Väterchen Frost die Stirn bieten

Freiflächenheizungen werden in erster Linie dazu eingesetzt, Glätte-Unfälle im Winter zu vermeiden, z. B. auf Treppenstufen oder Wegen. Ein Vorteil ist der automatisierte Betrieb. Ein anderer, Abwärme nutzen zu können. Der Bericht zeigt, wie ein solches Konzept aufgebaut wird und was in der Auslegung beachtet werden sollte.

Eine Freiflächenheizung kann in nahezu jeden Bodenaufbau, wie zum Beispiel in einer betonierten Rampe, Pflasterbelag oder auch – geschützt in einer Schotter-/Splitt- oder Betonschicht – unter ­einer Asphaltdecke eingebaut werden. Die Gestaltung des Bodenaufbaus richtet sich in erster Linie nach der Funktion und den statischen Anforderungen. Das Heizrohr selbst ist dabei nicht lastabtragend. Heizrohre aus PE-Xa zeichnen sich durch eine hohe Kerbschlagzähigkeit aus und können direkt in eine Schotter- oder Splittschicht verlegt werden – es ist keine separate Sandschicht erforderlich. Rohre aus PE-Xa sind robust und sowohl für hohe Temperaturen als auch für Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt geeignet.

Einsatzfelder
Wasserführende Freiflächenheizungen sind robust und langlebig und mit der Anpassung der Vorlauftemperatur ist die Leistung flexibel steuerbar. Die Vorteile einer Freiflächenheizung liegen im automatisierten Betrieb, es muss kein Personal vorgehalten und Streusalz kann vermieden werden. Zudem ist der Einsatz von Abwärme möglich, so wird beispielsweise die Restwärme von Thermalbädern genutzt, um die Wege in Saunagärten und Außenbecken, bei denen der Einsatz von Streusalz kritisch ist, von Glätte frei zu halten.
Weitere Anwendungsbereiche sind unter anderem Tiefgaragenabfahrten oder Hubschrauberlandeplätze von Kliniken, deren Funktion auch in den Wintermonaten gewährleistet sein muss. Ein Sonderfall ist die Rasenheizung, die in der deutschen Bundesliga verpflichtend ist, um auch in den Wintermonaten den Spielbetrieb zu sichern und das Verletzungsrisiko der Spieler zu verringern.

Zur Verlegung
Der Verlegeabstand beträgt, abhängig von Einbautiefe und geforderter Leistung, üblicherweise zwischen 10 und 20 cm. Überwiegend werden die Rohrabmessungen 25 x 2,3 mm und 20 x 2,0 mm verwendet. In wenigen Fällen, wie beispielsweise der einer Treppenheizung, werden auch kleinere Dimensionen eingesetzt. Die Rohre können in eine Verlegeschiene geclipst oder auch an einer Trägermatte befestigt werden. Unter Pflasterbelägen sollten Trägermatten korrosionsgeschützt sein, da Rost durch den Aufbau an die Oberfläche diffundieren und sich auf dem Pflasterbelag abzeichnen kann. Besonderes Augenmerk ist darauf zu richten, dass schmelzender Schnee auch abfließen kann, sei es durch den versickerungsfähigen Aufbau selbst oder durch Rinnen oder Bodenabläufe unmittelbar neben der beheizten Fläche oder innerhalb der beheizten Fläche selbst.

Unter-Dämmung nur in speziellen Fällen
Verlegeabstand und Verlegetiefe des Heizrohres beeinflussen die Heizmitteltemperatur, die erforderlich ist, um die gewünschte Oberflächentemperatur zu erreichen sowie die Reaktionsfähigkeit des Systems. Eine Dämmung unterhalb der beheizten Fläche ist nur in seltenen Fällen erforderlich, zum Beispiel bei einer freitragenden Rampe oder Brücke und auch bei einem hohen Grundwasserspiegel. In diesen Fällen wären die Verluste nach unten ohne Dämmung sehr hoch. Für ein gleichmäßiges Temperaturprofil an der Oberfläche ist eine Rohrverlegung als Doppelmäander oder schneckenförmig in gleichmäßigem Verlegeabstand zielführend. Eine Verlegung als Einfachmäander hat ein ungleichmäßiges Temperaturprofil zur Folge. Sind konstruktionsbedingt Fugen von Betonplatten zu kreuzen, dann ist darauf zu achten, dass auch über den erforderlichen Schutzrohren eine gleichmäßige Beheizung stattfindet.

Eckpunkt I zur praktischen Auslegung
Die Wärmeverteilung wird wie bei einer Industrieflächenheizung realisiert. Die Heizkreise können einzeln an einen Heizkreisverteiler angeschlossen werden oder auch an einen Rohrverteiler mit Tichelmann-Rücklauf. Rohrverbindungen müssen gegen das eingesetzte Frostschutzmittel, in der Regel Ethylen- oder Propylenglycol, beständig sein. Hierzu bieten sich Lösungen wie beispielsweise die O-Ring-freie Schiebehülsenverbindungstechnik an. Aufwand und Kosten für den Einbau der Heizrohre sind vergleichbar mit einer Industrieflächenheizung mit entsprechendem Verlegeabstand.

