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OldBo
04.03.2010

Radtke 30.07.2009
Neben dem erfolgreichen Siegeszug der stillen Deckenkühlung beginnen nun einige Firmen darüber nachzudenken, inwieweit Fußbodenheizung sowohl für Heiz-, als auch für Kühlzwecke sinnvoll ist.
Grundsätzliche Überlegungen

Neben dem erfolgreichen Siegeszug der stillen Deckenkühlung beginnen nun einige Firmen darüber nachzudenken, inwieweit Fußbodenheizung sowohl für Heiz-, als auch für Kühlzwecke sinnvoll ist. Betrachtet man das Temperaturprofil in einem Raum, so verläuft es relativ vertikal. Erst unterhalb der Decke nimmt die Raumtemperatur merklich zu. Das liegt an folgenden physikalischen Zusammenhängen:

1. Die Fußbodenoberfläche steht mit der Decke im Strahlungsaustausch und führt zu einer leichten Anhebung der Temperatur auf der Deckenunterseite.

2. Warme Luft steigt aufgrund ihres Dichteunterschiedes stets nach oben und sammelt sich unterhalb der Decke an.

3. Ist im Obergeschoss ebenfalls eine Fußbodenheizung vorhanden, führt der nach unten gerichtete Verlustwärmestrom ebenfalls zu einer Anhebung der unterseitigen Deckentemperatur.

Unter Berücksichtigung der vorgenannten Fakten wäre eigentlich eine Kühlung auf der Deckenunterseite am sinnvollsten, weil hier die höchsten Temperaturen anstehen. Dennoch vermag auch eine Fußbodenheizung, bei Einhaltung bestimmter Bedingungen, einen gewissen Anteil an Kühllast zu übernehmen.

Kondensatbildung

Zu Kühlzwecken muss die Flächenheizung mit Kühlwasser betrieben werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur und der Temperatur der Luft, die das Rohr umgibt, ab einer bestimmten relativen Luftfeuchtigkeit an der Rohroberfläche Kondensation entstehen kann. Diese Feuchtigkeit kann – wird sie nicht verhindert – im Bereich der Fußbodenkonstruktion, aber auch im Bereich von Verteilern, wo das Wasser abtropft, zu Schäden am Fußbodenaufbau oder am Gebäude führen.

Regelung

Solange nur ein einzelner Raum mit Fußbodenheizung gekühlt werden soll, besteht für die Regelung kein nennenswertes Problem. Aus den Daten, Raumtemperatur und Raumluftfeuchte, lässt sich die Temperatur des Kühlwassers steuern.

Erst wenn mehrere Räume gekühlt werden sollen, gilt zu beachten, dass:

1. Die zu kühlenden Räume unterschiedliche Temperaturen und Feuchtegehalte aufweisen können.

2. Aufgrund unterschiedlicher Fußbodenaufbaukonstruktionen, insbesondere unterschiedlicher Bodenbeläge, ist die Kühlleistung in den Räumen unterschiedlich.

3. Die Durchflussmengen der Heizkreise, vom Heizbetrieb ausgehend, auf andere Durchflussmengen einreguliert sind, als sie eigentlich für die Kühlung notwendig wären.

4. Es Mischzustände geben kann, bei denen einige Räume noch zu heizen, andere  wiederum zu kühlen sind.

Kühlleistung

Die Kühlleistung der Flächenheizung ist begrenzt durch:

1. Die einsetzende Kondensbildung an der Oberfläche der Rohre und die daraus resultierende Oberflächentemperatur des Fußbodens.

2. Dem Massenstrom und der aus der Kreiskonfiguration, bzw. seiner Einstellung für den Heizbetrieb resultierenden Temperaturdifferenz zwischen Wassereintritt und -austritt.

3. Der gewünschten, zulässigen Raumtemperatur.

4. Die für eine ausreichende Behaglichkeit noch zulässige minimale Oberflächentemperatur am Fußboden.

Abgesehen von einer möglichen Taupunktunterschreitung an den Oberflächen der Kühlrohre lässt sich die Kühllast nach den Ansätzen der DIN EN 1264 „Wärmeleistung der Fußbodenheizung“ berechnen. Geht man davon aus, dass eine Abkühlung der Raumtemperatur auf unter 24 °C nicht erforderlich ist, so dürfte die Kühlleistung für diesen Betriebszustand etwa 35 W/m2 betragen. Im Kühlbetrieb ist der Wärmeübergang am Boden geringer. Das liegt daran, dass die beim Heizbetrieb an den kühleren Außenwänden abfallende Lüftungsströmung am Boden einen größeren konvektiven Wärmeübergang bewirkt, der im Kühlbetrieb fehlt.   

Mit höheren Raumtemperaturen nimmt selbstverständlich die Kühlleistung zu. Auch da, wo durch Sonneneinstrahlung eine merkliche Erwärmung des Bodenbelages auftritt, kann eine deutlich höhere Kühlwirkung erzielt werden.

