Hydraulische Optimierung von Fußbodenheizungen im Bestand

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1 Hydraulische Optimierung von Fußbodenheizungen im Bestand Einfach, schnell und sicher mit dem Rechenschieber IWA 07449??? Für Berechnungen vor Ort - ohne Computer. Ergebnisse ablesen und im Protokollblatt eintragen. So erhalten Sie im Handumdrehen eine solide Grundlage für Ihre Planung

2 Inhalt Einführung... Seite 2 Voraussetzungen... Seite 2 Vorbereitung des Rechenverfahrens... Seite 3 Inhalt des Datenschiebers...Seite 3 Das Rechenverfahren...Seite 4 Rechenbeispiel...Seite 7 Einstellungen...Seite 7 Formeln und Quellen...Seite 9 Arbeitshilfen zur Ermittlung der Heizlast...Seite 10 1

3 Einführung Flächenheizungen in Fußboden und Wand sind im Vergleich zu den herkömmlichen Heizungsanlagen auf der Basis von Heizkörpern sehr träge Systeme. Folgende Kriterien sind deshalb bei der Auslegung und Optimierung zu beachten: Die Erwärmung oder Abkühlung der strahlenden Flächen erfordern wesentlich längere Zeiten. Die Vorlauftemperatur ist mit Rücksicht auf die Materialeigenschaften der Strahlungsflächen wesentlich niedriger, dadurch steht eine geringere Temperaturspreizung für die an den Raum abgegebene Wärmemenge zur Verfügung. Die Behaglichkeit der Wohnraumnutzung muss bei der Auslegung der heizenden Flächen berücksichtigt werden, um eine Überheizung der Aufenthalt- und Randzonen zu vermeiden. Nach dem Einbau der Heizungsrohre ist eine nachträgliche Änderung kaum, oder nur mit hohem Aufwand möglich. Diese Gründe sprechen dafür, dass der Einbau einer Flächenheizung in Neubauten oder im Zuge von Altbausanierung besonders sorgfältig geplant und berechnet werden muss. Für die Auslegung und hydraulische Optimierung von Fußbodenheizungen stehen deshalb umfangreiche Softwarepakete zur Verfügung, die ausgehend von einer Heizlastberechnung nach EN DIN 12831, eine detaillierte Planung aller erforderlichen Baumaßnahmen bis zu den Rohrverlegungsplänen nach der Wärmeschutzverordnung und nach EN 1264 erlauben. Bei Optimierungs- und Sanierungsmaßnahmen im Bestand ist der Einsatz eines derartigen Planungsaufwandes jedoch problematisch, weil viele der hierzu erforderlichen Parameter nicht bekannt sind, oder nur mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand ermittelt werden können. Es ist jedoch möglich, vereinfachte Rechenverfahren durchzuführen, die für kleinere Anlagen (Etagenwohnungen, Einfamilienhäuser etc.) hinreichend genaue Ergebnisse liefern. Hierfür wurde der Datenschieber IWA als Planungshilfe für das Fachhandwerk konzipiert. Man kann damit schrittweise die Einstellungen einer bestehenden Anlage überprüfen und optimieren. Ebenso ist es hiermit möglich, den nachträglichen Einbau einer Fußbodenheizung zu planen und auszulegen. Voraussetzungen: Für die Berechnungen benötigt man den Wärmebedarf der einzelnen Räume nach EN DIN Allerdings ist von einer groben Abschätzung dieses wichtigen Basisparameters aus den oben genannten Gründen dringend abzuraten. 2

