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Die elektrische Fußbodenheizung

05.05.2011
Die elektrische Fußbodenheizung ist eine der meist verbreiteten Verwendungsweisen der elektrischen Heizkabel und Folie

Fußbodenheizung

Die elektrische Fußbodenheizung ist eine der meist verbreiteten Verwendungszwecken der elektrischen Heizkabel. Was Preis, Gebrauchseigenschaften sowie Funktionsfähigkeit des Systems betrifft, sind für diese Anwendungen die Widersandsheizkabel ideal. Die selbsregulierende Kabel oder die Kabel mit gleich bleibendem Stromverbrauch werden für die Fußbodenheizung standardmäßig nicht verwendet. Die Ausführung des Heizelements – d.h. ob es sich um Heizkreise oder Heizmatten handelt – beeinflusst die Gebrauchseigenschaften der Fußbodenheizung nicht und aus dieser Sicht ist sie unwichtig. Die in diesem Kapitel angeführten Informationen sind allgemein gültig, deshalb wird in Ihm anstelle der Begriffe "Heizkreis" und "Heizmatte" die gemeinsame Bezeichnung „Heizkabel“ verwendet.
 

Primäre Fußbodenheizung

Wie der Name sagt, ist in diesem Fall die Fußbodenheizung die primäre, oft auch die einzige Wärmequelle im Zimmer. Ihre Aufgabe ist, das Zimmer an die Solltemperatur zu beheizen; die Fußbodentemperatur ist dann von niedrigerer Priorität – falls die Lufttemperatur im Zimmer den Sollwert erreicht, das System der Fußbodenheizung wird ausgeschaltet, auch wenn die Fußbodentemperatur niedriger ist, als sich der Benutzer in jenem Moment wünschen würde. Diese Maßnahme ist für sparsamen Heizungsbetrieb notwendig – die Überhitzung des Zimmers führt zu unerwünschten energetischen Heizungsausgaben. Das Regelungssystem nimmt die Lufttemperatur im Zimmer sowie die Fußbodentemperatur mittels der Fühler auf. Die Fußbodenfühler haben die sog. Begrenzungsfunktion – sie verhindern die Erhöhung der Fußbodentemperatur an unerwünschten (unangenehmen) Wert. Die Größe der Heizfläche hängt von der Sollleistung ab, gewöhnlich wird aber die Heizung in der ganzer freien Zimmerfläche installiert.
 

Sekundäre Fußbodenheizung (zusätzliche, komfortable Fußbodenerwärmung)

Die Aufgabe des Heizkabels besteht darin, den Fußboden an angenehme, komfortable Temperatur in der Zeit zu erwärmen, wann der Benutzer anwesend ist. Die Lufttemperatur im Zimmer ist für das Regelungssystem unwichtig, die Fußbodentemperatur ist von der Priorität. Die Regelung nimmt also nur die Fußbodentemperatur auf und erhält sie am Sollwert. Die Beheizung des Zimmers wird dann durch eine andere Quelle gesichert (elektrische Strahlungsplatte, Warmwasserheizkörper, usw.). Falls sich das Zimmer bei dem Betrieb der komfortablen Fußbodenheizung überhitzen könnte, sollte es bei der Regelung der Hauptwärmequelle ausgelöst werden – durch Ausschaltung der Platte, Schließung der Warmwasserzufuhr in den Heizkörper. Die sekundäre Fußbodenheizung wird nur in ausgewählten Flächen installiert – z.B. vor Wanne oder Duschecke.
Gerade für diese Anwendungen werden von unsere Gesellschaft die sog. Sätze für Selbstinstallation der komfortablen Fußbodenerwärmung angeboten.

 

Fußbodenheizung - folie

Fußbodenheizung - kabel

 

Fußbodentemperatur und Erwärmungsdynamik

Durch die hygienischen Vorschriften wird die Fußbodentemperatur in den Zimmern mit langfristigem Personenaufenthalt an den Wert von 27°C (Wohnräume) beschränkt. Die Fußbodentemperatur in anderen Zimmern wird dann gemäß dem Zweck des Zimmers gewählt – z.B. bei Badezimmern von 30 bis 35°C. Die angegebenen Werte sind nur indikativ, weil die Wahrnehmung der Fußbodentemperatur sehr subjektiv ist – für jemanden kann sie zu hoch sein, für einen anderen zu niedrig. Die Temperatur sollte also so geregelt werden, dass sie einen angenehmen Temperaturkomfort für den Benutzer ausbildet. Darüber hinaus wird die Fußbodentemperatur für die primäre Fußbodenheizung beschränkt, damit das Zimmer nicht überhitzt wird z.B. bei gegenwärtigen Neubauten – niederenergetischen Häusern und Passivhäusern – wird die Fußbodentemperatur in Zimmern gewöhnlich an den Werten von 22 bis 25°C gehalten.

