Wandheizung / Wandkühlung

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Autoren
OldBo
31.10.2011

Radtke 05.08.2009
Wandheizungen gab es schon vor Jahrhunderten, allerdings waren sie anders aufgebaut. Man baute eine Wand zweischalig auf und leitete die Rauchgase einer Feuerstätte hindurch. Auch Fußböden wurden und werden zum Teil heute noch in Fernost auf diese Art beheizt.
Ein beträchtlicher Teil der Raumumfassungsflächen besteht aus Wänden. Können diese Flächen für eine Beheizung eingesetzt werden, so steigt die Behaglichkeit und die Betriebstemperatur kann erheblich gesenkt werden. Das fördert den Einsatz alternativer Energien und der Brennwerttechnik.
Luftströmung

Die Wärmeübertragung erfolgt überwiegend durch Strahlung. Dennoch gibt es auch konvektive Komponenten, die Luftzirkulationen verursachen. An einer beheizten Wand steigt Warmluft auf, die an der gegenüberliegenden Wand wieder abfällt und über den Boden zurückströmt. Sind mehrere Wände beheizt, so gibt es Strömungen unterschiedlicher Intensität und Richtungen, die von der Zuordnung der Flächen, deren Größe und Oberflächentemperaturen abhängen.

An einer unbeheizten Außenwand fällt Kaltluft ab, deren Strömungsgeschwindigkeit um so intensiver ist, je schlechter die Wand wärmegedämmt ist. Mit zunehmender Raumhöhe steht für die Abkühlung der Luft eine größere Fläche zur Verfügung, die Strömung wird intensiver, die Luft kühler.

Norminnentemperatur

Personen geben in einem Raum von ihrer Körperoberfläche Wärme in Form von Konvektion an die Luft und in Form von Strahlung Wärme an die Raumumschließungsflächen ab. Wird eine der Flächen, wie bei der Wandheizung, höher temperiert, so gibt der Körper weniger Wärme in Form von Strahlung ab. Deshalb muss die überschüssige Körperwärme jetzt zum Ausgleich in Form von Konvektion an die Raumluft abgegeben werden. Somit darf bei gleicher Behaglichkeit die Lufttemperatur niedriger sein. Luft enthält bei niedrigerer Temperatur mehr Sauerstoff, das fördert zusätzlich die Gesundheit.

Oberflächentemperatur

Anders als bei einer Fußbodenheizung kommen Personen in der Regel nicht mit der Wand in Berührung. Deshalb dürfen auch höhere Temperaturen zugelassen werden. Grenzwerte gibt es derzeit nicht. In einem österreichischen Normentwurf des Jahres 1998 sind 35 °C vorgesehen. Das sind Temperaturen, die auch aus bauphysikalischer Sicht akzeptiert werden können.

Dämmvorschriften

Dämmvorschriften bestehen wie bei der Fußbodenheizung nur bei Angrenzung an Außenluft oder Räume mit eingeschränkter Temperatur. Das bedeutet bei Außenwänden, dass die Konstruktion mit den Anforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) abzustimmen ist. Für Innenwände gibt es bei gleichartiger Beheizung der Nebenräume keine Dämmvorschrift.

Wärmeverluste durch die Wand
Abb. 38.1a. + 38.1b. Wärmeverlust einer Wandheizung<br />ohne und mit zusätzlicher Dämmung.
 Abb. 38.1a. + 38.1b. Wärmeverlust einer Wandheizung
ohne und mit zusätzlicher Dämmung.

Bei allen Wandheizungen ist die Oberflächentemperatur der beheizten Wandseite erhöht. Dies führt mit oder ohne Zusatzdämmung stets zu erhöhter Wärmewanderung durch die Wand hindurch.

Kann diese Rückseitenwärme für die Beheizung des Raumes genutzt werden, so geht keine Wärme verloren. Dies hängt aber stark von der Art der Raumnutzung und der darin gewünschten Temperatur ab. Besonders groß ist der „Verlustwärmestrom“, wenn die Rohre der Wandheizung unmittelbar, d. h. ohne zusätzliche Dämmung, auf der Rohwand aufliegen und eingeputzt sind. Die Masse der Wand wird unnötigerweise erwärmt und die Regelfähigkeit leidet.

Wärmeverluste durch die Wand mit Dämmung

Werden Fußbodenheizungssysteme als Wandheizung eingesetzt, so wird zunächst die Dämmplatte des Systems an der Wand befestigt. Dies ist in Bezug auf den Verlustwärmestrom günstig. Die zugeführte Wärme heizt überwiegend die Masse der Rohrebene auf und nicht die Wand. Sowohl das Aufheizen als auch das Abkühlen geschieht relativ schnell.

