4.2.1 Wärmeleistung
Es werden folgende Hauptgruppen von FBH-Systemen unterschieden (Bild 4.9):
- Nass-Systeme (Typ A): Die Heizrohre sind vom Unterlagsboden umschlossen. Der Unterschied bezüglich Wärmeabgabe der verschiedenen Fabrikate ist gering.
- Trocken-Systeme (Typ B): Heizrohre werden nicht vom Unterlagsboden umhüllt oder es wird gar kein U-Boden in flüssiger Form eingebracht. Thermische Unterschiede verschiedener Fabrikate sind gross.
Bild 4.9 Fussbodenheizungen Typ A und B
Die Berechnung der Wärmeleistung von Fussbodenheizungen bedingt die Kenntnis der Bodenbeläge und der Flächen, die überhaupt mit Rohren belegbar sind. Es ist, wie bei Heizkörpern, vom Wärmeleistungsbedarf des Raums auszugehen. Der vom Boden nach oben abzugebende Netto-Wärmestrom beträgt nun:
Φo Netto-Wärmestrom nach oben in W
ΦHL Heizleistungsbedarf Raum nach Norm in W
Φb Verlustwärmestrom nach Norm durch diejenige Fläche, welche mit dem Fussbodenregister belegt werden soll, in W
Φde Deckengewinn durch oben liegende FBH in W
Die erforderliche Wärmestromdichte nach oben ergibt sich aus der belegbaren FBH-Registerfläche:
qo Wärmestromdichte nach oben in W/m2
AF belegbare Bodenfläche in m2
Der totale Wärmeübergangskoeffizient (Konvektion + Strahlung) des Fussbodens kann mit genügender Genauigkeit h = 11 W/m2K gesetzt werden. Somit wird die mittlere Fussbodentemperatur
Fussbodentemperaturen über etwa 28 °C werden in Aufenthaltszonen als störend empfunden.
Mit einem angenommenen Verlegeabstand gibt Bild 4.10 die mittlere Temperaturdifferenz Heizwasser–Luft für den belagfreien Fall. Die üblichen Rohr-Innendurchmesser (12 bis 16 mm), die Rohrmaterialien und die Verlegung schlangen- oder schneckenförmig beeinflussen die Wärmeabgabe kaum. Bodenbeläge erhöhen den Wärmedurchgangswiderstand vom Heizwasser an den Raum und somit die notwendige mittlere Temperaturdifferenz. Beläge mit einem Widerstand RB > 0,15 m2K/W sollten nicht verwendet werden; es ist nicht sinnvoll, hinter einer Isolation zu heizen. Mit dem Korrekturfaktor (Bild 4.11) erhält man die mittlere Temperaturdifferenz mit Belag:
ΔTm,mit mittlere Heizwasserübertemperatur mit Bodenbelag in K
ΔTm,ohne mittlere Heizwasserübertemperatur ohne Bodenbelag (Bild 4.10) in K
fB Korrekturfaktor für Bodenbelag (Bild 4.11)
Bild 4.10 Wärmestromdichte einer Fussbodenheizung Typ A ohne Belag, mit Kunststoffrohr 14/18 mm, Rohrüberdeckung 45 mm, Unterlagsboden λ = 1,2 W/mK, berechnet nach [EN ISO 11855]
Bild 4.11 Korrekturfaktor für Bodenbelag und Unterlagsboden-Übermass, berechnet nach [EN ISO 11855]
Nun kann mit den Beziehungen von 4.1.1 aus der Vorlauftemperatur die Rücklauftemperatur bestimmt werden.
Das Verhältnis der Wärmeströme nach oben und unten ergibt sich aus den entsprechenden Wärmedurchgangswiderständen. Nach [EN ISO 11855] werden diese Widerstände eindimensional ermittelt, ausgehend von der Rohrebene. Die Wärmestromdichte nach unten wird damit:
qu Wärmestromdichte nach unten in W/m2
Ru Wärmedurchgangswiderstand nach unten in m2K/W
Ro Wärmedurchgangswiderstand nach oben in m2K/W
θi Raumtemperatur oben in °C
θu Raumtemperatur unten in °C
Die Wärmeleistung, die durch die Isolation nach unten abgegeben wird, beträgt also:
Der Massenstrom des Heizwassers beträgt damit:
qm Heizwasser-Massenstrom in kg/s
c spezifische Wärmekapazität von Wasser: 4190 J/kgK
θV Vorlauftemperatur in °C
θR Rücklauftemperatur in °C
Hinweise
Im Zusammenhang mit verbrauchsabhängiger Heizkostenabrechnung ist es sinnvoll, den Wärmestrom nach unten zu begrenzen. Aus diesem Grund verlangt [SIA 384/1] eine Dämmung von 4 bis 5 cm.
Aus dem Wasserdurchfluss und den Rohrabmessungen lässt sich der Druckverlust ermitteln. Zur Vermeidung einer hohen Förderdruckdifferenz sollte der Innendurchmesser mindestens 12 mm betragen.
4.2.2 Der Einsatz von Fussbodenheizungen
Darunter werden Zonen entlang von Aussenwänden verstanden, welche kleinere Verlegeabstände aufweisen als der Rest des Raums. Wenn ein ungenügender Komfort bei hohen Fenstern zu erwarten ist, verbessert eine Randzone die Situation nur geringfügig. Der Unterschied der Wärmestromdichten zwischen beispielsweise 20 und 10 cm Verlegeabstand ist nicht gross genug. Es zeigt sich, dass Randzonen in der Regel entbehrlich sind. Randzonen haben den Nachteil grösseren Rohrbedarfs und grösseren Druckverlusts.
Selbstregeleffekt
Die Wärmeleistung einer Heizfläche hängt im Beharrungszustand von der mittleren Temperaturdifferenz Heizwasser-Raumtemperatur ab. Verursacht nun ein interner oder solarer Wärmeeintrag einen bestimmten Raumtemperaturanstieg, so wird diese Temperaturdifferenz geringer und somit sinkt die Wärmeleistung. Dieser erwünschte Vorgang wird als Selbstregeleffekt bezeichnet. Der Selbstregeleffekt ist um so ausgeprägter, je tiefer die Systemtemperatur ist.
Einzelraumregelung
Mit Thermostatventilen oder Raumthermostaten wird der Durchfluss nach einem geringen Raumtemperatur-anstieg (abhängig von der P-Abweichung) auf Null reduziert. Die P-Abweichung sollte deshalb klein gewählt werden. Bei Vorlauftemperaturen von maximal 30 °C oder bei kleineren innenliegenden Räumen ohne Wärmeeinträge ist die Einzelraumregelung entbehrlich.
Bei normalen Kunststoffrohren tritt ein O2-Transport durch die Rohrwandung auf. Der Unterlagsboden bremst den Stofftransport nicht wesentlich. So können die Komponenten des Heizsystems innert weniger Jahre korrodieren und verschlammen. Heute werden diese Risiken hauptsächlich mit Metall-Verbundrohren vermieden.