Vorausschauend geplant

Fußbodenheizungen sind bekanntlich beliebt: Sie arbeiten energieeffizient, ihre Wärmeabgabe wird als besonders angenehm empfunden und sie bieten Bewohnern maximalen Gestaltungsspielraum bei der Einrichtung. Für eine optimale Funktionsweise sollten bei der Auslegung jedoch bestimmte Kriterien berücksichtigt werden – der folgende Beitrag gibt einen Überblick.

Wenn wir den Klimawandel ernst nehmen, müssen wir unseren Lebensstil anpassen – wir müssen klimafreundlicher wohnen. Denn 14 Prozent der gesamten CO₂-Emissionen stammen aus dem Gebäudesektor. Und wenn die Emissionen von Stromerzeugung oder Fernwärme sowie von der Herstellung von Baustoffen noch eingerechnet werden, verdoppelt sich dieser Wert. Ziel ist, dass die Treibhausgasemissionen in Deutschland bis 2030 im Vergleich zum Jahr 1990 um zwei Drittel sinken. Energiesparpotential in Gebäuden bietet vor allem das Thema Wärmeregulierung. Nicht nur die Dämmung von Gebäudeaußenflächen beeinflusst den Wärmebedarf stark und damit einhergehend auch die Energieeffizienz. Auch die Heizungsanlage, mit ihren Komponenten Wärmeerzeugung, -speicherung, -verteilung und -übergabe, spielt eine wesentliche Rolle. Prädestiniert, um die Stellschrauben „Energieeffizienz“ und „Erneuerbare Wärme“ nachhaltig zu optimieren, sind im Kontext der Wärmeübergabe die vielfältigen Systeme der Flächentemperierung – allen voran die Fußbodenheizung, welche im Folgenden genauer betrachtet werden soll.

Theoretische Planungsgrundlagen der Fußbodenheizung

Wird eine neue Fußbodenheizung geplant, ist die DIN EN 1264 als Berechnungsgrundlage unerlässlich. Die relevante Kenngröße ist die Basiskennlinie – sie stellt den Zusammenhang zwischen der mittleren Fußbodentemperatur t_FB,m und der Wärmestromdichte q als empirische Funktion dar:

q = 8,92 (t_FB,m - t_i)^1,1

Die Leistung der Fußbodenheizung, die Wärmestromdichte (gemessen in W/m²), ist somit von der Temperaturdifferenz der mittleren Fußbodentemperatur t_FB,m und der Rauminnentemperatur t_i abhängig. Dieser Zusammenhang wird durch den Exponenten von 1,1 für Fußbodenheizungen – bei Heizkörpern beträgt er 1,3 – und den Proportionalitätsfaktor 8,92 bestimmt. Aus der Formel ist ersichtlich, dass jede Erhöhung der Rauminnentemperatur bei konstanter mittlerer Fußbodentemperatur die Wärmestromdichte verringert. Andersherum führt eine höhere Boden-/Oberflächentemperatur zu einer höheren Wärmeleistung. Als Faustformel kann für den Proportionalitätsfaktor ein Wert von 10 angenommen werden, dann zeigt sich: Mit einer um 1 K höheren Temperaturdifferenz zwischen Oberboden- und Raumtemperatur wird eine um 10 W/m² erhöhte Wärmestromdichte erzielt.

Auch nach Einführung des neuen Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der aktualisierten Variante der Norm für die Heizlastberechnung DIN EN 12831-1 im vergangenen Jahr beträgt der typische reale Wärmebedarf im Neubau etwa 30 W/m². Auch wenn die Bedingungen des Auslegungsfalls nur für etwa fünf Prozent der Heizperiode gelten, muss die Leistung der Fußbodenheizung dem Wärmebedarf in diesem Fall entsprechen. Übertragen auf die Funktion der Basiskennlinie ergibt sich folglich für den Auslegungsfall und eine Raumtemperatur von 20 °C eine Oberflächentemperatur des Fußbodens von etwa 20 °C + 30/10 K = 23 °C. In der übrigen Zeit der Heizperiode ist der Wärmebedarf geringer und liegt im Schwachlastbetrieb bei etwa 10 bis 20 W/m². Daraus resultieren Oberflächentemperaturen von entsprechend etwa 21 bis 22 °C.

