Baufachzeitung

22.09.2017

Bauwirtschaft Baufachzeitung

Energiemanagement mit Flächenheizsystemen und Kerntemperierung

Abb. 1: Rund 50 Prozent der Energieverluste bei einem Gebäude entstehen durch die Lüftung. Da Flächenheizsysteme nicht die Luft erwärmen, liegt hier ein wichtiges Einsparpotenzial. Grafik: UNIPOR
Abb. 2: Durch die großen Wärmeübertragungsflächen und das Strahlungsprinzip kann die Raumluft-Temperatur bei Flächenheizsystemen geringer gewählt werden. Der Nutzer empfindet die Wärme als behaglicher – auch deshalb, weil weniger Zugluft durch Lufttemperatur-Unterschiede entsteht. Grafik: UNIPOR
Abb. 3: Auch Unterputzsysteme wie das „Maxtherm“-System von Franken-Maxit profitieren vom Strahlungsprinzip sowie von großen Übertragungsflächen. Die warmen Wände beugen wirkungsvoll Schimmelbildung vor. Bild: Franken-Maxit
Abb. 4: Vergleichbar mit der Betonkernaktivierung, befindet sich auch im Inneren der „Unitherm-Flächenheizung“ ein schleifenförmig verlegtes Heizungsrohr. Dieses ist in Spezialmörtel eingebettet und temperiert das gesamte Modul. Bild: UNIPOR
Abb. 5: Goldene Mitte? Flächenheizmodule machen sich die verkürzte Reaktionszeit einer oberflächennahen Temperierung zunutze und weisen gleichzeitig eine hervorragende Speicherfähigkeit auf. Grafik: UNIPOR

Bauteilaktivierung wird heute oftmals gleichgesetzt mit der Temperierung beziehungsweise thermischen Nutzung von Betonbauteilen. Dass diese Begrifflichkeiten zwar durchaus richtig, jedoch bei weitem nicht ausreichend sind, erklärt Dr.-Ing. Thomas Fehlhaber von der Unipor-Ziegel-Gruppe. So gibt es seit Jahren unterschiedlichste Systeme, die bei verschiedensten Bauteilen Anwendung finden. Neben Decken, Wänden und Böden aus Beton lässt sich so beispielsweise auch Ziegelmauerwerk wirkungsvoll aktivieren und temperieren.

Auf der Suche nach effizienten Klimatisierungsmöglichkeiten nutzen Planer immer häufiger massive Decken, Böden oder Wände, um die Raumtemperatur zu beeinflussen. Dieses System wird landläufig als Bauteilaktivierung bezeichnet, wobei der Begriff „Aktivierung“ das gezielte Speichern von Wärme im Bauteil beschreibt. Bauteilaktivierung ist zwar höchst aktuell, aber bei weitem nicht neu: Bereits die Römer griffen bei ihren Hypokaustenheizsystemen auf diese Technik zurück und erwärmten Bauteile, indem sie warme Rauchgase über einen langen Zeitraum unter Fußböden und entlang von Wänden leiteten. Diese erwärmten Bauteile gaben dann wiederum ihre Temperatur an die Räume ab.

Die Vorteile von Flächentemperierungssystemen
Flächentemperierungssysteme machen sich große Übertragungsflächen zunutze und bieten im Wohnalltag viele Vorteile: Die langwellige Strahlungswärme, die von den raumumschließenden Flächen abgegeben wird, wird vom Nutzer als besonders angenehm empfunden. Dies liegt in ihrer Wirkungsweise begründet: Ähnlich wie beim Sonnenbaden temperieren die Flächensysteme den menschlichen Körper. Die Strahlung erwärmt dabei die Oberflächen und nicht die Luft. Die Luft ist also nicht der Haupt-Wärmeträger sondern das aktivierte Mauerwerk. Durch die großen Wärmeübertragungsflächen kommt die Bauteilaktivierung mit einer geringen Temperaturerhöhung gegenüber der Raumluft aus. Dadurch entsteht weniger Zugluft als beispielsweise bei Konvektionsheizungen. Zusätzlich sinkt hierdurch die Belastung durch Staub und Allergene. Da die Wandtemperatur im Heizfall höher ist als die Raumtemperatur, wird außerdem der Bildung von Schimmel wirkungsvoll entgegengewirkt.

Die Raumluft-Temperatur im Heizbetrieb kann geringer gewählt werden. Denn: Das Wohlbefinden in einem Raum wird hauptsächlich von der thermischen Behaglichkeit bestimmt. Markante Einflussgrößen sind hierbei die Oberflächentemperatur der Raumumschließungsflächen sowie die Raumluft-Temperatur. Da die Körpertemperatur des Menschen mit rund 37 Grad Celsius immer höher ist als die Raumtemperatur, gibt der Nutzer Wärme an die Umgebung ab. Ist der Raum von warmen aktivierten Bauteilflächen umgeben, so ist der Strahlungsaustausch zwischen Mensch und Wandflächen geringer. Die empfundene Raumtemperatur mit Bauteilaktivierung liegt in der Regel über der tatsächlichen Lufttemperatur. Ohne Bauteilaktivierung ist dies umgekehrt der Fall: Weil dann die Luft die Wand temperieren muss, liegt die empfundene Raumtemperatur unter der tatsächlichen Lufttemperatur.