4 Sollten die Raumheizlasten nicht bekannt oder vorgegeben sein, können diese mit einfachen Arbeitshilfen hinreichend genau ermittelt werden. Siehe hierzu Kapitel Arbeitshilfen auf Seite 10. Des weiteren muss überprüft werden, ob die für die Heizkreise vorgesehenen Decken- und Wandflächen entsprechend vorbereitet sind und die Dämmung der Energiesparverordnung sowie EN 1264 entspricht. Falls dies nicht der Fall ist, muss festgestellt werden, ob entsprechend nachgerüstet werden kann oder ob eine Befreiung beantragt werden muss. Vorbereitung des Rechenverfahrens für die hydraulische Optimierung einer Fußbodenheizung im Bestand Sofern Verlegepläne der Fußbodenheizung mit den üblichen Daten wie Heizkreisflächen oder Rohrlängen zur Verfügung stehen, können Sie direkt zum nächsten Kapitel weitergehen. Falls Sie jedoch keine näheren Informationen über die installierte Heizung vorfinden und diese noch in Betrieb gesetzt werden kann, hilft Ihnen der Rechenschieber bei der Erhebung der erforderlichen Parameter. Stellen Sie am Verteiler die Nennweite der Heizungsrohre fest. Messen Sie den eingestellten Volumenstrom und den Druckabfall zwischen Eingang und Ausgang jedes Heizkreises und notieren Sie diese Werte. Messen Sie mit einer Infrarotkamera oder einem Fernthermometer den Abstand zwischen zwei Temperaturspitzen der HK-Oberfläche und notieren Sie auch diese Werte. Sie entsprechen dem jeweiligen Verlegeabstand. Nun können Sie mit dem Rechenschieber die heizenden Flächen der einzelnen Heizkreis bestimmen, indem Sie, entsprechend dem Verlegeabstand (Skalen =... R ) den Druckabfall auf die Rohrnennweite stellen und über dem Volumenstrom ) die HK-Fläche ablesen. Sollte die bestehende Heizung nicht mehr in Betrieb gesetzt werden können, müsste man die Flächen der einzelnen Heizkreise an einer geeigneten Stelle öffnen, um die Verlegeabstände zu ermitteln. In diesem Fall dürfte ein kompletter Neubau der Anlage die bessere Lösung sein. Inhalt des Datenschiebers IWA Folgende Parameter liegen dem Datenschieber zu Grunde: Übliche Verlegeabstände von Ra=8 cm bis 24 cm. Sofern ein davon abweichender Abstand vorliegt, kann entweder der nächstliegende Skalenstrich verwendet, oder entsprechend interpoliert werden. 3 Rohrabmessungen: 14x2, 16x2, 18x2, 20x2 Norminnentemperatur: 20 C Sofern die Heizlast der Badezimmer ebenfalls mit ui = 20 C ermittelt wurde, können Sie diese durch eine Multiplikation mit dem Faktor 1,2 auf u = 24 C korrigieren. i

5 Temperaturspreizung des ungünstigsten Heizkreises: 5 K bei einer Aufenthaltszone 3 K bei einer Randzone Wärmeleitzahl des Fußbodenbelags: R l,b = 0,1 m² K/W als Mittelwert für Teppich, dickes Parkett und mit Teppich belegte Fliesen. Die Skalen des Datenschiebers sind durchgehend mit Nummern versehen auf die in der Beschreibung des Rechenverfahrens Bezug genommen wird. Außerdem werden Abbildungen der jeweils verwendeten Skalen gezeigt. Damit können Sie leicht den Gang der Rechnungen erproben und Sicherheit in der Benutzung des Datenschiebers gewinnen. Dem Datenschieber ist ein Protokollblatt als Fotokopiervorlage beigegeben. Fertigen Sie vor Beginn Ihrer Berechnungen hiervon je nach Bedarf Kopien an. Darin können Sie die Parameter und Zwischenergebnisse eintragen. Sie gewinnen so einen Beleg für Ihre Projekt-Dokumentation sowie für Angebote, Baugenehmigungen und Förderanträge. Auf der Rückseite des Protokollblatts finden Sie ein Rechenbeispiel auf das in dieser Anleitung Bezug genommen wird. Das Rechenverfahren: Das Rechenverfahren ist in 10 Arbeitsschritte gegliedert, die logisch und zielgerichtet zu einer hinreichend genauen Planung der Anlage führen. 1. Vorbereitung: Tragen Sie für jeden Heizkreis-Verteiler die Nummern der angeschlossenen Räume und deren Heizkreise in das Protokoll ein. Wenn in dem Raum mehrere HK installiert sind, muss deren flächenmäßige Aufteilung gemessen oder geschätzt werden. Tragen Sie die Normheizlasten hinter den Flächen in das Protokoll ein, sowie nach eventuellen situationsbedingten Korrekturen auch in die Spalte Auslegungsheizlast. Zum Beispiel ist eine Reduzierung möglich oder erforderlich, wenn der Raum zusätzliche Wärmestrahlung empfängt durch: - Zuleitungsrohre - von der Fußbodenheizung eines darüber liegenden Raumes 4