Bei Standardbedingungen und bei der Raumtemperatur wird der Fußboden von 20°C an ca. 27°C innerhalb ca. einer Stunde erwärmt. Der Grund dafür ist die Wärmespeicherung in der Anhydrid- oder Betonplatte (Stärke 4-6 cm), welche das Tragelement des ganzen Fußbodens ist. Für die Anwendungen, bei denen die Fußbodenheizung die Funktion der primären Heizung erfüllt, ist diese Dynamik völlig ausreichend; für die Systeme der komfortablen Fußbodenerwärmung ist doch günstig, zusätzliche Isolierungen zu verwenden, welche die Erwärmungszeit an ca. 15 Minuten verkürzen können.

Allgemein wird die Fußbodentemperatur gemäß dem Zweck des Zimmers an den Werten von 23°C bis 35°C gehalten. An welche Temperatur und wie schnell der Fußboden tatsächlich erwärmt wird, das wird von einer Reihe der Faktoren beeinflusst – nicht nur vom Stromverbrauch der Fußbodenheizung, sondern vor allem von den Wärmeisolierungen in der Fußbodenstruktur und von der Lufttemperatur im Zimmer. z.B. wenn bei der sekundären Fußbodenheizung, welche nur die Funktion einer komfortablen Fußbodenbeheizung erfüllt, die primäre Wärmequelle stillgesetzt sein wird, dann wird sich die Raumtemperatur an dem Wert stabilisieren, wann die Wärmeleistung des Fußbodens den Wärmeverlusten des Zimmers gleich wird. Die Fußbodentemperatur soll dann bei dem Betrieb den Wert von 20°C nicht überschreiten. Eine richtig entworfene Fußbodenheizung sollte doch die Solltemperaturen problemlos erreichen.
 

Leistung der Fußbodenheizung

Die Leistung jedes Heizgeräts – also auch der Fußbodenheizung – ist durch seine Wärmeaustauschfläche (Fußbodengröße) und durch den Temperaturunterschied (Unterschied zwischen der Oberflächentemperatur des Fußbodens und der Lufttemperatur im Zimmer) gegeben. Ein Quadratmeter der Heizfläche mit der Temperatur von 27°C gibt bei der Umwelttemperatur von 20°C einen Wärmestrom von ca. 70 W/m² aus. In der Praxis bedeutet das, dass falls die Fußbodentemperatur in Wohnräumen durch die hygienischen Vorschriften an den Wert von 27°C beschränkt ist, dann ist die Höchstleistung, die man aus der Fußbodenheizung bekommen kann, gerade 70 W/m² (ca. 100 W/m² bei der Fußbodentemperatur von 35°C). Wenn wird diese Leistung durch wirksame Größe der Heizfläche multiplizieren werden, bekommen wir die reale Leistung, welche die Fußbodenheizung liefern kann. Falls diese Leistung niedriger ist, als durch die Berechnung der Wärmeverluste festgelegt ist, dann beheizt die Fußbodenheizung in Wintersaison das Zimmer nicht und muss mit einer anderen Wärmequelle ergänzt sein.

 

Empfohlener Stromverbrauch der Fußbodenheizung

Für die elektrische Heizung (also auch für die Fußbodenheizung) wird anstelle der Leistung der Stromverbrauch – also die wirklich zugeführte Energie – angegeben. Bei richtig realisierter Konstruktion der Fußbodenheizung ist dann die Leistung um etwa 5-7% niedriger als der Stromverbrauch. Die Leistungsabsenkung ist durch Wärmeverluste in die Konstruktion unter der Fußbodenheizung sowie durch Wärmewiderstand der Konstruktion über der Fußbodenheizung verursacht. In der Praxis können diese Verluste nicht verhindert werden und sie sind für alle Fußbodenheizungstypen gemeinsam. Der Stromverbrauch wird in W/m² angegeben – sog. flächiger Stromverbrauch.
Die reale Leistung der Fußbodenheizung ist bis 100 W/m² (s. voriges Kapitel) und weil der Fußboden nicht imstande ist, eine größere Leistung zu übergeben, ist es sinnlos, größeren Stromverbrauch zu entwerfen. Eine Ausnahme sind die Badezimmer (Anforderung an Fußbodentemperatur bis 35°C), die Anwendungen der komfortablen Fußbodenerwärmung (Anforderung an Dynamik) oder die Speichersysteme:

