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Zusatzheizkörper

Autoren
OldBo
24.11.2010

Radtke 20.08.2009
Bei Fußbodenheizungsanlagen kann ein Zusatzheizkörper aus den verschiedensten Gründen erforderlich sein

• Abdeckung einer Restwärmemenge
• Beeinflussung des Regelverhaltens
• Abschwächung einer Fallluftströmung vor großen Fensterflächen.
Abdeckung eines Restwärmebedarfs
Abb. 1. Konvektor hinter der Verkleidung einer Badewanne.
 Abb. 1. Konvektor hinter der Verkleidung einer Badewanne.
Abb. 2. Elektrisch beheizter Konvektor für Bad und WC.
 Abb. 2. Elektrisch beheizter Konvektor für Bad und WC.
Abb. 3. Infrarotstrahler für Badezimmer und WC.
 Abb. 3. Infrarotstrahler für Badezimmer und WC.
Abb. 4. Handtuchtrockner. (Werkbild: Zehnder)
 Abb. 4. Handtuchtrockner. (Werkbild: Zehnder)

Trotz heute üblicher Wärmedämmvorschriften für Gebäude gibt es dennoch Räume, die einen für den Fußbodenheizungsbetrieb zu großen Wärmeverlust aufweisen können.

Unter Zugrundelegung einer Norminnentemperatur von 20 °C und unter Einhaltung der maximal zulässigen Oberflächentemperatur von 29 °C in Aufenthaltsräumen ist die Wärmeleistung der Fußbodenheizung auf maximal 100 W / m2 begrenzt. 

Für überschlägige Berechnungen kann man einen Wärmeübergangskoeffizienten α  von 11 W / (m2K) ansetzen. Das bedeutet, dass je Grad Unterschied zwischen Raum und Fußboden-Oberflächentemperatur eine max. Wärmeleistung von 11 W / m2 erzielt werden kann. Es gibt geringe Abweichungen sowohl nach oben, als auch nach unten. Sie sind von der Raumgeometrie, der Höhe und Beschaffenheit der Außenwände und den raumseitigen Temperaturen dieser Bauteile abhängig. Die Unterschiede können jedoch für den kalkulatorischen Ansatz unberücksichtigt bleiben. 

Unter der Oberflächentemperatur des Fußbodens ist die Oberflächentemperatur des jeweiligen Bodenbelages zu verstehen. Der Wärmeleitwiderstand des Bodenbelages beeinflusst grundsätzlich die Betriebstemperatur der Fußbodenheizung.

Bei der heutigen Bauweise von Wohngebäuden ist die Wärmedämmung bereits so gut, dass der mittlere Wärmebedarf je m2 Bodenfläche kaum mehr als 50 W/m2 beträgt. Lediglich in Badezimmern und WC’s können wegen des höheren Lüftungswärmeanteils auch Werte von über 100 W / m2 vorkommen. 

Natürlich kann man in diesen Räumen, insbesondere in Bädern, die Oberflächentemperatur auf 34 oder 35 °C erhöhen, doch ergibt sich daraus keine höhere Wärmeleistung, da gleichzeitig auch eine höhere Norminnentemperatur, nämlich 24 °C, gefordert wird.

Somit bleibt der Unterschied zwischen Fußbodenoberflächen-und Raumtemperatur nach wie vor der gleiche und die Wärmeleistung wird keineswegs größer. Der erhöhte spezifische Wärmebedarf dieser Räume entsteht oft dadurch, dass nicht die gesamte Bodenfläche des Raumes für die Verlegung der Fußbodenheizung zur Verfügung steht. Wannen, Duschen etc. reduzieren die Fläche für die Verlegung der Fußbodenheizung und treiben so den spezifischen Wärmebedarf hoch. Der verantwortungsbewusste Planer wird in solchen Fällen stets einen Zusatzheizkörper projektieren, um damit den fehlenden Wärmebedarf abzudecken. Der Bauherr versteht diese Maßnahme überhaupt nicht, denn er will ja schließlich eine Fußbodenheizung.