6 - bei Räumen mit höherem Temperaturbedarf, (z. B. Badezimmer). Eine Erhöhung ist zum Beispiel erforderlich, wenn mit einer Wärmeabgabe an einen darunter liegenden unbeheizten Kellerraum zu rechnen ist. 2. Ermittlung der Wärmestromdichten: Nun für jeden Raum die Auslegungsheizlast Skala 2 unter die heizenden Fläche! stellen und die Wärmestromdichte über dem schwarzen Pfeil ablesen. Dabei die Grenzwerte für die Aufenthalts- bzw. Randzonen beachten. In der gleichen Einstellung auf den Skalen & die Vorlauftemperatur entsprechend dem Verlegungsabstand ablesen. Beide Werte in das Protokollblatt eintragen. 3. Der Referenzheizkreis für die Auslegung: Nachdem die Werte aller Räume, wie in Ziff. 2 beschrieben, eingetragen sind, kann der thermisch ungünstigste Heizkreis festgestellt werden. Es ist derjenige, der die höchste Vorlauftemperatur benötigt. Diese wird damit als Auslegungsvorlauftemperatur festgelegt. Auch alle anderen Heizkreise werden mit dieser Vorlauftemperatur betrieben. Ihr geringerer Wärmebedarf wird dadurch berücksichtigt, dass entsprechend niedrigere Rücklauftemperaturen eingeregelt werden, die zu höheren Temperaturspreizungen und dadurch zu höheren Wärmeabgaben führen. Achtung: Bäder und Räume mit eingeschränktem Heizungsbetrieb sollen als Referenz nicht berücksichtigt werden. Für den Referenzheizkreis wird eine Temperaturspreizung von 5 K zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur gewählt, sofern dieser in einer Aufenthaltszone liegt. Liegt er in einer Randzone wird eine Temperaturspreizung von 3 K festgelegt Temperaturspreizung der Heizkreise: Zu deren Ermittlung gehen Sie nun auf die Rückseite des Datenschiebers und stellen in dem, zum Verlegungsabstand gehörenden Fenster Z... F die Wärmestromdichte des Referenzraums über die Spreizung 5 (bzw. über 3im Fall einer Randzone). Nun stehen die Wärmestromdichten der übrigen Heizkreise über der jeweils zugehörigen Spreizung und können ohne weitere Einstellungen direkt abgelesen werden. Tragen Sie diese ebenfalls in das Protokoll ein.

7 5. Volumenströme: Nun können Sie auf der Vorderseite für jeden Heizkreis die Heizlast " über den roten Pfeil stellen und unter der Temperaturspreizung $ den zugehörigen Volumenstrom % ablesen. Tragen Sie auch diese Werte in das Protokoll ein. 6. Förderstrom der Pumpe: Im Protokoll die Volumenströme aller Räume aufsummieren. Die Summe mit Hilfe der Skala am unteren Rand des Protokolls von Liter/min in m ³ /h umrechnen. Damit erhalten Sie den Förderstrom der Pumpe. 7. Druckabfall in den Heizkreisen: Stellen Sie nun den jeweiligen Volumenstrom ) unter die zugehörige Heizkreisfläche ( und lesen bei der Rohrabmessung T und dem Verlegeabstand =... R den Druckabfall im Heizkreis ab. Tragen Sie auch diesen Wert in das Protokoll ein. 8. Druckverlust in der Zuleitung: Für die Ermittlung des Druckabfalls in der Zuleitung steht auf der Vorderseite eine hinreichende Grobabschätzung zur Verfügung. Dabei wird die einfache Länge der Zuleitung vom Wärmeerzeuger zum Verteiler in Fenster L eingestellt. Darunterkann der Druckverlust in den Zuleitungen 30 abgelesen werden. Für größere Anlagen mit mehr als 10 Heizkreisen und längeren Abständen zwischen dem Wärmeerzeuger und den Verteilern wird jedoch 6

