Schwimmend oder geklebt

Bodenbelag,Verlegeart und Leistungsdaten von Flächensystemen

Flächenheiz- und -kühlsysteme haben sich den Neubau erobert. Aber auch bei der Renovierung werden zunehmend Dünnschichtsysteme eingesetzt. Die Wärmezufuhr erfolgt meist mittels eines hydraulischen, wasserbasierten Systems. Anzutreffen sind aber auch elektrische Direktheizungen. Der Oberboden kann darauf sowohl schwimmend verlegt als auch verklebt werden. Technisch ist beides möglich. Die energetischen Auswirkungen der unterschiedlichen Materialien und Verlegearten wurden in einer Studie untersucht.

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 Bild: Stock/adobe.com
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Gegenstand der Untersuchungen sind ein Designfußbodenbelag (PVC) und ein Parkettfußboden. Als Untersuchungsmethodik kommt der in /1/ und /2/ beschriebene Algorithmus zur Berechnung von Flächenheiz- und Flächenkühlsystemen zur Anwendung. Die Berechnungsmethodik stellt eine quasi zweidimensionale Berechnung der Wärmeströme um das Rohr sowie eine eindimensionale Bestimmung der Wärmeströme in den Deckschichten unter und oberhalb des Rohrs dar. Bild 1 zeigt den Aufbau des Berechnungssystems. Prinzipiell sind hierbei beliebig viele Deckschichten modellierbar. Praktisch werden in /2/ bis zu fünf Deckschichten unterhalb und oberhalb der Rohre betrachtet. Für die Systemabbildung in der Praxis ist dies ausreichend.

1 - Aufbau des Berechnungssystems aus Rohr- und Deckschichten Bild: eigene Darstellung

Die Systemaufbauten für den Fußboden mit PVC-Design und mit einem Parkettboden sind den Tabellen 1und 2zu entnehmen. Den Unterschied zwischen geklebter und schwimmender Verlegung dokumentiert Bild 2.

Bild: hm
Bild: hm
2 - Systemaufbauten geklebte und schwimmende Verlegung (Beispiel Designbelagsfußboden) Bild: eigene Darstellung

Energetische Detailbetrachtung und messtechnische Validierung

Für die vier beschriebenen Systemaufbauten wurde zunächst eine Vergleichsbetrachtung zu Messwerten vorgenommen. Die Ergebnisse der stationären numerischen Simulation sind der Tabelle 3 zu entnehmen. Ausgangspunkt der Betrachtungen war die Vorgabe einer Fluidtemperatur. Die Ergebnisse wurden mit Messwerten des Prüfinstitutes HLK-Stuttgart verglichen.

Die Ergebnisse der Tabelle 3 ergeben bei ϑF = 38,85 °C eine Wärmeabgabe von q.i,sim = 89,5 W/m². Diese Wärmeabgabe besitzt eine sehr hohe Übereinstimmung mit dem vom HLK-Stuttgart gemessenen Wert vonq.i,mess = 91,1 W/m². Die Differenz zwischen berechnetem und gemessenem Wert beträgt ∆qi = 1,76 %. Hierbei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Messung ebenfalls fehlerbehaftet ist.

Bild: hm

Die energetischen Kennwerte der schwimmenden Verlegung sind ebenfalls in Tabelle 3 dokumentiert. Festzustellen ist, dass auch bei dieser Variante eine hohe Übereinstimmung mit den gemessenen Kennwerten zu verzeichnen ist. Die Messungen weisen bei den gegebenen Systemtemperaturen einen Wärmestrom von q.i,mess = 93,4 W/m² auf. Dies stellt zu den hier berechneten Werten eine Differenz von ∆q.i = 6,7 % dar. Die Abweichungen sind somit höher als bei der geklebten Variante. Zu berücksichtigen hierbei ist jedoch, dass eine hohe Unsicherheit bei der wirklichen Dicke der „Unterschicht“ (Underlay) vorliegt. Diese Unterschicht wird durch die Masse des Oberbodenbelages zusammengedrückt, wodurch die reale Dicke der Unterschicht sich gegenüber der Produktausführung (Underlay δi,1 = 3 mm) deutlich verringert. In den Berechnungen wurde daher eine resultierende Schichtdicke von δi,1 = 1 mm hinterlegt.

Tabelle 4 enthält die numerischen Simulationsergebnisse der Variante mit Parkettfußboden. Im Vergleich zu den Varianten mit Designbodenbelag werden gleiche „Größenordnungen“ als Differenzen zu den Messungen bestimmt. Das verwendete Berechnungstool ist somit zuverlässig einzusetzen.

Bild: hm

Energetische Systembetrachtung

Mit dem validierten numerischen Simulationsprogramm wurden für einen Raum mit A = 20 m² Grundfläche vereinfachte energetische Berechnungen durchgeführt (vgl. Bild 3/Tabelle 5). Im Gegensatz zur Validierungsuntersuchung wurde hierbei jedoch die Wärmeabgabe in den Raum, aus Gründen der thermischen Behaglichkeit für alle Varianten als gleich angenommen. Mit den unterschiedlichen Systemaufbauten ergaben sich daraus resultierend differierende Fluidtemperaturen.