Er wird auch garantiert eine Fußbodenheizung in seinem Bekanntenkreis anführen können, wo der besagte Zusatzheizkörper im Bad nicht vorhanden ist. Er kann aber nicht unterscheiden, ob gegenüber seinem Bauvorhaben die Verlegefläche erheblich größer ist und das Bad vielleicht nur eine Außenwand hat, während bei ihm zwei Außenwände vorhanden sind.

Die Zusammenhänge zwischen der Wärmeleistung und den Temperaturen sind physikalische Gesetze, die nicht mit dem Können oder Nichtkönnen des jeweiligen Fußbodenheizungssystems zusammenhängen.

Wer das vorgenannte Problem allein ohne Zusatzheizkörper löst, setzt sich über die anerkannten Regeln der Technik hinweg und arbeitet mit unzulässig hohen Fußboden-Oberflächentemperaturen. Es ist auch falsch zu glauben, dass fehlender Wärmebedarf allein durch einen engeren Verlegeabstand der Heizrohre im Boden kompensiert werden kann. Der Abstand beeinflusst zwar die Welligkeit der Oberflächentemperatur, doch für die Wärmeleistung ist die mittlere Oberflächentemperatur der gesamten Bodenfläche maßgebend.

Mit einem engen Verlegeabstand wird zwar der Unterschied zwischen den höchsten und tiefsten Temperaturen, also die Welligkeit verringert, an den mittleren Temperaturen ändert sich jedoch nicht viel.

Beeinflussung des Regelverhaltens

Sollen Räume kurzfristig aufgeheizt bzw. abgesenkt werden, so empfiehlt sich der Einbau eines Zusatzheizkörpers. Seine Größe richtet sich nach den geforderten Aufheizgeschwindigkeiten. Allgemein reichen 25 - 40 % der geforderten Gesamtleistung aus.

Insbesondere sind Zusatzheizkörper in Häusern leichter Bauart, mit geringem Wärmeverlust und großen, südorientierten Fenstern, angebracht, also dort, wo Sonneneinstrahlung eine kurzfristige Temperaturerhöhung des Raumes verursachen kann.

Abschwächung von Fall-Luftströmungen vor großen Fensterflächen

An großen Fensterflächen können Kaltluftströmungen und Kaltstrahlungen auftreten und die Behaglichkeit beeinträchtigen. Gegenüber der Raumtemperatur sind die Oberflächentemperaturen der Außenwände, insbesondere die der Fenster, niedriger. Dadurch kühlt sich die Raumluft in diesen Bereichen ab und sinkt aufgrund ihres Dichteunterschiedes gegenüber der anderen Luft im Raum nach unten. Am Boden wird sie umgelenkt und strömt in Richtung Raummitte, wo sie die Behaglichkeit stören kann.

Luftgeschwindigkeit und Lufttemperatur hängen ferner von der Höhe der Außenwand ab. Bei großer Wandhöhe kann sich die Luft auf ihrem Weg nach unten stärker abkühlen, die Geschwindigkeit nimmt zu. Abfangen kann man derartige Luftströmungen nur mit Zusatzheizkörpern, die einen entsprechend großen Teil ihrer Wärme konvektiv abgeben. Die aufsteigende Warmluft des Heizkörpers wirkt der abfallenden Kaltluft entgegen und sorgt für eine behagliche Mischluft. Dazu müssen die Heizkörper aber auch auf der gesamten Breite der Außenwand, oder bei mehreren Heizkörpern, mit angemessenem Abstand zueinander, montiert werden. Randzonen mit höherer Wärmeleistung können kaum die ins Rauminnere gerichtete Kaltluftströmung aufhalten, wohl aber den Luftstrom erwärmen. Deshalb werden gern Estrichkonvektoren mit relativ geringer Einbauhöhe, zum Teil als Gebläseausführung, eingesetzt.  
Maßgebend für die Unbehaglichkeit ist stets auch der Aufenthaltsbereich einer Person. Hält sie sich im fensternahen Bereich auf, so wird sie von der kalten Fallluftströmung und der Kaltstrahlung erfasst. Je weiter sie sich vom Fenster entfernt, desto geringer wird dieser Störfaktor.