8 empfohlen, eine separate Berechnung des Rohrleitungswiderstands und der Einzelwiderstände vorzunehmen. Achtung: Der Wärmebeitrag von Zuleitungen kann je nach Länge sehr erheblich sein und sollte deshalb durch eine entsprechende Verkleinerung der Auslegungsheizlast des betroffenen Raums berücksichtigt werden. Führt z.b. eine Zuleitung durch ein Schlafzimmer so muss dieses ausreichend isoliert werden, da sie nicht durch den Raumthermostat geregelt wird und eine unerwünschte Übertemperatur verursachen kann. 9. Förderhöhe der Pumpe: Den höchsten Heizkreis-Druckverlust im Protokoll aufsuchen. Zu diesem Wert den Druckverlust der längsten Zuleitung hinzuaddieren. Damit erhalten Sie die erforderliche Förderhöhe der Pumpe. 10. Rohrlängen der Heizkreise: Gehen Sie auf die Rückseite des Datenschiebers. Stellen Sie die Heizkreisfläche L unter den Pfeil und lesen Sie über dem Verlegeabstand Y die Rohrlänge ab 30. Rechenbeispiel: Nehmen Sie das Rechenbeispiel auf der Rückseite des Protokollblattes zur Hand. Das darin beschriebene Bauwerk ist ein 1995 errichtetes Einfamilienhaus. Das Erdgeschoss mit ca. 120 m² wird mit einer Fußbodenheizung beheizt, die im Zuge einer Modernisierung des Wärmeerzeugers thermisch und hydraulisch optimiert werden soll. Die Heizkreisflächen, die Rohrnennweiten sowie die Verlegeabstände der HK-Rohre sind bekannt und im Protokoll eingetragen. In der Küche mit 22,7 m² ist eine Aufenthaltszone mit 14,7 m² und eine Randzone mit 8 m² vorhanden. Im Wohnzimmer mit 37 m² gibt es 3 Heizkreise, davon einer als Randzone mit 7 m² entlang einer Fensterfront, sowie zwei weitere mit je 15 m ². Die Randzonen besitzen einen Verlegeabstand von Ra = 8 cm. Die Auslegungsleistungen der Heizkreise wurden entsprechend den Flächenanteilen neu berechnet und in die Spalte Auslegungsleistung des Protokolls eingetragen. 7

