°C gerade noch akzeptiert werden. Eine Fußbodenheizung schafft diese Fußbodentemperatur natürlich spielend. Was aber ist mit den Oberflächentemperaturen der Außenwand, der Decke und den verglasten Flächen?

Ein Beispiel: Ein Fenster mit einem U-Wert für die Verglasung von 1,8 hat bei -10°C Außentemperatur und 20 °C Raumtemperatur nur eine Oberflächentemperatur an der Innenseite von etwa 13°C. Vor dieser Verglasung kommt es wegen der unvermeidbaren Luftabkühlung an den kühlen Glasflächen zum Kaltluftfall. Dieser kann durch einen vor dem Fenster angebrachten Heizkörper kompensiert werden, weil der warme Heizkörper eine aufsteigende Luftströmung aufbaut.

Bei einer Fußbodenheizung ist das schon schwieriger zu realisieren. Die überwiegend praktizierte Variante besteht darin, den Verlegeabstand der Heizungsrohre zu reduzieren. Dadurch wird eine Erhöhung der Oberflächentemperatur im Randbereich erreicht. Trotzdem wird nur eine vergleichsweise schwache Konvektion vor der Außenwand bzw. einem Fenster entstehen, da die Vorlauftemperatur niedrig ist. Eine bessere Lösung besteht darin, den Wandabschnitt bzw. den Platz unter dem Fenster zusätzlich mit einer Wandheizung zu versehen. Selbstverständlich sollte für Verglasung und Rahmen ein besonders niedriger U-Wert angestrebt werden.

Für beide Fälle ist anzumerken, dass sich die Wärmeverluste erhöhen können, wie ich weiter oben dargestellt habe. Außerdem ist zu beachten, dass auf eine erhöhte Oberflächentemperatur des Fußbodens (oberhalb von etwa 23°C) der Körper bei längerer Einwirkung mit Unbehaglichkeitsreaktionen, wie Schweißbildung, Venenerweiterung im Beinbereich usw. reagiert. Dies ist für die Planung von Sitzgruppen o.ä. von Bedeutung.

Erhöhte Temperatur im Randbereich einer Fußbodenheizung
Erhöhte Temperatur im Randbereich einer Fußbodenheizung

Ist der bauliche Wärmeschutz jedoch sehr gut (U-Wert der Fenster kleiner 1, Wand kleiner 0,3), liegen die Oberflächentemperaturen der Hüllflächenbauteile nahe der Raumlufttemperatur. Dann kann eine Fußbodenheizung mit geringer Vorlauftemperatur betrieben werden und die Behaglichkeitswerte sind auch im Randbereich hoch. Bei kalten Altbau-Außenwänden und energetisch schwachen Fenstern wird sich Behaglichkeit jedoch auch mit einer Fußbodenheizung nicht so recht einstellen. Für diesen Fall passen eher Heizkörper in den Raum, die sich möglichst über die gesamte Außenwandlänge erstrecken. So erhöht sich auch der Strahlungsanteil der Wärmequelle (gerichtete Größe) und eine rasche Aufheizbarkeit des Raumes kann gewährleistet werden.

Fußbodenaufbau und Belag

Wer eine Fußbodenheizung ins Auge fasst, muss sich bereits vor der Entscheidung mit dem Fußbodenaufbau insgesamt, also auch mit dem späteren Bodenbelag beschäftigen. Dieser sollte die Wärmeübertragung von der Flächenheizung in den Raum nicht nennenswert behindern. Das spricht leider eher gegen eine Holzdielung, dicke Teppiche und starke Korkbeläge. Zwar weisen die Produzenten die Eignung des Belagmaterials für eine Fußbodenheizung aus, jedoch geht es dabei nicht um die Eigenschaft im Sinne einer möglichst ungebremsten Wärmeübertragung.