Eine weitere Möglichkeit besteht im Anbringen von Dämmung auf der Rückseite der Wand. Der Wärmeverlust ist zwar der gleiche, aber die Trägheit beim Aufheizen und Abkühlen ist ähnlich der Situation ohne jegliche Dämmung.

Wärmeverluste durch die Außenwand

Wird eine Wandheizung an der Außenwand angebracht, so treten immer erhöhte Wärmeverluste auf. Die Oberflächentemperaturen auf der Innenseite einer unbeheizten Außenwand liegen bei heutiger Bauweise 2..3 K unter der Norminnentemperatur. Somit beträgt die für den Wärmeverlust maßgebliche Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen im Mittel 30 K. Bei der Wandheizung bewirkt die höhere Oberflächentemperatur eine Temperaturdifferenz von bis zu 50 K.

Rohranordnung

Für die Anordnung der Rohre und deren Verlauf an der Wandoberfläche gibt es keine Richtlinie. Das hängt davon ab, ob Systemelemente mit zwangsweise vorgegebener Rohrführung eingesetzt werden. Horizontale Schleifen, von unten nach oben geführt, haben den Vorteil einer einwandfreien Entlüftung. Erfolgt die Einspeisung von unten, so wird in den Rohren befindliche Luft im Betrieb automatisch nach oben entlüftet. Aber auch gegen vertikale oder spiralförmige Verlegung der Rohre gibt es nichts einzuwenden, wenn die Entlüftung sichergestellt ist.

Wärmeleistung

Bereits 1994 wurden von W. Kast / H. Klan die Rechenansätze für Wärme- und Kühlleistungen von Wandheiz- / Kühlflächen veröffentlicht.
Für die Wärmestromdichte q gilt:

q = BH, K · aT

mT · aM · aü

mü · Δδn

q = Wärmestromdichte

aT = Teilungsfaktor

Δδ = Heizmittelübertemperatur

aM = Werkstofffaktor Heizrohr

aü = Überdeckungsfaktor Putz / Fliesen

n = Potenz-Exponent (für Wand = 1)

BH, K = 3,88 für Wandheizung und Kühlung.

Teilungsfaktor aT

aT = 1,481

                T
mT = 1 – –––– (T = Rohrteilung) 
              150

Werkstofffaktor am:

             1
am = –––––––––– darin ist bM
         (1– bM · λ)

            1       ––––––––––
bM = –––– . √ 2 · 10-4 · T
         393



Überdeckungsfaktor aü: 

aü = 1,193

              1
mü = 1 - — (Sü–25)
             40

Darin ist: Sü = Rohrüberdeckung 

Der Wärmeübergangskoeffizient für Heizung und Kühlung an der Wand beträgt mit hinreichender Genauigkeit:

α = 8 W / (m2K)

Die Übertemperatur der Wandfläche errechnet sich aus der erforderlichen oder zugelassenen Wärmestromdichte qmax zu:

            qmax
Δδ üw = ––––
              8

Für Wandheizungssysteme, bei denen die Rohre nicht im Putz eingebettet sind, wird die Wärmeleistung auf dem Prüfstand ermittelt.
Wandkühlung
Eine Wandheizung kann auch zur Kühlung benutzt werden. Der Wärmeübergangskoeffizient ist ebenfalls α = 8 W / (m2K). Sie ist allerdings nicht so effizient wie eine Deckenkühlung, denn die höchsten Lufttemperaturen sind unter der Decke vorhanden. Die Temperatur des Kühlwassers wird in Abhängigkeit vom Taupunkt auf der Rohroberfläche gesteuert.

Dieser ist wiederum von der relativen Luftfeuchtigkeit im Raum abhängig. Etwas schwieriger wird es, wenn mehrere Räume mit voneinander stark abweichenden relativen Luftfeuchtigkeiten gekühlt werden sollen. Dann muss die Temperaturführung des Kühlwassers von dem Raum aus gesteuert werden, der die höchste relative Luftfeuchtigkeit aufweist. Bei Räumen mit großer relativer Luftfeuchtigkeit, wie Duschen und Bädern, sollte man auf Kühlung ganz verzichten.

Regelung

Zwischen der Regelung einer Wandheizung und der einer Fußbodenheizung gibt es prinzipiell keinen Unterschied. Wird die Wandheizung in Verbindung mit einer Fußbodenheizung oder einem Heizkörper betrieben, so ist zu beachten, dass etwa  vorhandene zusätzliche Regler sich nicht gegenseitig beeinflussen. Soll sowohl geheizt als auch gekühlt werden, sind einige Besonderheiten bei der Regelung zu beachten.