Bauteilaktivierung bietet darüber hinaus ein beträchtliches energetisches Einsparpotenzial: Da Decken, Böden und Wände über verhältnismäßig große Übertragungsflächen verfügen, sind nur moderate Vorlauftemperaturen notwendig. Somit eignet sich die Bauteilaktivierung in besonderem Maße für den Einsatz regenerativer Wärmegewinnung – beispielsweise durch Sonnenkollektoren oder eine Wärmepumpe. Die geringe Temperatur-Differenz zwischen Wärmereservoir und der Vorlauftemperatur des thermisch aktivierten Bauteils macht eine wirtschaftliche Nutzung der Wärmepumpen möglich. Beim Einsatz reversibler Wärmepumpen kann neben dem Heizen auch ein Kühlen im Sommer realisiert werden.

Zusätzliches Einsparpotenzial ergibt sich aus dem Umstand, dass die Luft bei Flächenheizsystemen nicht der Hauptwärmeträger ist. Werden Energieverluste aus der Lüftung nicht zurückgewonnen, so liegen diese selbst in modernen Gebäuden bei bis zu 50 Prozent der Gesamt-Wärmeverluste. Denn durch den notwendigen Luftaustausch aus Hygienegründen wird warme Luft aus dem Raum in die Umwelt abgeleitet. Da Flächenheizsysteme nach dem Strahlungsprinzip wirken, ist die gespeicherte Wärmemenge in der Raumluft im Vergleich zu anderen Heizsystemen geringer. Wird nun ein Fenster geöffnet, sind auch die Wärmeverluste beim Lüften niedriger.

Kerntemperierung
Heute werden meist wasserführende Rohre in Schleifen unter der Oberfläche massiver Speicherbauteile verlegt. Das temperierte Wasser gibt diese Temperatur an die Bauteile ab. Dies ist insbesondere deshalb höchst interessant, weil neben dem Heizen auch eine wirtschaftliche Kühlung des Raumes ermöglicht wird. Das System arbeitet dabei instationär: Durch die Phasenverschiebung erfolgt die Temperierung des Bauteils zeitversetzt zur Abgabe der Temperatur an den Raum. Die Temperaturabgabe selbst erfolgt passiv und ohne Zutun des Nutzers. Je schwerer ein Bauteil ist, also je höher die Rohdichte seines Baustoffes, desto besser ist seine Speicherfähigkeit. Große Speicher halten die Temperatur länger konstant und erhöhen somit den Zeitraum, in dem die Temperatur an die Umgebung abgeben wird. Dabei spielt auch die Wärmeleitfähigkeit des Baustoffs eine große Rolle. Diese wird beispielsweise durch eine zusätzliche Trittschalldämmung oder das Abhängen von Decken negativ beeinflusst, so dass mit einer geringeren Wärmeabgabe an den Raum zu rechnen ist. Diese Faktoren müssen bei der Planung eines derartigen Systems mit berücksichtigt werden. Betonkernaktivierung eignet sich nahezu ausschließlich für den Neubau, da ein nachträgliches Einlassen der Heizungsrohre nur schwer möglich ist.

Die tiefgehende Temperierung massiver Bauteile ist relativ träge. Durch die Phasenverschiebung zwischen Aufheizen und Abgabe der Temperatur benötigt das System etwa sechs bis acht Stunden, um auf Betriebstemperatur zu kommen und auf neue Einstellungen zu reagieren. Gleichzeitig bietet sich jedoch der Vorteil, dass der große Energiespeicher verhältnismäßig lange ohne die Zufuhr neuer Energie arbeitet.

Aus Klimatisierung wird Energiemanagement
Die Trägheit des Systems führt dazu, dass eine umfangreiche Planung des Heizsystems vonnöten ist. Anders als mit konventionellen Heizkörpern ist eine kurzfristige Veränderung der Raumtemperatur nur sehr bedingt möglich. Betonkernaktivierung eignet sich daher insbesondere für Gebäude mit umfangreichen Lüftungs- und Klimatisierungskonzepten – beispielsweise für Bürogebäude. Einen wichtigen Einflussfaktor, der bereits in der Planung berücksichtigt werden muss, stellen konvektive Temperaturänderungen dar. Diese Erwärmung der Luft kann im Alltag beispielsweise durch Elektrogeräte oder die Anwesenheit mehrerer Personen im Raum entstehen. Aber auch von außen wird die Raumtemperatur erhöht – beispielsweise durch warme Luft, die ins Gebäude gelangt oder Sonneneinstrahlung.

