Bei der energetischen Bewertung von Heizanlagen werden sowohl in national als auch in international standardisierten Berechnungsverfahren Einzelraumregelungen für Fußbodenheizungen als Regler mit Stellglied betrachtet, die den Heizwasserstrom vom Maximalwert bis zum Absperren drosseln. Innerhalb eines Fußbodenheizsystems mit dezentraler Vorlaufverteilung werden nunmehr Produkte zur thermo­statischen Einzelraumregelung von Fußbodenheizungen angeboten, die einen Bypass besitzen und auf einen Mindest-Heizwasserstrom eingestellt werden können, um ein Auskühlen der Fußbodenheizung zu verhindern.

Dadurch wird ein Basis-Leistungsanteil eingebracht und damit eine Basis-Oberflächentemperatur des Fußbodens auch bei geschlossenem Thermostatventil aufrechterhalten. Der Basis-Leistungsanteil passt sich bei außentemperaturabhängigen Vorlauftemperaturen proportional zur Außentemperatur an.

Die Auswirkungen auf den Energiebedarf und das Betriebsverhalten sind derzeit nicht zu bewerten, so dass in einer Studie im Auftrag des Herstellers [1] diese Regelung hinsichtlich des Energieaufwands, insbesondere für alle Anlagenteilbereiche, untersucht und die Auswirkungen auf den Betrieb beschrieben wurden.

Die energetische Bewertung von Heizanlagen ist nach nationalen Rechenverfahren Gegenstand der DIN V 18599 [2]. Bei Heizanlagen sind im Anlagenteilbereich Wärmeübergabe verschiedene Einzelraumregelungen für Fußbodenheizungen angegeben. Das dynamische Verhalten bei der Wärmeübergabe, ausgedrückt durch die mittlere Belastung, bleibt hierbei nach DIN V 18599-5 unberücksichtigt.

Die in Richtung des Energieaufwands folgenden Anlagenteilbereiche Wärmeverteilung und Wärmeerzeugung sind aufgrund der hydraulischen Verbindung an die Wärmeübergabe gekoppelt. Sofern sich durch die Einzelraumregelung Änderungen in den mittleren Heizmitteltemperaturen ergeben, haben diese Einfluss auf den Energieaufwand von Wärmeverteilung und Wärmeerzeugung.

Da die thermostatische Regelung mit ­Bypass eine Regelung ohne Hilfsenergie darstellt, brauchte der elektrische Energieaufwand nicht gesondert untersucht zu werden.

Bei einer thermostatischen Einzelraumregelung mit Bypass ist zu erwarten, dass durch die Einbringung eines Basis-Leistungsanteils die Auskühlung des Fußbodens reduziert und andererseits die Aufheizzeit verkürzt wird. Damit ändert sich das Betriebsverhalten der Fußbodenheizung deutlich.

Der energetische Aufwand für das Wärmeübergabesystem Fußbodenheizung mit thermostatischer Einzelraum-Temperaturregelung und Bypass kann nur bestimmt werden, wenn eine dynamische Gebäude-Anlagensimulation über den Zeitraum eines Jahres durchgeführt und der Energieaufwand ins Verhältnis zum Energiebedarf gesetzt wird. Durch Varia­tion der Auslegungs-Heizmitteltemperaturen und der Rohrabstände der Heiz­rohrleitungen kann das Betriebsverhalten hinreichend beschrieben werden.

Grundlagen und Simulationsumgebung

Die Untersuchungen wurden an einem Referenzraum durchgeführt, wobei ein Wohnraum mit einer Grundfläche von 48 m² gewählt wurde, der auf seiner Südseite einen vorgebauten Wintergarten besitzt. Diese Raumkombination wurde gewählt, um einerseits die solaren Einträge, die für die Regelung als Störgröße wirken, und andererseits eine gegenüber der Außenlufttemperatur verschobene angrenzende Temperatur im Bereich der Trennwand zwischen Wohnraum und Wintergarten abzubilden. Damit sind die zur Beurteilung des Regelverhaltens und des energetischen Aufwands ungünstigsten Randbedingungen gewählt.

Zur systematischen Auswertung sind:

• Verlegung (Rohrabstände) der Heizkreis-Rohrleitungen,
• Auslegungsvorlauftemperatur,
• Absenkung der Raumsolltemperatur,
• durchgehender und intermittierender Heizbetrieb,
• thermostatische Einzelraumregelung mit und ohne Bypass,

variiert und ausgewertet worden.

Als Simulationsprogramm wurde in der vorliegenden Untersuchung TRNSYS (a TRaNsient SYstems Simulation Program) Version 16.1 benutzt. Dieses Programm wird entwickelt und vertrieben von der University of Wisconsin – Solar Energy Laboratory. Die Ergebnisse sind hinsichtlich ihrer Modellbildung und den zuge­hörigen Ergebnissen in großem Umfang international validiert.