Rohrdurchmesser

Die Rohrdurchmesser sind meist systembedingt. Wärmetechnisch spielen sie keine so dominierende Rolle. Auch die Aufbauhöhe ist kein Kriterium. Sie liegen bei Kupferrohren zwischen 10-15 mm, bei Kunststoffrohren zwischen 12-18 mm.

Entlüftung der Rohre

Sie ist von folgenden Faktoren abhängig:

• Durchmesser der Rohre

• dem Massenstrom (Strömungsgeschwindigkeit)

• der Rohrführung.

Ideal ist eine Durchströmung von unten nach oben, Luft kann einwandfrei aufsteigen. Eine schlangenförmige Verlegung in vertikaler Richtung ist nur zulässig, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Heizmittels groß genug ist um die Luft herauszuspülen. Ist der Rohrdurchmesser sehr klein, so können im Prinzip alle Verlegeformen angewendet werden.

Wandheizungssysteme
Abb. 2. Wandheizung mit Kupferrohren.<br />(Werkfoto: Paradigma)
 Abb. 2. Wandheizung mit Kupferrohren.
(Werkfoto: Paradigma)

Man kann in fünf Varianten unterteilen:

Rohre direkt auf der Wand

Rohre in einem Hohlraum zwischen Wand und einer Verkleidung (Gipskarton, Holzplatte)

Rohre auf einem Systemplattenunterbau

Trockensysteme mit Wärmeleitblechen

Rohre als Register in der Verkleidung.

Sollen Rohre direkt auf der Wand verlegt werden, so werden zunächst in angepasstem Abstand vertikal Flachschienen an der Wand befestigt. Daran werden Rohrclipse aufgesteckt, welche die Rohre halten. Kupferrohre können auch direkt auf der Wand befestigt werden. Wichtig ist, dass die Rohre möglichst eng zur Wand liegen, damit der Putz nicht zu dick wird.

Hohlraumbeheizung

Bei dieser Beheizung wird das Rohrsystem oder ein Rohrregister an der Wand befestigt und nur noch eine raumseitige Verkleidung aus Bauplatten vorgesetzt. Die Rohre erwärmen den Hohlraum zwischen Wand und Verkleidung. Von dort erfolgt die Übertragung durch die Frontverkleidung hindurch an den Raum. Es sind höhere Wassertemperaturen erforderlich als bei den Systemen, bei denen die Rohre im Putz liegen.

Rohre auf Systemdämmung

Unter Systemdämmung sind solche Systeme zu verstehen, bei denen wie bei der Fußbodenheizung spezielle Systemdämmplatten verwendet werden, an deren Oberseite (Raumseite) die Rohre durch Klemmung gehalten oder mit anderen Mitteln befestigt werden. Hier erfolgt zunächst die Befestigung der Systemplatte auf der Wand. Das geschieht in der  Regel mechanisch mit Spezialdübeln wie sie im Fassadenbau verwendet werden. Sie werden durch die Dämmung hindurch in der Wand verankert. Der großflächige Teller drückt die Dämmung gegen die Wand.

Dieses Verfahren kann im übrigen für die Befestigung allgemein üblicher Dämmplatten verwendet werden. Im Fassadenbau werden zusätzlich Klebemörtel verwendet, die in Pulverform mit Wasser angerührt und mit Zahnspachteln aufgezogen werden. Mit einem solchen Klebemörtel lassen sich auch die Systemplatten an der Wand befestigen.

Trockensysteme
Abb. 4. Vorgefertigte Wandheizungsmodule.<br />(Werkfoto: Thermolutz)
 Abb. 4. Vorgefertigte Wandheizungsmodule.
(Werkfoto: Thermolutz)

Jeder kennt die in der Fußbodenheizung verwendeten Trockensysteme, bei denen die Rohre in Wärmeleitblechen liegen, die oberseitig mit einer weiteren Lage aus verzinktem Stahlblech oder Aluminiumblech abgedeckt sind.

Derartige Systeme eignen sich ebenfalls hervorragend zur Beheizung von Wänden. Das System wird lediglich an der Wand befestigt. Damit auch die Wärmeleitbleche gehalten werden, müssen sie entweder mit der darunter liegenden Dämmung verklebt oder auf andere Art befestigt sein. Als wandseitige Verkleidung werden Gipskartonplatten im Kontakt mit den Wärmeleitblechen montiert.