9 Einstellungen: Machen Sie sich nun mit den Einstellungen vertraut, indem Sie die einzelnen Heizlasten auf Skala " unter die jeweilige heizende Fläche! stellen und die Wärmestromdichte über dem schwarzen Pfeil mit dem Beispiel vergleichen. Damit können Sie feststellen, dass der Heizkreis 7 mit einer Wärmestromdichte von 70 W/m² und einer Vorlauftemperatur von 43,5 C der thermisch ungünstigste ist und deshalb als Referenzkreis für die Festlegung der Auslegungsvorlauftemperatur gewählt wird. Gehen Sie nun auf die Rückseite des Datenschiebers und stellen Sie auf der Skala P die Wärmestromdichte des Referenzkreises 70 W/m² über die Temperaturspreizung 5K. Nach dieser Einstellung können Sie für die übrigen Kreise unter der jeweiligen Wärmestromdichte die zugehörige Temperaturspreizung ablesen und mit dem Beispiel vergleichen. Achten Sie darauf, dass Sie diese Ablesungen auf der jeweiligen, dem Verlegeabstand entsprechenden Skala vornehmen. Nun können Sie auf der Vorderseite nacheinander für jeden Heizkreis die Heizlast " über den roten Pfeil stellen und unter der jeweiligen Temperaturspreizung $ den Volumenstrom % ablesen. Stellen Sie dann jeden Volumenstrom ) unter die zugehörige heizende Fläche ( und lesen Sie auf der zum Verlegeabstand gehörenden Skala =... R den Druckverlust unter dem Ablesestrich der Rohrabmessung T ab. Rohrlänge der Heizkreise Stellen Sie auf der Rückseite die jeweilige HK-Fläche H unter den Pfeil und lesen Sie über dem Verlegeabstand K die benötigte HK-Rohrleitungslänge ab. Addieren Sie hierzu die jeweiligen Zu- und Rückleitungen zwischen HK und Verteiler. Nun die Länge der Zuleitungen 12 m (einfache Länge) im Fenster L einstellen. Darunter den Druckverlust von Zuleitung, Kessel und Verteiler 130 mbar C ablesen. Diesen Wert bei dem Heizkreis (HK 7) mit dem höchsten Druckverlust (40 mbar) eintragen und beide Drücke addieren. Die Förderhöhe der Pumpe nach der folgenden Formel ausrechnen: H = H + H = = 540 mbar = 5,4 mws Pumpe HK Zuleitung Der Förderstrom der Pumpe ergibt sich aus der Summe der Volumenströme 11,32 l/min (fett umrandete Spalte des Protokolls). Zur Umrechnung der Volumenströme von l/min in m ³ /h für die Pumpe finden Sie eine Skala am unteren Rand des Protokolls. Lesen Sie dort unter 11,32 l/min den Förderstrom der Pumpe 0,68 m ³ /h ab. 8

10 Formeln und Quellen: Wärmestromdichte: q = FH / A HK [W/m ² ] (a) worin FH Normheizlast [W] AHK heizende Fläche [m ² ] q Wärmestromdichte [W/m ² ] Volumenstrom: V = A * q / (1,16 * Du * 60) [l/min] (b) H HK worin Du HK Temperaturspreizung [K] Temperaturspreizung: DuHK = [( uv - ui ) f Ra x 0,33 x q^0,984] x 2 (c) worin uv Vorlauftemperatur [ C] ui Innentemperatur = 20 C = const f Ra Faktor Verlegeabstand Die Gleichung (c) wurde abgeleitet aus dem Leistungsdiagramm für R l,b = 0,1 m² K/W (Seite 207, Manuskript Strahlungsheizung) Quellen: Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff, Dipl.-Ing.Peter Teuber Manuskript Strahlungsheizung Institut für energieoptimierte Systeme Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Wolfenbüttel Der Recknagel 74. Auflage Konzeption und Design Dipl.-Ing. Harald Riehle Made in Germany, EP , Design eingetragen, Zertifizierung: EN 9001:2008 gültig bis Copyright by IWA - F. Riehle GmbH & Co KG Gottlieb Wolfer Str. 6, Denkendorf

11 Arbeitshilfen zur Ermittlung der Heizlast Datenschieber IWA Manueller Heizlastrechner auf der Basis von EN DIN 12831, mit dem man schnell, auch vor Ort, die Raumheizlasten hinreichend genau abschätzen kann. Mit diesem Hilfsmittel kann die Berechnung einer Etage mit fünf Räumen einschließlich Aufmaß in ungefähr einer Stunde erledigt werden. Bezugsquelle siehe App Heizlastrechner IWA Mit dieser iphone-app können im gleichen Algorithmus wie beim Heizlastrechner IWA die Raumheizlasten schnell und genau ermittelt werden. Das Protokoll wird hierbei elektronisch erstellt und kann versendet und ausgedruckt werden. Bezugsquelle siehe oder Google- Suchwort Heizlastrechner IWA. Zum Herunterladen finden Sie auch einen QR-Code auf Seite 10 dieser Broschüre. QR-Code zum Herunterladen der iphone App Heizlastrechner IWA

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