Regelung der Fußbodenheizung - Hydraulische Schaltungen

Häufig kommt es vor, dass außer einer Fußbodenheizung noch weitere Einrichtungen, Heizkörper, Konvektoren usw., installiert werden müssen. Dementsprechend vielfältig sind die hydraulischen Schaltungen und der Planer steht oft vor der Aufgabe, für möglichst wenig Geld die beste Regelung zu finden. Viele Ideen führten in der Vergangenheit schon zum Chaos. Deshalb sollen einige ausgewählte Schaltungen vorgestellt und ihre Funktion erläutert werden.

Auch heute noch gibt es Heizungsanlagen, die aus den verschiedensten Gründen mit 90/70°C betrieben werden. Die allgemein bekannte Beimischregelung, siehe Abb. 25.5, eignet sich in der Form für eine Fußbodenheizung nicht.
Die mangelhafte Regelung wird am nachfolgenden Beispiel deutlich.
Die Fußbodenheizung soll eine Leistung von 18 kW abdecken. Als Temperatur-Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf nehmen wir 10 K an, als maximale Vorlauftemperatur 50 °C. Daraus ergibt sich für die Umwälzpumpe ein Förderstrom von

V_P = ( 18 · 860 ) / 10  = 1548 l/h

Für diesen maximalen Volumenstrom ist der Mischer auszulegen. Ein Teilstrom mit 90 °C kommt vom Kesselvorlauf, ein anderer wird direkt vom Rücklauf der Fußbodenheizung über den Mischer dem Heizungsvorlauf beigemischt. In den Kessel kehrt Wasser von 40 °C zurück. Damit liegt die Spreizung im Heizkessel fest, nämlich 50 K. Zur Übertragung der geforderten Leistung von 18 kW ist somit ein Förderstrom des Kesselwassers erforderlich von

V_k = ( 18 · 860 ) / 50 = 310 l/h

Der Mischer braucht also nur rund 20 % seines Stellweges auszuschöpfen, um den geforderten Regelbereich abzudecken. Kleinste Verstellungen am Mischer führen also zu großen Temperaturveränderungen im Vorlauf. Die Regelung wird instabil und neigt zum Pendeln. Insofern ist diese einfache Beimischschaltung für Anlagen mit hoher Kesseltemperatur nicht zu empfehlen. Als weiteres Kriterium muss auch die Rücklauftemperatur des Kessels beachtet werden, da stets Wasser mit niedriger Temperatur unmittelbar aus dem Rücklauf der Fußbodenheizung kommt. Die Rücklauftemperatur kann im niedrigen Lastbereich bisweilen nicht mehr als 20 °C betragen und im Kessel Probleme bereiten.

Der Nachteil des eingeschränkten Stellweges lässt sich durch den Einbau einer festen Beimischung beseitigen. Dadurch wird der volle Stellbereich des Mischers ausgeschöpft, der Mischer kleiner und die Regelung feinfühliger (Abb. 25.6.).
Die verbesserte Regulierfähigkeit wird durch den Einbau des Bypassventils (BV) erreicht. Unter voller Belastung ist der Mischer völlig geöffnet, so dass 310 l / h mit 90 °C hindurchströmen. Sie werden mit 1.238 l / h, 40 °C, aus dem Rücklauf der Fußbodenheizung stammend, über das Bypassventil zugemischt. Die Pumpe fördert 310 + 1.238 = 1.548 l / h, wie geplant. Das Regulierventil (RV) begrenzt den Durchsatz durch die Fußbodenheizung. Das Bypassventil (BV) bestimmt die maximale Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung. Die Ventile lassen sich am genauesten bei Volllast einstellen. Dazu wird der Mischer voll geöffnet und das Bypassventil (BV) so verstellt, dass am Vorlauf die maximale Betriebstemperatur für den Vorlauf erscheint. Es ist darauf zu achten, dass bereits vorher eine Grobeinstellung vorgenommen wird und die Anlage bereits ein, besser noch zwei Tage, in Betrieb war, denn es ist wichtig, dass sich die gewünschte Temperaturspreizung der Fußbodenheizung zwischen Vor- und Rücklauf annähernd eingestellt hat. Kommt der Vorlauf der Fußbodenheizung nicht auf Temperatur, so kann das folgende Gründe haben:

• Die Betriebstemperatur des Heizkessels ist gegenüber der Planung zu niedrig,
• Der Mischer ist nicht geöffnet,
• Das Bypassventil (BV) ist zu weit geöffnet,
• Das Regulierventil (RV) ist zu weit geöffnet.