  • Beheizung von Wohnräumen – 60-80 W/m² (gemäß Wärmeverlustberechnung), max. 100 W/m²
  • Beheizung von Badezimmern und Anwendungen der komfortablen Fußbodenerwärmung – bis 160 W/m²
  • Speicherheizung – 250-300 W/m²

 

Empfohlener Fußbodenaufbau

Es gibt ziemlich viele Möglichkeiten, wie und wohin das Heizkabel in der Fußbodenstruktur installiert werden kann, alle haben doch einen gemeinsamen Zug – es ist immer die Wärmabfuhr aus dem Mantel des Heizkabels zu sichern. Die Temperatur auf dem Kabelmantel kann sich gemäß Typ und Stromverbrauch zwischen von 50 bis 70°C bewegen und es ist nötig zu sichern, dass der ganze Mantel des Heizkabels mit einem Leitmaterial (flexibler Kitt, Anhydrid, Beton) umgehüllt ist, damit die Wärme in die Konstruktion abgeführt wird. Unperfekte "Einbettung" des Kabels kann zu Bildung von Luftspalten (Kavernen) führen, welche langfristige Überhitzung des Kabels verursachen und so seine Lebensdauer bedeutend verkürzen.
Es ist nötig zu wissen, dass die nicht strömende Luft ein sehr gutes Isolationsmaterial ist. Deshalb sollte auch das Material, in dem das Heizkabel angebracht ist, möglichst kompakt (homogen) sein. z.B. Anhydrid, auch wenn ähnliche Wärmeleitzahl wie Beton, führt die Wärme etwas besser als die Betonmischung, welche einen gewissen Porositätsgrad ausweist.
Hinsichtlich zu ständiger Entwicklung von Baumaterialen und Technologien können hier nicht alle mögliche Varianten der Baukonstruktionen mit Fußbodenheizung angeführt werden. Allgemein können sie doch gemäß der Betriebsart des Heizsystems untergliedert werden:
 

Konvektorheizungssysteme

Es handelt sich um die verbreiteste Anwendungsweise. Sie wird für die Systeme der primären Heizung sowie für die Systeme der komfortablen Fußbodenerwärmung verwendet. Das Heizkabel ist unmittelbar unter der Begehschicht angebracht, gewöhnlich in flexibler Spachtelmasse oder Ausgleichsmasse. Es werden die Kabel mit möglichst kleinen Durchmessern und dem niedrigsten Linearstromverbrauch verwendet, damit der Schleifenabstand klein ist und der Fußboden gleichmäßig erwärmt wird. Der Vorteil dieses Systems besteht in einfacher Installation, mehr flexiblem und mehr wirtschaftlichem Betrieb - die Durchschnittsfußbodentemperatur (sog. Mitteltemperatur) ist niedriger als bei den Teilspeicher- oder Speichersystemen. Der Nachteil besteht dann in größerem Verbrauch von Klebekitten oder Spachtelmassen, welche teuer sind.
 

Halbspeichersysteme

Die Halbspeichersysteme, oder auch Teilspeichersysteme, werden nur für die Beheizung verwendet, für die komfortable Fußbodenerwärmung sind sie nicht geeignet. Das Heizkabel ist entweder auf der Wärmeisolierung angebracht und mit einer Schicht des Leitmaterials (Anhydrid, Beton) mit der Stärke von ca. 4-6 cm vergossen oder es befindet sich innerhalb dieser schwimmenden Platte (gewöhnlich in 1/3 vom unten) z.B. auf dem KARI Netz. Auch wenn diese Konstruktionen als Teilspeicherkonstruktionen bezeichnet werden, werden sie nur in der Verbindung mit dem Konvektorheizungstarif verwendet. Die Stärke des Trägermaterials ist zu klein um genug Energie speichern zu können, und diese Bezeichnung wird eher wegen Unterscheidung der Installationsweise des Heizkabels verwendet als um den Unterschied bei praktischem Betrieb des Heizsystems auszudrücken.
 