Oberflächentemperierung
Weitaus flinker als die Betonkernaktivierung ist hingegen die Temperierung von Bauteiloberflächen. Dabei werden stromführende Niedervoltheizmatten oder sehr dünne wasserführende Rohre direkt unter der Putzschicht oder dem Bodenbelag verlegt. Die klassische Fußbodenheizung, die sich seit Jahren zunehmender Beliebtheit erfreut, ist ein bekannter Vertreter dieser Gattungen. Da die Systeme nicht in das Bauteil eingebracht werden müssen, sondern an der Oberfläche verlegt werden, eignen sie sich auch für die Bestandsanierung. Niedervoltmatten bieten zudem den Vorteil, dass ein unbegrenztes Bohren der Bauteile möglich ist, ohne dass das System in Mitleidenschaft gezogen wird. Der Putzhersteller Franken Maxit (Azendorf) bietet beispielsweise mit seiner „Maxtherm“-Flächenheizung ein Niedervolt-Unterputzsystem an. Dieses System ist in den Abmessungen 0,6 x 2,25 Meter und mit einer Leistungsfähigkeit von jeweils 150 oder 300 Watt erhältlich. Im Vergleich zu einer Betonkerntemperierung reagieren diese Heizsysteme zwar schneller, können dabei aber nur auf einen geringeren Wärmespeicher zurückgreifen. Darüber hinaus verfügen sie durch die Nutzung der Strahlungswärme über dieselben positiven Eigenschaften wie alle anderen Flächenheizsysteme.

Modulare Bauteilaktivierung als goldene Mitte?
Ein großes Maß an Flexibilität und gleichzeitig eine hohe Speicherfähigkeit der Bauteile bieten modulare Flächenheizelemente. Hierbei werden vorgefertigte Module mit Wasserkreislauf als anschlussfertige Elemente geliefert. Die Wirkungsweise dieser Flächenheizsysteme unterscheidet sich nicht nennenswert von der Aktivierung eines Betonbauteils. Dank der modularen Bauweise eignen sie sich jedoch sowohl für den Neubau als auch für die Sanierung von Bestandsgebäuden und garantieren eine schnelle Montage.

Praxis-Tipp Einer Klimatisierung durch Bauteilaktivierung muss eine umfangreiche Planung des Heizsystems vorangehen. Auch für die verarbeitenden Gewerke auf der Baustelle ergeben sich daraus besondere Sorgfaltspflichten: Denn Fehler bei Wahl und Dimensionierung der Verteilsysteme lassen sich nachträglich nicht mehr, oder nur mit erheblichem Aufwand beheben.
Zu klären sind daher folgende Punkte:
• Liegt eine umfangreiche Architektenplanung vor?
• Liegt eine Berechnung der Heizlast vor?
• Sind Verlegepläne vorhanden?
• Sind die zu verarbeitenden Produkte konform mit den Ausschreibungstexten?

 

Derzeit sind unterschiedliche Systeme auf dem Markt erhältlich: Das „lehmorange LHE 22“-Lehm-Heizelement eignet sich beispielsweise für die Beplankung von Innenwänden, Holzständerwerken, Trockenbau- oder Lattenkonstruktionen für Trennwände, Vorsatzschalen, abgehängte Decken und den Dachgeschossausbau. In den Abmessungen von 22 x 1.250 x 625 Millimeter verfügt das Modul über eine Heizleistung von bis zu 250 Watt.

Um die Vorteile der Bauteilaktivierung auch bei der Ziegelbauweise nutzbar zu machen, hat die Unipor-Ziegel-Gruppe das „Unitherm-Flächenheizungssystem“ auf Ziegelbasis entwickelt. Dieses verfügt ebenfalls über einen integrierten Wasserkreislauf. Beide Systeme haben eine relativ hohe Speicherfähigkeit und reagieren dennoch recht schnell auf veränderte Parameter. Unitherm erreicht bereits nach zwei Stunden Vorlauf rund 60 Prozent der zu erzielenden Heizleistung. Der Grund liegt einerseits in der oberflächennahen Einbauposition des Modules. Andererseits ist Ziegelmauerwerk zwar durchaus massiv, die Rohdichten zwischen 600 und 1.000 Kilogramm pro Kubikmeter liegen jedoch deutlich unter denen von Beton. Damit bietet das modulare System den optimalen Kompromiss zwischen Speicherfähigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit und ermöglicht es, die Raumtemperatur flexibel und energieeffizient zu regulieren. Unitherm-Elemente werden auf der zweiten Ziegelreihe positioniert und fügen sich passgenau ins DIN-Steinraster ein. Der Vorteil der Positionierung liegt darin, dass es für die Bewohner praktisch keine Einschränkungen beim Bohren oder Nageln in die Wände gibt. Ab etwa einem Meter über Bodenniveau verlaufen keine wasserführenden Rohre mehr. Trotzdem ist die ganze Wand temperiert. (vgl Abb. 3)

Fazit
Bauteilaktivierung ist eine wirtschaftliche und energieeffiziente Art, um Räume zu beheizen oder zu kühlen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Systemen auf dem deutschen Markt erhältlich ist. Jedes System verfügt dabei über individuelle Vor- und Nachteile, die bereits während der Planung mit berücksichtigt werden müssen. Insbesondere die modularen sowie die Unterputzsysteme zeichnen sich auf der Baustelle durch eine einfache Installation und Verarbeitung aus.

Der Autor Dr. Thomas Fehlhaber ist Geschäftsführer der Unipor-Ziegel-Gruppe.

 

Nachrichten + Wissen

Versorgungs- + Bautechnik