In Deutschland und einigen anderen Ländern werden Heizungsanlagen bereits mit deutlich niedrigeren Betriebstemperaturen ausgelegt. Auch die Regelanlagen sind ausnahmslos fester Bestandteil im Lieferumfang des Kessels. In einigen Länder werden jedoch immer noch Kessel mit 90/70°C betrieben und somit sind für den Betrieb einer Fußbodenheizung immer noch Mischer und witterungsgeführte Regelanlagen mit integriertem oder externem Bypass erforderlich (Abb.25.7.).
Regelanlagen, die bereits im Kessel eingebaut sind, haben häufig noch einen zusätzlichen Ausgang zur Steuerung eines Fußbodenheizungsmischers über einen weiteren Steckplatz für eine entsprechende Platine.

Zunächst muss bekannt sein, für welche niedrigste Außentemperatur die Anlage geplant wurde und welche Vorlauftemperatur für die Fußbodenheizung vorgesehen ist. Erfolgt die Einregulierung bei einer von der Auslegung abweichenden Außentemperatur, so ist zunächst die der aktuellen mittleren Außentemperatur entsprechende Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung zu bestimmen. Dies kann rechnerisch oder graphisch, z.B. nach Abb. 25.8 erfolgen. Wird der Kessel mit einer fest vorgegebenen Temperatur betrieben, so ist diese einzustellen und nicht zu verändern. Der Bypass soll nahezu voll geöffnet sein. Die einzelnen Heizkreise der Fußbodenheizung sollten ebenfalls grob einreguliert sein, damit auch wirklich alle Flächen gleichmäßig aufgeheizt werden. Nun wird die Regelanlage ausgeschaltet und der Mischer in Position „auf“ gefahren. Die Vorlauftemperatur wird nun allmählich leicht ansteigen. Liegt sie nach 15 Minuten immer noch unterhalb des errechneten Wertes, so kann der Bypass ein Stück weiter geschlossen werden. Da die Fußbodenheizung aber noch kalt ist, liegt auch die Rücklauftemperatur noch sehr niedrig. Sie erhöht sich erst langsam mit zunehmender Erwärmung des Bodens. Durch diese Temperaturzunahme im Rücklauf ändert sich wiederum der Mischvorgang hinter der Bypassstrecke und auch die Vorlauftemperatur steigt an. Der Einstellvorgang ist abgeschlossen, wenn die Aufheizung der Fußbodenheizung beendet, die vorgesehene berechnete Vorlauftemperatur er reicht ist und über einen längeren Zeitraum konstant bleibt. In dieser Position ist das Bypassventil (BV) gegen unbeabsichtigte Verstellung zu sichern. Danach kann auch die Regelanlage auf die vorgesehenen Werte eingestellt und in Betrieb genommen werden. Die Regelung der Vorlauftemperatur erfolgt jetzt automatisch durch Veränderungen der Mischerstellung. Der gesamte Stellbereich des Mischers deckt jetzt die Änderung der Vorlauftemperatur ab.

In Abb. 25.9 ist eine weitere Variante dargestellt, die bisweilen auch noch zur Ausführung gelangt.
Die Umwälzpumpe P bezieht ihre Förderströme sowohl aus dem Kessel (90 °C) als auch über das Bypassventil (BV), 40 °C. Das Regulierventil (RV) bestimmt den Förderstrom der Fußbodenheizung. Schließt das Motorventil M 1, so wird der gesamte Förderstrom über das Bypassventil (BV) gezogen, wodurch sich der Druckverlust erhöht. Der Förderstrom wird geringer als zuvor. Liegt die Betriebs temperatur des Kessels niedriger, so muss auch das Bypassventil(BV) stärker gedrosselt werden. Dadurch aber wird bei geschlossenem Motorventil der Gesamtdruckverlust für den Heizkreis größer, weil die Umwälzpumpe gegen das gedrosselte Bypassventil (BV) arbeitet. Die Regelung wird um so besser, je geringer die durch den Kessel fließende Wassermenge und je größer die Temperaturzwischen Kesselvor- und -rücklauf ist, also je weiter das Bypassventil (BV) geöffnet werden kann. Zur Einstellung wird bei Vollast das Motorventil M1 völlig geöffnet und die maximale Vorlauftemperatur des Fußbodenheizkreises mit dem Bypassventil (BV) eingestellt. Auch dabei ist auf die Einhaltung der geplanten Rücklauftemperatur zu achten. Das thermische Gleichgewicht stellt sich häufig erst nach mehreren Stunden, wenn nicht nach Tagen, ein. Das Regulierventil (RV) bestimmt stets den Förderstrom.