Weitere Eckpunkte zur praktischen Auslegung
Aufgabe einer Freiflächenheizung ist, bei Gefahr von Glätte eine gleichmäßige, knapp über dem Gefrierpunkt liegende Oberflächentemperatur zu erzielen und diese zu erhalten. Glätte durch Reif oder gefrierende Niederschläge tritt bei einer Außentemperatur unter -8 °C praktisch nicht mehr auf und unterhalb einer Außentemperatur von -12 °C findet in unseren Breiten nahezu kein Schneefall mehr statt. Dies bedeutet für eine Freiflächenheizung, dass eine Auslegung für eine Außentemperatur unterhalb von -12 °C in der Regel nicht erforderlich ist. Eine Oberflächentemperatur von unter 0 °C ist unkritisch, sofern die Oberfläche trocken ist. So ist in den überwiegenden Anwendungsfällen die Auslegung in einem Bereich von 150 W/m² bis 200 W/m² ausreichend.
Die Berücksichtigung einer zusätzlichen Leistung für das Schmelzen von Schnee hängt vom Anwendungsfall ab. Das Schmelzen von Schnee ist energieintensiv. Um beispielsweise 1 cm frisch gefallenen Schnee innerhalb einer Stunde zu schmelzen, wird eine Leistung von rund 100 W/m² benötigt. Während für übliche Wege und Zufahrten eine langsame Schneeschmelze akzeptabel ist, ist bei Rettungswegen und Hubschrauberlandeplätze auf Kliniken gefordert, fallenden Schnee möglichst sofort zu schmelzen. Für derartige Anwendungen kann die Leistung bis 300 W/m² betragen und bei exponierten Flächen übersteigen.
Mit einer wassergeführten Freiflächenheizung ist eine flexible Leistungsabgabe durch Anpassung der Vorlauftemperatur möglich. Sollte im späteren Betrieb eine höhere Leistung erforderlich werden, kann diese bei gleichem Massenstrom mit einer höheren Temperaturspreizung übertragen werden.

Wärmebereitstellung und Regelung
Aufgrund der Verwendung von Frostschutzzusätzen werden Freiflächenheizungen mit einer Systemtrennung und Frostschutzüberwachung des Wärmetauschers an das Heizungsrohrnetz angebunden. Alle verbauten Rohrleitungen und Anlagenkomponenten müssen für das Frostschutzmittel geeignet sein. Bei der Verwendung von zum Beispiel Propylenglycol können üblicherweise Mischer, Pumpen, Ausdehnungsgefäße etc. verwendet werden, die auch bei der Solarthermie eingesetzt werden.
Die Regelung besteht im Prinzip aus einer witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung, die mit einem oder mehreren Oberflächentemperaturfühlern als Referenzgröße ergänzt wird. Diese Fühler können knapp unter der Oberfläche eingebaut werden und sollten sich an Stellen befinden, an denen zuerst Glätte zu erwarten ist, beispielsweise in verschatteten oder exponierten Bereichen, die einer hohen nächtlichen Abstrahlung ausgesetzt sind. Witterungsverhältnisse wie Wind, Sonneneinstrahlung und Niederschläge beeinflussen die Leistungsabgabe an der Oberfläche. Mithilfe der Oberflächentemperaturfühler kann die Vorlauftemperatur bedarfsweise angepasst werden. Schnee- und Eiswarner können ebenfalls in die Regelung eingebunden werden. Jedoch ist hier die Reaktionsgeschwindigkeit des Bodenaufbaus zu beachten.
Die Heizung kann ausgeschaltet oder in einem Stand-by-Betrieb abgesenkt werden, wenn keine Glätte zu erwarten ist, um einen unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden, zum Beispiel bei Außentemperaturen über +5 °C oder unter -12 °C über einen längeren Zeitraum. Die Regelung beeinflusst den Wärmeverbrauch und damit die Energiekosten der Freiflächenheizung. Der Energiebedarf ist aufgrund wechselnder klimatischer Bedingungen sowie Betriebsweisen schwer vorherzusagen.

Ein Fazit
Freiflächenheizungen dienen der Sicherheit auf Verkehrswegen und verhindern im automatisierten Betrieb Glätte dann, wenn es nötig ist. Sie vermeiden den Einsatz von Streusalz und Streusplitt. Wasserführende Systeme sind – bei richtiger Wahl des Rohrwerkstoffes – robust und langlebig. Zudem kann Abwärme genutzt werden und der Einsatz von regenerativer Energie und nachwachsenden Rohstoffen ist möglich. Dadurch ist bei wasserführenden Systemen ein ökonomischer und ökologischer Betrieb möglich.

Autor: Thomas Beck, Senior Engineer ­Produktmanagement Flächenheizung/-kühlung, Rehau AG + Co