Raumtemperatursteuerung
Im Prinzip müsste man in jedem Raum zwei Raumthermostate, gegebenenfalls einen Doppelthermostaten installieren. Ein Raumthermostat übernimmt die Regelung des Heizbetriebes in gewohnter Weise, durch Öffnen von thermoelektrischen Stellantrieben am Heizkreisverteiler. Der zweite Thermostat müsste gegenüber dem ersten auf einen um 1 - 2 K höheren Wert eingestellt sein. Denkbar wäre auch ein Raumthermostat mit einer zweiten Schalteinheit, die grundsätzlich gegenüber dem eingestellten Sollwert der Raumtemperatur 1 - 2 K höher schaltet.

Bei Überschreitung der eingestellten Raumtemperatur würde der Heizbetrieb durch Schließen der thermoelektrischen Stellantriebe unterbrochen. Erst wenn durch Fremdwärme oder Sonneneinstrahlung die Raumtemperatur um 1 - 2 K ansteigt, würde über diesen Schaltbefehl der Kühlbetrieb eingeleitet. Die Dreiwegeventile würden umschalten, den Heizbetrieb unterbrechen und bei Erreichen der Endlagen die  Kältemaschine anlaufen lassen.

In dieser Schaltphase kann es aber noch Räume geben, deren eingestellte Solltemperatur nicht erreicht ist und deren thermischen Stellantriebe am Heizkreisverteiler deshalb noch geöffnet sind. In diesen Räume müssten dann, durch den eingeleiteten Kühlprozess, die thermischen Stellantriebe geschlossen werden. Anderenfalls würden diese Räume, obwohl sie unterhalb der eingestellten Raumtemperaur liegen, ebenfalls gekühlt.

In der Regel wird man den Kühlprozess, da er außerhalb der Heizperiode erforderlich ist, von Hand einleiten. Es gibt bereits Raumthermostate, die sich zwischen „Heizen“ und „Kühlen“ umschalten lassen. Das Auftreten von Kondensat lässt sich auch mittels spezieller Anlegefühler am Heizkreisverteiler überwachen und die Kühlwassertemperatur damit regeln.

Einfluss des Bodenbelages

Aus der Leistungsberechnung der Fußbodenheizung ist der große Einfluss des Wärmeleitwiderstandes von Bodenbelägen bekannt. Bei Teppichböden mit verhältnismäßig großem Wärmeleitwiderstand muss deshalb zur Erzielung ausreichender Wärmeleistung die Heizmittelübertemperatur deutlich angehoben werden. Für die Kühlung gilt dieser Zusammenhang in umgekehrter Richtung, d. h. die Kühlwassertemperatur muss deutlich gesenkt werden.

Problematisch kann es dann werden, wenn Räume mit relativ hoher Kühllast mit Bodenbelägen ausgestattet sind, die einen relativ hohen Wärmeleitwiderstand aufweisen, während andere, z. B. mit keramischen Belägen, ausgestattet sind. Dann nämlich erfordern die Räume mit ungünstigem Bodenbelag eine relativ niedrige Kühlwassertemperatur mit dem Risiko, dass Kondenswasserbildung auftritt oder bei reduzierter Kühlwassertemperatur nicht die erwartete Kühlleistung eintritt.

Es wäre günstig, wenn die Räume, die durch Fremdwärmeanfall oder Sonneneinstrahlung besonders intensiv gekühlt werden müssen, mit keramischen Belägen oder solchen mit niedrigem Wärmedleitwiderstand ausgestattet würden.

Estrichverwölbung durch Kondensatbildung

Wird die Steuerung der Kühlwassertemperatur in Abhängigkeit von der Raumtemperatur und deren relativen Luftfeuchtigkeit nicht einwandfrei geregelt, so schlägt sich an den Rohren der Fußbodenheizung Feuchtigkeit nieder. Es besteht die Gefahr, dass sich der Estrich mit Feuchtigkeit anreichert. Bei erneut einsetzendem Heizbetrieb wird dann die Feuchtigkeit der Estrichunterseite in Richtung Bodenbelag verschoben und dort kommt es, wegen der  Sperrwirkung des Bodenbelages, zu einer Ansammlung von Feuchtigkeit. Die aus solchen Verschiebungen bekannten Estrichverwölbungen sind dann ebenfalls zu befürchten.

Fazit
Die Wohnraumkühlung mit Fußbodenheizung ist grundsätzlich möglich, allerdings nur in einem engen Leistungsbereich und hinreichender Beachtung der Kondenswasserbildung. Durchschnittliche Kühlleistungen sind mit ca. 40 W / m2 als Mittelwert anzusetzen. In Zonen, wo die Sonneneinstrahlung intensiv auf den Bodenbelag trifft, sind auch  Kühlleistungen bis zu 80 W/m2 möglich. Die Regelungstechnik ist von großer Bedeutung.

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