Speichersysteme

Hinsichtlich zu ziemlich schwieriger Regulierbarkeit werden die Speichersysteme heute fast nicht mehr verwendet. Der Fußboden muss eine genug starke Schicht des Speichermaterials enthalten – gewöhnlich 12-15 cm Beton – in das während kurzer Zeit (gewöhnlich in der Nacht) solche Wärmemenge gespeichert sein muss, dass sie den Verbrauch des Objekts für die Beheizung während des ganzen Tages deckt. Es werden die robusten Leistungskabel (20 – 30 W/m) verwendet, damit die notwendige Leistung installiert werden kann. Dieses System hat keine Vorteile gegenüber dem Konvektorheizungs- oder Halbspeichersystem, es wird vor allem in solchen Anwendungen gewählt, wann keine notwendige Leistung des elektrischen Versorgungsnetzes während des Tages verfügbar ist - z.B. in Randgebieten mit ungenügend dimensioniertem Versorgungsnetz oder bei Industriewerken, welche aufgrund der installierten Technologie großen Verbrauch während des Tages haben, aber in der Nacht Überschuss der Energie ausweisen.

 

Wärmeisolierungen für Fußbodenheizung

Wenn wir die allgemeinen technisch-thermischen Eigenschaften des ganzen Objekts beiseite lassen, dann sind die Wärmeisolierungen des Fußbodens bei der primären Fußbodenheizung für die Parameter und vor allem für die Betriebskosten des ganzen Heizsystems sehr wichtig. Zu den gewöhnlichsten Fußbodenisolierungen gehört expandiertes oder besser gesagt extrudiertes Polystyrol. Ungeeignet sind die Isolierungen mit niedrigem Volumengewicht – z.B. die zur Isolierung von Fassaden verwendeten Materiale – falls das Heizkabel auf solche Isolierung verlegt ist, besteht hier aufgrund der Temperaturen das Risiko ihrer allmählicher Sublimation.
Über den unbeheizten Räumen und Terrain wird die Isolierung mit der Stärke von 8-10 cm installiert (bestens in zwei Schichten mit Fugenüberdeckung), über den beheizten Räumen dann mit der Stärke von ca. 5 cm. Bei den Neubauten ist es gewöhnlich kein Problem, eine zusätzliche Schicht der Wärmeisolierung in die Fußbodenstruktur zu integrieren. Eher bei den Rekonstruktionen muss sich der Investor entscheiden, wie groß der Eingriff in die Konstruktion sein wird. Es ist wichtig zu wissen, dass kein "Anstrich" und keine "Folie" das Polystyrol von 10 cm ersetzen können und falls die Fußbodenheizung wirtschaftlich betrieben sein soll, ist der Fußboden gründlich zu isolieren.

Bei der komfortablen Fußbodenerwärmung wird die Fußbodenheizung unterbrochen, in kurzen Zeitintervallen (gewöhnlich ca. eine Stunde morgens und abends) betrieben und deshalb ist ihre Dynamik sehr wichtig. Bei diesen Anwendungen wird es empfohlen, die zusätzliche Isolierung F-Board zu verwenden, welche unmittelbar unter das Heizkabel angebracht wird, und zwar auch bei Neubauten, bei denen eine hochwertige Wärmeisolierung schon in der grundlegenden Fußbodenstruktur ist. Durch diese Isolierung wird der Wärmewiderstand der Konstruktion unter dem Heizkabel erhöht, so dass die Wärme vor allem nach oben, in Fliesen, geht. Der Fußboden wird bei der Raumtemperatur von 20°C an ca. 27°C in ca. 15 Minuten erwärmt. Die Isolierung verhindert auch die Speicherung der Wärme im Fußboden, so dass nach der Ausschaltung des Systems, der Fußboden sehr schnell kalt wird. Bei zusätzlicher Heizung ist es doch kein Nachteil – die Speicherung und lange Trägheit sind hier nicht gewünscht.

Die Fußbodenisolierung F-Board ersetzt die vollwertige Wärmeisolierung des Fußbodens nicht, aber vor allem bei Rekonstruktionen erhöht sie sehr bedeutend die Funktion der komfortablen Fußbodenerwärmung, ohne dass große Eingriffe in die Fußbodenkonstruktion notwendig wären. In den Systemen der primären Heizung ist es unnötig, die zusätzliche Isolierung F-Board zu verwenden – hinsichtlich zu längeren Betriebsintervallen des Heizsystems ist hier keine große Geschwindigkeit der Fußbodenerwärmung nötig.
 


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