Innerhalb von TRNSYS werden neben dem Gebäudemodell, das die jeweiligen Räume beinhaltet, auch die Randbedingungen und die Anlagenkomponenten in Modulen (in der TRNSYS-Nomenklatur Types) erfasst und miteinander gekoppelt. Module zur Datenausgabe und zur Erfassung von Gleichungen, die Zwischenrechnungen oder Umrechnungen vornehmen können, gehören ebenso zum gesamten Simulationsmodell wie die einzelnen Regler mit ihren Parametrierungen. Im Gebäudemodell ist auch der Fußbodenaufbau der Fußbodenheizfläche enthalten. Um den Temperaturverlauf innerhalb eines Raumes besser berechnen zu können, wird die gesamte Fußbodenheizungsfläche in Segmente unterteilt.

Die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung kann beliebig vorgegeben werden. Entsprechend der üblichen Betriebsweise wird in den Simulationsrechnungen die außentemperaturabhängige Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Aus­legungsvorlauftemperatur als Funktion vorgegeben.

Die Besonderheit des Bypasses bei der Einzelraumregelung wird durch Begrenzung des Regelbereichs im Simulationsmodell berücksichtigt. Bei Regelung ohne Bypass wird der gesamte Aus­legungsmassenstrom zur Regelung der Raumtemperatur beeinflusst, während bei Betrieb mit Bypass mit 30 Prozent des Auslegungsmassenstroms nur noch 70 Prozent des Massenstroms geregelt werden.

Die meteorologischen Randbedingungen sind aus dem Testreferenzjahr (TRY) des Standorts Würzburg entnommen. Im Testreferenzjahr sind die Wetter­daten (Außenlufttemperatur, direkte und diffuse Strahlung, relative Feuchte, Windrichtung, Bedeckungsgrad usw.) stündlich verfügbar. Hierbei wird ein charakteristischer statistischer Wetterverlauf eines Jahres ab­gebildet. Bis in die jüngste Zeit ist der Standort Würzburg als Referenz­standort für energetische Vergleichsrechnungen herangezogen worden, weshalb er gleichfalls für die hier durchzuführenden Simulationsrechnungen verwendet wurde.

Der Heizbetrieb wird im Simulationsmodell durch zwei Kalenderfunktionen abgebildet, eine für den täglichen Verlauf der Solltemperaturen und eine für einen etwaigen Wochenendbetrieb. Vorliegend wurden die täglichen Anforderungen an die Solltemperatur von 7 Uhr bis 23 Uhr eingeführt und kein Absenkbetrieb am Wochenende (beides in Übereinstimmung mit den Nutzenrandbedingungen in DIN V 18599 – Teil 10).

Die für die Simulationsrechnungen benötigten Produktinformationen (detaillierte Eigenschaften des Fußbodenheizungssystems und der "Unibox EBV") sind in den jeweiligen dynamischen Berechnungsmodellen exakt abgebildet.

Berechnete Varianten und Simulationsergebnisse

Um belastbare Aussagen treffen zu können, ist es erforderlich, Variantenrechnungen durchzuführen, wobei die wesentlichen Einflussgrößen zu variieren sind. In der vorliegenden Studie wurden variiert:

• Rohrabstand Fußbodenheizung (20, 25, 30 cm),
• Auslegungs-Vorlauftemperaturen (35, 40, 50 °C),
• durchgehender/intermittierender Heizbetrieb,
• Sollwertänderung im intermittierenden Heizbetrieb (Absenkung um 1 K, 2 K),
• Betrieb mit und ohne Bypass (Bypass-Heizwasserstrom 30 Prozent).

In Abbildung 3 ist zunächst der sich einstellende generelle Effekt der Einzelraumtemperatur-Regelung mit und ohne Bypass auf die Oberflächentemperatur bei ­einem Rohrabstand von 20 cm dargestellt.

Gegenüber dem Tagesbetrieb wird die Solltemperatur im Nichtnutzungsbetrieb um 1 K auf 19 °C abgesenkt. Es ist deutlich erkennbar, dass sich die Oberflächentemperatur im Bypassbetrieb vergleichmäßigt – es kommt zu geringeren Absenkungen in Nichtnutzungszeiten und zu höheren Oberflächentemperaturen in den Nutzungszeiten.

Der generelle Einfluss des Betriebs mit und ohne ­Bypass auf die operative (empfundene) Raumtemperatur ist beispielhaft in Abbildung 4 erkennbar. Dort ist wiederum für Rohr­abstand 20 cm und einen herausge­griffenen 2-Wochen-Zeitraum (= 336 Stunden) die operative Raumtemperatur angegeben. Aufgrund der höheren Ober­flächentemperaturen (s. Abb. 3) ergeben sich durchweg höhere operative Raumtemperaturen beim Betrieb mit Bypass.

Die generellen Effekte ergeben sich für alle Rohrabstände und für durchgehenden/intermittierenden Betrieb. Es ist ganz offensichtlich, dass das Überschwingen der operativen Raumtemperatur einerseits bei größeren Rohrabständen abnimmt, andererseits aber deutlich von der aktuellen Heizlast und damit mindestens in einem erheblichen Anteil von der Außentemperatur abhängig ist.

Für den Betrieb mit Bypass ist es daher unerlässlich, dass die Vorlauftemperatur den außentemperaturabhängigen Anteil entsprechend berücksichtigt, das heißt, dass die Vorlauftemperatur außentemperaturabhängig geregelt wird. Deshalb wurde in den weiteren Simulationsrechnungen ein Modul eingesetzt, das die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Auslegungsvorlauftemperatur außentemperaturabhängig berechnet.

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