Heizkreislängen bei Fußbodenheizungen

Dipl.-Ing. Udo Radtke

Seit mehr als 20 Jahren werden mit großem Erfolg Fußbodenheizungen eingebaut. Die Voraussetzungen sind mit jeder neuen Wärmeschutzverordnung besser geworden, weil der spezifische Wärmebedarf q (W/qm) durch verbesserte Wärmedämmaßnahmen gesunken ist. Heutzutage kann, von wenigen Ausnahmen abgesehen, jedes Gebäude mit Fußbodenheizung beheizt werden. Ein niedriger Wärmebedarf bedeutet auch eine niedrige Oberflächentemperatur des Fußbodens und dadurch erhöht sich der Selbstregeleffekt der Fußbodenheizung.

Immer wieder stellt sich die Frage nach der zulässigen Verlegefläche und damit verbunden, der Rohrlänge eines Fußbodenheizkreises. Werte, wie maximal 120 m Rohr je Heizkreis, sind noch aus der Anfangszeit der Fußbodenheizung in Erinnerung geblieben. Wenn nun in einer Berechnung Heizkreislängen von 180 m und mehr auftauchen, dann kommen häufig Zweifel auf, ob das wohl richtig ist.

Maßgebend ist immer die von der Umwälzpumpe am Verteiler der Fußbodenheizung zur Verfügung stehende Förderhöhe, wenn der erforderliche Volumenstrom stimmt. In den meisten Berechnungsprogrammen wird der zulässige Druckverlust der Heizkreise, der nicht überschritten werden soll, individuell vorgegeben.

Das Programm nimmt dann automatisch unter Einhaltung dieses Grenzwertes die Berechnung der Heizkreise vor. Dem Anwender bleiben die internen Rechenschritte verborgen, sie interessieren auch nicht.

Wenn Wasser durch eine Leitung strömt, dann nimmt mit fortschreitender Leitungslänge der statische Druck ab, der dynamische Druck zu. Der Unterschied der Drücke zwischen Rohranfang und Rohrende ist die bekannte Druckdifferenz p. Im Falle des Gartenschlauches herrscht am Ende des Wasseraustritts der atmosphärische Druck.

Soll durch den Gartenschlauch mehr Wasser fließen, so muß man entweder

- den Schlauch verkürzen

- den Druck am Schlauchanfang erhöhen oder

- den Innendurchmesser des Schlauches vergrößern.

Beim Fußbodenheizkreis sind die Zusammenhänge ähnlich. Allerdings herrscht am Kreisende kein atmosphärischer Druck sondern ein höherer, der sich aus den Anlagenbedingungen, insbesondere der statischen Höhe des Kreises und einem gewissen erforderlichen Überdruck für das Membranausdehnungsgefäß ergibt. Maßgebend ist in diesem Fall die Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende des Kreises.

Die Wärmeleistung eines Fußbodenheizkreises ist ausschließlich abhängig von der Wassermenge, die durch die Rohre der Fläche strömt und der Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausgang der Heizrohre. Einflüsse aus dem Fußbodenaufbau, z.B. Bodenbeläge, Rohrabstände etc., werden über die mittlere Wassertemperatur in den Rohren angepaßt.

Bild 1: Wärmeleistung in Abhängigkeit vom Verlegeabstand.

Man muß verstanden haben, daß eine bestimmte geforderte Wärmeleistung in gewissen Grenzen sowohl mit einem engen Verlegeabstand und niedriger Betriebstemperatur, aber auch mit einem größeren Verlegeabstand der Rohre bei höherer Temperatur erreicht werden kann (Bild 1). Ob eine höhere Betriebstemperatur sinnvoll ist, soll hier nicht weiter diskutiert werden.

Für die Größe eines Kreises bzw. dessen Rohrlänge ist immer der vorgegebene, max. zulässige Druckverlust in diesem Kreis maßgebend. Er ist abhängig vom erforderlichen Volumenstrom, der durch das Rohr hindurch muß, dem Rohrdurchmesser und der Länge des Rohres. Der Volumenstrom ist wiederum abhängig von der Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf.