Beginnt der Aufenthaltsbereich ca. 2 - 3 m vor der Fensterfront, so reichen enger verlegte Randzonen im Allgemeinen aus. Dennoch gibt es Anwendungsfälle, die einer besonderen Sorgfalt bedürfen. Hierzu zählen Räume mit großen Höhen, mehrstöckig geschachtelte, offene Wohnbereiche und hohe Glasfassaden. Im Zweifel sollte vorsorglich eine Rohrleitung zum nachträglichen Anschluss eines Heizkörpers verlegt werden.
Zusatzheizkörper, gleich welcher Art, haben einen sehr geringen hydraulischen Widerstand. Ist am Heizkreisverteiler der Fußbodenheizung gleichzeitig ein Zusatzheizkörper angeschlossen, so ist dieser wegen des geringen Druckverlustes entsprechend zu drosseln.

Anschlussmöglichkeiten

Bei wasserdurchströmten Heizkörpern stellt sich die Frage nach der sinnvollen Betriebstemperatur. Sollte man Zusatzheizkörper gemeinsam mit den Heizkreisen der Fußbodenheizung hydraulisch verbinden?

Steht am Wärmeerzeuger keine höhere Betriebstemperatur für einen Zusatzheizkörper zur Verfügung oder befindet sich der Zusatzheizkörper zu weit von der Wärmequelle entfernt, so muss der Zusatzheizkörper zwangsläufig mit der Fußbodenheizung gekoppelt werden.

Er kann dabei, wie ein Fußbodenheizkreis, am Verteiler angeschlossen werden oder aber mit den Zuleitungen am Heizkreisverteiler angeschlossen sein.

Kaltluftströmung an Fenstern oder Wänden
Abb. 8. Untertemperaturen einer Wand / eines Fensters in Abhängigkeit von der Außentemperatur ta und dem Wärmedurchgangskoeffizienten U.
 Abb. 8. Untertemperaturen einer Wand / eines Fensters in Abhängigkeit von der Außentemperatur ta und dem Wärmedurchgangskoeffizienten U.
Abb. 9. Maximale Luftgeschwindigkeit <br />ta = –12 °C, ti = + 22 °C.
 Abb. 9. Maximale Luftgeschwindigkeit
ta = –12 °C, ti = + 22 °C.

Die Norminnentemperatur ti eines Raumes wird etwa zu 50% von der Luft- und zu weiteren 50 % von der mittleren Oberflächentemperatur der Raumumfassungsflächen tF,m gebildet.

Je niedriger die Außentemperatur ta und je größer der Wärmedurchgangskoeffizient der Wand Uw, oder des Fensters UF, desto niedriger ist auch die Oberflächentemperatur auf der Raumseite dieser Bauteile.

Die Oberflächentemperatur tF berechnet sich nach folgendem Ansatz:

Der spezifische Wärmestrom vom Raum zum Fenster oder zur Wand beträgt:

q1 = αi (ti - tF)

Der Wärmestrom vom Raum nach außen beträgt:

q2 = U (ti - ta)

Beide Wärmeströme sind gleich:

q1 = q2

Daraus folgt:

αi (ti - tF) = U (ti – ta)

αi . t1 – αi .tF = U (ti – ta)



tF = αi . ti – U(ti – tα )
                α

Beispiel: Wie groß ist die Oberflächentemperatur tF auf der Innenseite eines Fensters?

für ti = 20 °C, ta = –10 °C, U = 1,5 W / (m2K), αi = 8 W / (m2K)

tF = 8 . 20 – 1,5 (20 + 10)
                    8

tF = 107,5
          8

tF = 14,4°C

Somit beträgt die Temperaturdifferenz

Δt = ti - tF

bezogen auf ti = 20 °C

Δt = 20 - 14,6 = 5,4 K (Untertemperatur)

Die Geschwindigkeit der nach unten gerichteten Luftströmung nimmt mit sinkender Oberflächentemperatur und Höhe der Außenwand bzw. der Fensterfläche zu.

Quellen
Das ABC der Flächenheizung und Flächenkühlung Winnenden: Heizungs-Journal Verlags-GmbH, ISBN 3-924788-16-2
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