3 - Modellraum für die energetischen Analysen Bild: eigene Darstellung
Bild: hm

Um einen repräsentativen Vergleich vorzunehmen, wurden zunächst die Außentemperaturen für verschiedene europäische Städte analysiert. Tabelle 5 und Bild 4 zeigen die entsprechenden Kennwerte.

4 - Mittlere Temperatur für die Heizperiode unterschiedlicher europäischer Städte nach /3/ Bild: eigene Darstellung

Wie den Daten der Tabellen und Abbildungen zu entnehmen ist, kann für die Repräsentanz-Station Potsdam eine mittlere Außentemperatur von ϑa,HP = 3,6 °C angenommen werden. Unter Berücksichtigung dieser durchschnittlichen Temperatur ergibt sich für den betrachteten Raum eine Heizlast von q.N,ϑa = 3,6 = 229 W. Bezogen auf eine Grundfläche von A = 20m² resultiert eine spezifische Heizleistung von q.N,ϑa = 3,6 = 11,45 W/m². Diese Heizleistung muss im Raum bei ϑi = 20°C gedeckt werden. Durch den unterschiedlichen Systemaufbau ergeben sich hierfür unterschiedliche Systemtemperaturen. Die berechneten Systemtemperaturen sind der Tabelle 6 zu entnehmen.

Die Ergebnisse der Tabelle 6zeigen, dass zwischen den Verlegarten Unterschiede in den Fluidtemperaturen bestehen. Beim System Designbodenbelag ist eine mittlere Differenz in der Systemtemperatur von ∆ϑ = 0,5K festzustellen. Beim System mit Parkettfußboden sind die Differenzen aufgrund des größeren Widerstandes der Deckschicht geringer und betragen ∆ϑ = 0,33K. Grundsätzlich weisen die Varianten mit geklebtem System eine geringere Systemtemperatur auf als die schwimmend verlegten Bodenbeläge.

Bild: hm

Diese Analysen zeigen, dass sich die Gestaltung des Oberbodenbelages und dessen Verlegeart energetisch auf die Wärmeübergabe, die Wärmeverteilung und die Wärmewandlung auswirken. Die muss künftig besonders bei Systemen mit Wärmepumpentechnologie berücksichtigt werden. Betrachtet man überschlägig die sich einstellenden Heizperioden-Arbeitszahlen mit den in /4/ dokumentierten Gleichungen, so können zwischen den Verlegearten Differenzen von ∆JAZ = 0,04…0,07 festgestellt werden. In Hinblick auf das Oberbodenmaterial ergibt sich eine Spannweite von ∆JAZ = 0,13…0,15.

Zusammenfassung

Die geschilderten Untersuchungen zeigen deutlich, dass das verwendete Berechnungsprogramm die Ergebnisse des eingangs genannten HLK-Prüfberichts sehr gut reproduzieren kann. Die Differenzen in den Ergebnissen hinsichtlich der Leistungsbestimmung sind gering und maßgeblich von den Randbedingungen abhängig. In diesem Zusammenhang ist die „wahre“ Schichtdicke des Unterbodens bei einer schwimmenden Verlegung als Haupteinflussgröße zu benennen.

Mit Blick auf die Thermodynamik lässt sich erkennen, dass mit der schwimmenden Verlegung ein größerer Widerstand zur raumorientierten Seite vorliegt als bei der geklebten Variante.

Des Weiteren weist die Systemvariante mit dem PVC-Designbodenbelag kleinere Systemtemperaturen auf als die Variante mit Parkettboden. Betrachtet man die Effizienzkennwerte für durchschnittliche Verhältnisse, so zeigen die Varianten mit geklebten Systemen einen energetischen Vorteil von ∆JAZ = 0,04…0,07 gegenüber den Varianten mit schwimmend verlegtem Oberbodenbelag.

In Bezug auf das Oberbodenmaterial sind die Differenzen größer: Für den Design-Fußbodenbelag ergibt sich bei der Jahresarbeitszahl ein Vorteil von ∆JAZ = 0,13…0,15 gegenüber dem Parkettfußboden.

Literaturhinweise

  • /1/ Glück, B.: Strahlungsheizung - Theorie und Praxis, VEB Verlag für Bauwesen, 1981

  • /2/ Seifert, J.: Flächenheiz- und Flächenkühlsysteme – Grundlagen Wärmephysiologie – Auslegung – Systemintegration, Springer Vieweg Verlag, 2021

  • /3/ Recknagel, H.; Sprenger, E.; Albers, K. (Hrsg.): Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. München: 77. Auflage, R. Oldenburg Verlag GmbH, 2015. – ISBN 978–3–8356–3301–8

  • /4/ Bongs, C.; et al.: LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden, („LowEx-Bestand Analyse“) / Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, KIT. 2022. – Forschungsbericht

Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert

Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
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Bodenbelag,Verlegeart und Leistungsdaten von Flächensystemen
Seite 50 bis 53
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