Ausdehnung bei nicht vollständiger Estrichumschließung

Dadurch, dass einige Systemhersteller die Fußbodenheizungsrohre unmittelbar auf der Oberseite der Dämmschichtfläche / Systemplatten befestigen, ist davon auszugehen, dass nicht in allen Bereichen der Heizrohre eine 100% ige Einbettung im Estrich stattfindet. Insbesondere an den Stellen, wo die Halteclipse angebracht sind, liegt das Heizrohr relativ dicht auf der Dämmung auf. Versuche mit Estrichen bei einer Ausbreitungskonsistenz von 40 bis 50 cm haben jedoch gezeigt, dass zwischen den Befestigungspunkten zum Teil durch Aufschwimmen der Rohre, zum Teil auch hervorgerufen durch die Spannungen des Rohrwerkstoffes selbst, eine leichte Abhebung von der Dämmung stattfindet.

Die Wärme wird vom Heizwasser ausgehend durch die Rohrwandung hindurch an den Estrich abgegeben. Innerhalb der Estrichfläche soll sie möglichst schnell die Bereiche zwischen den Rohren erreichen. Es ist leicht einzusehen, dass Heizrohre, die unmittelbar im Estrich eingebettet sind, diese Aufgabe vorzüglich erfüllen. In allen Fällen muss die Wärme vom Rohr her, sowohl in die seitlichen, als auch in die darüberliegenden Estrichschichten, abgeleitet werden. Eine Ableitung von Wärme nach unten ist nicht gewünscht, sie bringt Verluste. Insofern kann auch eine mangelhafte Estrichumschließung auf der Unterseite der Rohre keinen nennenswerten Einfluss auf die Wärmeabgabe nach oben hin haben.

Durch die Erwärmung der Heizrohre findet eine Ausdehnung statt. Bei Trockensystemen kann sich das Rohr in Längsrichtung ausdehnen und innerhalb der Einbettung einen Ausgleich herbeiführen. Durch diese Relativbewegung, die je laufenden Meter einige Millimeter ausmacht, könnten theoretisch an gefährdeten Stellen, z. B. im Bereich von Wärmeleitblechen, bei nicht sachgemäßer Aus führung, Scheuerstellen auftreten. Bei nass eingebetteten Rohren kann eine solche Längenänderung durch Gleitung nicht abgefangen werden. Die Rohre sind vielmehr fest mit dem Estrich verbunden und können zu keiner Seite hin ausbrechen. In diesem Fall wird die theoretische Längen aus dehnung des Rohres zu einem neuen Innendurchmesser führen, der kleiner ist als der Ursprungsdurchmesser.

Es zeigt sich, dass eine Veränderung jedoch nur um zwei bis drei hundertstel eines Millimeters stattfindet. Wie verhalten sich nun Fußbodenheizungsrohre an den Stellen, wo auf der unterseite keine ausreichende Stützwirkung durch fehlenden Estrich vorhanden ist? Drücken sich die Heizrohre durch die Druck- und Temperaturbeanspruchung bzw. durch die Längenausdehnung tatsächlich in die Dämmschicht ein und kann diese, theoretisch mögliche Ausbauchung zu Materialermüdungen und damit zu Schäden führen?

Ein entsprechendes Metallrohr wird in der Mitte seiner Länge mit einer Öffnung von ca. 11 mm Breite und 100 mm Länge versehen. Der Innendurchmesser des Eisenrohres ist auf den Außendurchmesser des Kunststoffheizrohres abgestimmt, so dass sich das Eisenrohr wie ein Korsett um das Kunststoffrohr legt. Die Länge des eingebauten Heizrohres entspricht exakt der Länge des eisernen Mantelrohres. Die Enden sind durch Stahlplatten mit Zugankerbolzen verschlossen, so dass eine Längenausdehnung des Kunststoffheizrohres nicht stattfinden kann. Die Ausdehnungskoeffizienten für Stahl und Kunststoff sind derart unterschiedlich, dass die Ausdehnung des Stahlrohres in die Versuchsbedingungen nicht mit einbezogen werden muss.