Je nach gewählten Berechnungsparametern kann der rechnerische Wärmebedarf jedoch darüber liegen: Ein erhöhter Lüftungswärmebedarf, Aufheizreserven und höhere gewünschte Innentemperaturen (ein Komfortzuschlag von 3 K) steigern den Wärmebedarf. Seit April 2020 muss die Lüftung laut DIN/TS 12831-1 nach Gebäudezonen berechnet werden. Das führt im Schnitt zu einer Steigerung der Heizlast um rund zehn Prozent im Vergleich zur bisherigen Berechnungsmethode – für einzelne Räume kann es auch mehr sein. Sind zusätzlich höhere Raumtemperaturen gewünscht, kann es vorkommen, dass die Heizlast die Heizleistung der Fußbodenheizung überschreitet und eine zusätzliche Wärmequelle eingeplant werden muss. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass sich diese Überschreitung nur auf die wenigen Tage im Jahr bezieht, in denen der Auslegungsfall erreicht wird. Ob diese finanzielle Investition notwendig ist, sollte der Bauherr also selbst entscheiden. Soll ein Gebäude nach einer Temperaturabsenkung – zum Beispiel über Nacht – schnell wieder die Solltemperatur erreichen, sind Aufheizreserven bei der Berechnung der Heizlast zu berücksichtigen. Als Aufheizreserven können größer dimensionierte Wärmeerzeuger, geringere Verlegeabstände bei der Fußbodenheizung oder eine Erhöhung der Vorlauftemperatur dienen. In allen Fällen muss der Bauherr mit Mehrkosten rechnen. Zudem sinkt – zumindest bei einer erhöhten Vorlauftemperatur – die Energieeffizienz des Wärmeerzeugers, speziell bei Wärmepumpen. Da bei der guten heutigen Dämmung der Gebäude eine Temperaturabsenkung energetisch keine messbaren Vorteile mehr bringt, empfiehlt der Autor, auf diese Aufheizreserven zu verzichten. Sind höhere Innentemperaturen gewünscht und die Solltemperatur wird auf 23 °C statt 20 °C festgesetzt, hat das negative Auswirkungen auf den Wärmebedarf und die Heizleistung der Fußbodenheizung – die DIN EN 12831-1 lässt die Vereinbarung von höheren Innentemperaturen jedoch zu. So erhöht sich die Heizlast bei einer um 3 K höheren Innentemperatur um zehn Prozent. Weil die maximale Oberflächentemperatur für Aufenthaltszonen laut DIN EN 1264 auf 29 °C beschränkt ist, führt eine um 3 K erhöhte Innentemperatur zu einer Reduktion der maximalen Heizleistung von 100 W/m² auf etwa 70 W/m². Zusammen können diese Effekte dazu führen, dass im Jahr 2021 die Heizlast bei Niedrigstenergiehäusern in einzelnen Räumen mit einer Fußbodenheizung nominell nicht gedeckt werden kann. Eine Diskussion, die sich eigentlich nach der Einführung der Wärmeschutzverordnung (WSVO) 1995 erledigt hatte, da durch die dort festgelegten Wärmedämmanforderungen der Wärmebedarf sicher unter die von der Fußbodenheizung lieferbaren 100 W/m² gesenkt wurde – der durchschnittliche Bedarf lag bei 50 W/m².

Der Bodenbelag spielt eine Rolle

Ob eine Oberflächentemperatur als warm oder kalt empfunden wird, hängt entscheidend vom Oberbodenbelag ab. Ob Parkett, Teppich, Fliesen oder Laminat – das hat einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeleistung bei gleicher Vorlauftemperatur, denn die Beläge unterscheiden sich in ihrer Wärmeleitfähigkeit und haben verschiedene Widerstandsbeiwerte. Während Fliesen und Steinfußböden Wärme bekanntlich besonders gut leiten, haben Teppichböden einen hohen Widerstandsbeiwert. Parkett besitzt ebenfalls eher hohe Widerstandsbeiwerte – allerdings werden auf Holzfußböden bereits niedrigere Temperaturen als angenehm empfunden. Grundsätzlich gilt, dass Parkett verklebt sein sollte und manche Holzarten sich besser als andere anbieten – vor allem, weil sie unterschiedlich auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit reagieren. Eiche und Ahorn sind beispielsweise weniger sensibel als andere Hölzer. Schwimmend verlegtes Laminat ist als Oberbodenbelag bei einer Fußbodenheizung trotz seines nominell geringen Widerstandsbeiwertes wärmetechnisch genauso ungünstig wie ein dicker Teppich oder ein dickes Parkett: Durch diese Verlegeart entstehen Lufträume, die als Wärmedämmung wirken. Um bei der Auslegung auf Nummer sicher zu gehen, empfiehlt Uponor für Wohngebäude, die Flächenheizung für den ungünstigsten, jedoch noch zulässigen Wärmeleitwiderstand des Oberbodens auszulegen. So können Hausbesitzer bei einer späteren Renovierung den Steinoberboden in einem Wohnraum durch einen Parkett- oder Teppichboden ersetzen – ohne die Heizwasservorlauftemperatur zu erhöhen. Die Anpassung der sich dadurch ändernden Massenströme im Heizkreis kann mit der Uponor-„Smatrix“-Regelung automatisch erfolgen.

Auch für den Installateur spielt der gewählte Oberbodenbelag eine Rolle. Je nach Wärmeleitfähigkeit müssen die Verlegeabstände angepasst werden. So ist bei Fliesen- und Steinfußböden etwa darauf zu achten, dass keine unangenehmen Temperaturwelligkeiten an der Oberfläche entstehen – der Verlegeabstand sollte entsprechend gering sein. Grundsätzlich gilt, dass nach DIN EN 1264 der Verlegeabstand maximal 1 cm vom geplanten Wert abweichen darf. Auch mit dieser Anforderung sollen die Temperaturwelligkeiten möglichst gering gehalten werden.