Rohrregister in der Verkleidung
Abb. 7. Trockensystem als Wandheizung. (Abb. velta)
 Abb. 7. Trockensystem als Wandheizung. (Abb. velta)
Zwischenzeitlich werden auch schon Gipsfaserplatten angeboten, in deren Innern sich bereits Rohrregister befinden. Die Vor- und Rücklaufanschlüsse sind an einer Ecke herausgeführt, so dass sie sowohl von oben als auch von unten angeschlossen werden können.

Die Platten gibt es in verschiedenen Abmessungen. Die Befestigung erfolgt auf einem ausgerichteten Lattengerüst, das zunächst auf der Wand befestigt wird. Die Verarbeitung ist besonders günstig, wenn der Ausbau des Hauses in „Trockenbauweise“ mit U- und C-Profilen durchgeführt wird.

Ein Zuschneiden der Platten ist nur bedingt möglich. Wegen der geringen Masse und dem relativ geringen Rohrabstand erfordert das System nur geringe Wassertemperaturen und eine vergleichsweise geringe Aufheizzeit. Der Anschluss erfolgt überwiegend im „Tichelmann-System“.


Putzschicht

Liegen die Heizrohre ohne zusätzliche Dämmung direkt auf der Wand, so werden die Rohre über die Eigenstabilität der Putzschicht und die Verbindung des Putzmörtels mit dem Mauerwerk in ihrer Position gehalten. Hierzu stehen geeignete Trockenmörtel als Sack- oder Containerware zur Verfügung.

Auf der Oberfläche einer Dämmung oder Systemplatte hat der Putz in der Regel keinen ausreichenden Halt. Deshalb muss ein Putzträger, das sog. Streckmetall, auf die Rohre aufgelegt und mechanisch mit Tellerdübeln an der Wand befestigt werden.

Danach wird ein plastischer Mörtel durch die Rippen des Streckmetalls hindurch in den Hohlraum zwischen Streckmetall und Dämmung gedrückt. Die Dicke des Hohlraumes entspricht der Dicke der verwendeten Rohre. Sie werden bei diesem Vorgang in den Putzmörtel eingebettet . Wenn diese Schicht angetrocknet ist, wird eine weitere dünne Schicht, deren Oberfläche die spätere Wandfläche ist, aufgezogen und geglättet.

Diese Putzschicht hängt nun mit ihrem nicht unbeträchtlichen Eigengewicht vor der Dämmung. Dabei darf sich die Last nicht auf dem Fußboden abstützen, sondern muss über die mechanische Verbindung zur Wand durch die Dübel und / oder eine Klebemörtelschicht gehalten werden.

Ausdehnung

Kupferrohre, die direkt auf der Wand aufliegen, werden als Rohrregister mit ca. 1m langen geraden Abschnitten maschinell vorgefertigt oder auf der Baustelle aus Einzelsegmenten hergestellt und verlegt. Die Ausdehnung der ca. 1m langen Abschnitte wird von einem flexiblen Spezialmörtel aufgenommen. Da sich auch die Wand, auf der die Rohre montiert sind, durch die Erwärmung ebenfalls ausdehnt, tritt keine nennenswerte Scherkraft zwischen Wand und Mörtel auf.

Bei Kunststoffrohren wird die Ausdehnung größtenteils vom Rohr selbst aufgenommen, wodurch sich der Innendurchmesser um einige hundertstel Millimeter verringert. Liegen die Rohre auf einer Dämmschicht zur Wand, so treten zwischen der Putzschicht und der Wand nicht unerhebliche Temperaturunterschiede auf. Die Putzschicht dehnt sich um ca.  0,012mm/ (m.K). Das bedeutet, dass eine 8m lange Putzfläche, mit einer Oberflächentemperatur von ca. 35 °C, eine Längenänderung von ca. 1,5 mm erfährt. Deshalb ist beidseitig der 8m-Fläche die Anbringung eines ausreichend dicken Streifens aus weichem PE-Schaum sinnvoll. Dies ist besonders bei Fliesen oder Natursteinverlegung auf der Wand zu beachten.

Quellen
Das ABC der Flächenheizung und Flächenkühlung Winnenden: Heizungs-Journal Verlags-GmbH, ISBN 3-924788-16-2
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fdl1409 schrieb: Hi Zibbie, Variante 1 gefällt mir viel besser. Einmal ums Haus herum ist auch die Grundidee. Deine Heizlast ist viel zu hoch berechnet. Du hast den Wärmebrückenzuschlag mit 0,1 angenommen. Das ist...
maja5 schrieb: Hallo Jogi, Dass die Aussentemperaturführung alleine nicht ausreicht nehme ich bereits bei meiner teilgedämmten Hütte wahr. Die Sonne "stört" mit bis zu 4kw, dann wird ja der Haushaltsstrom auch überwiegend...
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