Darüber hinaus hat Stahl die gleiche Ausdehnung wie Estrich. Im Bereich des Sichtfensters liegt das Heizrohr nunmehr völlig frei und simuliert somit die Auflage eines Heizrohres unmittelbar auf einer Dämmschicht. Ein im Bereich des Sichtfensters angebrachtes Brückengerüst dient zur Aufnahme einer Messuhr, die mögliche Ausbauchungen anzeigt.

Zunächst wird die Ausbauchung des Heizrohres bei 20 °C – jedoch bei unterschiedlichen Betriebsdrückenuntersucht. Da temperaturbedingte Ausdehnungen bei diesem Versuch nicht stattfinden, sind die Versuchsbedingungen mit der Realität vergleichbar. Die entsprechenden Ausbauchungen in Millimetern sind in Abb. 7.7 in Abhängigkeit vom Druck dargestellt.

Bei Druckentlastung ist festzustellen, dass die Rückverformung nicht auf der gleichen Linie stattfindet, sondern langsamer vonstatten geht. Der Unterschied der beiden Kurven wird stark vom jeweiligen Zeitabstand und der Größe des Maximaldruckes bestimmt. Entsprechend dem Einsatz als Fußbodenheizrohr findet dieser Umstand keine Berücksichtigung. Im zweiten Versuch wird nunmehr ohne Druckbeaufschlagung Wasser von 20 °C bis auf 60 °C aufgeheizt und durch die Versuchsstrecke gepumpt. Dabei dehnt sich das Kunststoffrohr aus. Die Enden sind fest zwischen den Zugankern eingespannt. Eine Längenänderung kann nicht stattfinden. Somit wird die gesamte Ausdehnung der ca. 25 cm langen Messstrecke auf die im Sichtfenster des Stahlrohres freiliegende Kunststoffstrecke übertragen. Die entsprechende, durch Wärmedehnung hervorgerufene Ausbauchung, ist in Abb. 7.8 dargestellt. Sie beträgt bei Erwärmung von 20 °C auf 50 °C neun hundertstel Millimeter.

In der Praxis wird jedoch diese große Schwankung zwischen 20 °C und 50 °C nur in den seltensten Fällen auftreten. Bezogen auf das Jahresmittel dürfte die durchschnittliche, im System auftretende Temperaturschwankung, weit unter 20 K für eine Dauerwechselbeanspruchung liegen. Interessant war die Feststellung, dass bei konstanter Temperatur eine zusätzliche Druckbeaufschlagung nach der gleichen Kennlinie verläuft, wie in Abb. 7.7 dargestellt. Das bedeutet, dass im Temperaturbereich der Fußbodenheizung eine quasi temperaturunabhängige Ausbauchung allein durch die Druckänderung stattfand.

Da die Betriebsdrücke in Fußbodenheizungsanlagen als nahezu konstant anzusehen sind, spielt für das Ausbauchen ausschließlich die temperaturbedingte Ausdehnung des Rohrwerkstoffes eine Rolle. Die druckbedingte Ausbauchung beträgt im Temperaturbereich der Fußbodenheizung 0,01 mm / bar. Die Differenz findet keine Berücksichtigung. Inwieweit die temperaturbedingte Ausdehnung des Rohrwerkstoffes auch im Bereich der Versuchsstrecke zu einer Verringerung des Innendurchmessers führt, kann nicht mit Sicherheit ermittelt werden. Es ist eher davon auszugehen, dass in Anbetracht der kurzen Messstrecke im Bereich der vollständigen Rohrumschließung keine Durchmesseränderung stattfindet und sich die gesamte Ausdehnung auf die im Sichtfenster freiliegende Kunststoffrohrstrecke überträgt, so dass die ermittelten Ausbauchwerte Maximalwerte darstellen. Durch das Sichtfenster der Versuchsanordnung wurde ein so großes Rohrsegment freigelegt, wie es im Prinzip selbst bei schlechter Estricheinbettung in der Praxis nicht vorhanden sein wird. Somit liegen die ermittelten Werte weit über denen, wie sie in der Praxis auftreten können. Schäden durch nicht vollständige Estrichumschliessungen sind dem Verfasser bis heute – trotz intensiver Nachforschung – nicht bekannt geworden. Die Estrichnorm DIN 18560 Teil 2 läßt eine Verlegung der Heizrohre direkt auf der Dämmschicht ausdrücklich zu.