Auch auf die Nutzung kommt es an

Nicht nur der Oberbodenbelag spielt für die Auslegung der Fußbodenheizung eine große Rolle, entscheidend ist auch die Raumnutzung. So kann ein Raum in verschiedene Zonen und damit in unterschiedliche Heizkreise geteilt sein. Auf diese Weise wurde früher beispielsweise vor einer großen Fensterfront der Verlegeabstand verringert, um dem Kaltluftabfall am Fenster entgegenzuwirken. Das ist bei der heutigen Scheibentechnologie nicht mehr nötig – eine klassische Randzone schafft sogar eher Probleme. Der geringere Wärmeverlust durch besser gedämmte Außenwände führt zu einem niedrigeren Wärmebedarf der Räume. Dieser würde gerade im Schwachlastbetrieb schon allein durch die Randzone abgedeckt werden, was nicht für Wohlempfinden sorgt. Denn: Der Fußboden wäre in der Randzone angenehm warm, im eigentlichen Aufenthaltsbereich bliebe er jedoch kalt. Um das auszuschließen, sollten – wenn in einem Raum zwei Heizkreise benötigt werden – diese ungefähr gleich lang sein. Dann ist der hydraulische Abgleich einfach und der Raum erhält eine gleichmäßige Oberflächentemperatur. Eine Ausnahme ist das Schlafzimmer, wenn unter dem Bett nicht oder weniger geheizt werden soll. In Küchen ist es dagegen besonders wichtig, die Fußbodenheizung im ganzen Raum, also auch unter den Küchenschränken, zu verlegen – vor allem, wenn die Küchenzeile an einer Außenwand steht. Denn das beugt einer Schimmelbildung effektiv vor.

Grundsätzlich gilt, dass jeder Raum einzeln geregelt werden sollte. Hier behält das GEG die Anforderungen aus der EnEV bei: Jeder Raum, der mehr als 6 m² misst, muss mit einer Einzelraumregelung ausgerüstet werden. Daraus folgt logisch, dass in kleineren Räumen kein eigener Heizkreis nötig ist. Ob aus Behaglichkeitsgründen ein eigener Heizkreis für beispielsweise ein Gäste-WC oder ein zweites kleines Badezimmer im Einfamilienhaus trotzdem sinnvoll ist, sollten Planer/Fachhandwerker und Bauherr besprechen.

Kühlen bei hohen Temperaturen

Angenehme Raumtemperaturen das ganze Jahr über – das ist das erklärte Ziel. Außerdem muss die Einhaltung des sommerlichen Wärmeschutzes auch nach GEG nachgewiesen werden. Energetisch besonders günstig ist dabei eine passive Kühlung unter Verwendung von Raumumschließungsflächen. Hier sind Wand- und Deckenkühlungen besonders effektiv. Auch klassische Kälteerzeuger können mit diesen Systemen durch die hohen raumlufttemperaturnahen Kühltemperaturen eine bessere Energieeffizienz erreichen. Eine weitere Möglichkeit ist es, die bestehende Fußbodenheizung zur Kühlung zu nutzen – auch wenn die Kühlleistung hier im Vergleich zur Deckenkühlung geringer ist.

Für alle drei Varianten gilt, dass sie im Gegensatz zu einer Klimatisierung nicht die absolute Luftfeuchtigkeit im Raum beeinflussen. Ob mit der Kühlung die angestrebte Raumtemperatur erreicht wird, hängt von der Kühlleistung – also von Positionierung (Boden, Wand oder Decke), Verlegeabstand und Vorlauftemperatur – und der Zieltemperatur ab. Die obere Behaglichkeitsgrenze liegt im Sommer bei 26 °C und ist mit Flächenkühlsystemen im Normalfall einzuhalten. Die Flächenkühlung funktioniert über die Regulierung der Vorlauftemperatur, die in Abhängigkeit der Außentemperatur und unter Berücksichtigung des Taupunkts geregelt wird. Moderne Regelsysteme, wie Uponor-„Smatrix Pulse“, überprüfen die relative Luftfeuchtigkeit dafür nicht nur in einem Referenzraum, sondern in jedem Raum. Der Vorteil: Die einzelnen Räume werden dadurch länger gekühlt, als wenn die gesamte Anlage über den Referenzraumwert abgeschaltet wird.

Ist bekannt, dass die Fußbodenheizung auch zu Kühlzwecken genutzt werden soll, können Installateure mit bestimmten Maßnahmen die Kühlleistung optimieren. Zunächst können sie den Verlegeabstand reduzieren: Es empfiehlt sich ein Abstand von 10 cm. Darüber hinaus können sie von Anfang an größere Rohrdurchmesser wählen. 16 oder 17 mm sind optimal, weil durch die geringere Spreizung bei der Kühlung mehr Wasser transportiert werden muss. Eine Alternative für kleinere Rohrdurchmesser wäre, die Länge der Heizkreisläufe zu reduzieren.