Eine Regelung ohne Mischer ist stets möglich, wenn der Wärmeerzeuger seine Vorlauftemperatur von 20 - 60 °C kontinuierlich anpassen kann. Derartige Bedingungen können nur von Wärmepumpen und Brennwertkesseln erfüllt werden (Abb. 25.10. und 25.11.).

Häufig sind diese Kessel jedoch mit Warmwasserbereitern ausgerüstet, die aufgrund ihrer geringen Inhalte auf eine hohe Vorratstemperatur gebracht werden müssen. Dann übernimmt eine Vorrangschaltung die Aufheizung des Warmwasserbereiters, währen die Fußbodenheizung vorübergehend abgeschaltet ist (Abb. 25.12.).

Zur Ladung des Speichers wird die Pumpe P1 vorübergehend abgeschaltet, der Kessel auf höhere Temperatur aufgeheizt und durch Einschaltung der Pumpe P2 die Aufheizung des Warmwasserbereiters eingeleitet. Bei Wiederinbetriebnahme der Fußbodenheizung steht jedoch nur Kesselwasser mit hoher Temperatur zur Verfügung. Die „Schockwirkung“ ist um so stärker, je größer der Wasserinhalt der Heizkesselanlage ist. Niedertemperaturkessel benötigen in der Regel eine Mindesttemperatur von ca. 50 °C. Dadurch soll Korrosion im Kessel verhindert werden. Ohne zusätzlichen Mischer ist deshalb eine Regelung der Fußbodenheizung oberhalb ca. + 5 °C Außentemperatur nicht möglich. Abb. 25.13 zeigt den Temperaturverlauf eines Niedertemperaturkessels.

Der Einsatz einer witterungsgeführten Beimischregelung ist also erforderlich. Ist die Regelung so eingestellt, dass die maximale Kesseltemperatur der Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung entspricht, so ist der Mischer dem gesamten Förderstrom anzupassen. Zwischenzeitlich gibt es witterungsabhängige Regelanlagen, die nicht nur die Vorlauftemperatur gleitend anpassen, sondern gleichzeitig auch die Heizkesseltemperatur kontinuierlich mit anheben. Diese Regelvariante ist dann zu bevorzugen, wenn Bauvorhaben sowohl mit Heizkörpern, als auch mit Fußbodenheizung ausgerüstet werden sollen. Bei Niedertemperaturkesseln, die mit einem Mischer ausgerüstet sind, spielt eine Temperaturanhebung zur Warmwasserbereitung keine Rolle, jedoch sollte der Mischer synchron bei Vorrangschaltung auf „zu“ gefahren werden (Abb.25.14.).

Dadurch wird nach Inbetriebnahme der Fußbodenheizung der Temperaturschock vermieden. Temperatursprünge wirken sich ungünstig auf die Lebensdauer von Fußbodenheizrohren aus Kunststoff aus. Werden Niedertemperaturkessel ausschließlich in Verbindung mit Heizkörpern eingesetzt, so hat sich eine Regelung ohne Mischer durchaus bewährt (2-Punkt-Regler). Die Thermostatventile der Heizkörper übernehmen die Feinregulierung. Temperatursprünge des Kessels wirken sich nicht störend aus, auch dann nicht, wenn die erforderliche Vorlauftemperatur für die Heizkörper im Teillastbereich aufgrund der Bauart des Kessels nicht unter die Stütztemperatur gesenkt werden kann.