Ohne Zweifel ist es am Günstigsten einen keramischen Belag zu wählen. Bei geringen Heizlasten ist auch ein vollflächig verklebter PVC- oder Korkbelag möglich. Laminat ist zwar für Fußbodenheizung geeignet, sagen die Hersteller, jedoch ist damit vor allem die Beständigkeit gegen die Temperaturen gemeint. Durch die notwendige Trittschalldämmung ist die Wärmeübertragung bei Laminatböden reduziert.

Möblierung

Auch die Möblierung bremst die frei abgegebene Wärme und kann vor allem auf die Aufheizgeschwindigkeit einen zusätzlichen negativen Einfluss ausüben. Dieser ist allerdings weniger bedeutsam, wenn es sich um ein sehr gut gedämmtes Niedrigenergiehaus handelt. Dennoch sollte bereits bei der Heizungsplanung die spätere Möblierung Beachtung finden. 

Randbedingungen

Für die Dimensionierung von Fußbodenheizungen gilt die Norm DIN EN 1264 (alt DIN 4725). Danach ist die Vorlauftemperatur des Heizwassers auf 35 (bei älteren Systemen bis 55) °C bei einer Spreizung von 5K (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. Unterschiedliche Quellen fordern allerdings deutlich niedrigere Oberflächentemperaturen (kleiner gleich 26°C), was in sehr gut gedämmten Niedrigenergiehäusern zur Deckung der Heizlast auch problemlos möglich ist.
In der Hauptnutzungszeit sind dann Oberflächentemperaturen zwischen 22°C und 24°C normal. Die Heizwassertemperatur ist dann entsprechend abgesenkt, sofern das hydraulische System, die Wärmeübertragung und der Heizkessel selbst dies zulässt.

Voraussetzung für Planung und gute Funktion einer Fußbodenheizung ist zunächst die sorgfältige Ermittlung der Heizlast der zu beheizenden Räume (Heizlastberechnung nach DIN EN 12831). Die Berechnung muss im Neubaubereich auf der Grundlage der tatsächlich realisierten bautechnischen Parameter erfolgen.

Heizkreisverteiler für Fußbodenheizung mit voreinstellbaren Ventilen
Heizkreisverteiler für Fußbodenheizung mit voreinstellbaren Ventilen

Wichtig ist die präzise Berechnung und die Durchführung eines hydraulischen Abgleichs der Heizungsanlage nach VOB. Die ingenieurtechnische Auslegung liefert die notwendigen Daten wie z. B. Massenströme, Druckverluste und Wassertemperaturen, die für die Planung des Wärmeerzeugers sowie des Verteilnetzes Voraussetzung sind. Ist keine Projektierung erfolgt, können verschiedene Parameter (Temperatur, Durchflussmenge) nicht optimal eingestellt werden. Die Voraussetzungen für eine Einstellung der Durchflussmenge an den Verteilern sind durch voreinstellbare Ventileinsätze zu schaffen.

Mögliche Fehlerquellen

Eine zu hohe Vorlauftemperatur des Heizungswassers kann zu unbehaglich hohen Oberflächentemperaturen führen und verschlechtert die Regelbarkeit. Als Ursachen einer zu hoher Vorlauftemperatur kommen in Betracht:

  • Fehlerhafte (bzw. fehlende) Berechnung der Heizlast
  • falsch eingestellte Heizkurve
  • fehlender oder falscher hydraulischer Abgleich
  • zu großer Volumenstrom

Zu niedrige Oberflächentemperaturen haben eine nicht ausreichende Raumtemperatur zur Folge. Als Ursachen kommen in Frage:

  • fehlender oder falscher hydraulischer Abgleich
  • falsch eingestellte Heizkurve
  • zu später Heizbeginn
  • Zu großer Verlegeabstand der Rohrleitungen
  • zu große Heizkreislängen bei mangelhaftem hydraulischen Abgleich (Druckverlust)
  • zu geringer Rohrdurchmesser (Druckverlust)
  • zu geringer Volumenstrom
  • zu großer Wärmeverlust infolge geringer Wärmedämmung nach unten und zu den Rändern

 

 

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