Die Vorgabe einer Temperaturspreizung ist reines Wunschdenken. Liegt die Vorlauftemperatur erst einmal für den ungünstigsten Kreis fest, so gilt sie auch für alle anderen Kreise, denn sie läßt sich ja nicht ändern.

Es kann Räume mit sehr niedrigem Wärmebedarf geben für die die Vorlauftemperatur bei üblicher Spreizung viel zu hoch wäre. Andererseits kann man die Verlegeabstände wiederum nicht zu groß werden lassen. Deshalb muß durch Drosselung des Massenstromes die Spreizung vergrößert werden. Dadurch sinkt dann letztlich die mittlere Heizmittelübertemperatur, die für die Leistung verantwortlich ist.

Tabelle

		Beispiel A		Beispiel B		Beispiel C
1	Rohrlänge (m)	120		120		200
2	spez. Leistung q (W/m²)	100		100		50
3	Rohrleitung T (mm)	300		150		150
4	Spreizung t (K)	10		10		10
5	mögliche Fläche A (m²)	36		18		30
6	Wärmeleistung Q (W)	3600		1800		1500
7	Massenstrom m (kg/h)	310		155		129
8	Rohrdimensionen	20 x 2	17 x 2	20 x 2	17 x 2	20 x 2	17 x 2
9	Druckverlust spez. (mbar/m)	1,2	5,5	0,4	1,4	0,43	1,15
10	Druckverlust ges. (mbar)	144	660	48	168	86	230

Wie man sieht, gibt es Wechselbeziehungen, die sich am besten mit dem Computer bearbeiten lassen. Eine Berechnung von Hand kann eigentlich nur auf der Basis einiger Erfahrungswerte mit anschließender Kontrollrechnung durchgeführt werden. In der Tabelle sind einmal für eine Rohrlänge von 120 m, für die Verlegeabstände 300 und 150 mm, die Ergebnisse zusammengestellt. In beiden Beispielen wurde die spezifische Heizleistung q mit 100 W/qm angenommen.

Die Zeile 10 der Tabelle enthält jeweils den Gesamtdruckverlust des Heizkreises für eine Länge von 120 m. Die Druckverluste in mbar/m können für den jeweiligen Massenstrom aus Bild 2 entnommen werden. Es wurden gleich zwei unterschiedliche Rohrdimensionen, 20 x 2 und 17 x 2 mm berücksichtigt.

Der Gesamtdruckverlust des Kreises ergibt sich für jeweils 120 m Rohrlänge aus Spalte 10. Betrachtet man die Ergebnisse für die Rohrdimension 17 x 2 mm, aus den Beispielen, so erkennt man, daß im Beispiel A ein Druckverlust von 660 mbar, im Beispiel B hingegen nur von 168 mbar auftritt. Der Wert aus Beispiel B ist durchaus akzeptabel und kann unter Einbezug der Druckverluste im Verteiler und den Zuleitungsrohren zum Verteiler von einer üblichen Pumpe abgedeckt werden.

Im Beispiel A hingegen ist ein Druckverlust von 660 mbar nicht mehr akzeptabel. Hier müßte man die angelegte Fläche von 36 m² auf mindestens 20 m² reduzieren, um noch eine vertretbare Druckdifferenz akzeptieren zu können. Allerdings wäre die Verwendung eines Heizrohres der Dimension 20 x 2, anstelle 17 x 2 mm denkbar, weil hierdurch, trotz der großen Fläche von 36 m², nur eine Druckdifferenz von 144 mbar auftreten würde.

Bild 2: Druckverluste von Rohren aus Kunststoffen.

Im Beispiel B könnte man ohne weiteres die Fläche von 18 m² noch um einige m² vergrößern und somit eine größere Rohrlänge als 120 m im Heizkreis hinnehmen, ohne daß dadurch eine in der Praxis zulässige Druckdifferenz von 250 mbar erreicht würde.

Im anschließenden Beispiel C wurde die spezifische Leistung q auf 50 W/m² abgesenkt, gleichzeitig die Rohrlänge im Heizkreis auf 200 m erhöht, woraus sich eine Fläche von 30 m² ergibt.

Betrachtet man das Ergebnis in Spalte 10 der Tabelle, so erkennt man, daß die dort ausgewiesenen Druckverluste ohne weiteres im normalen Rahmen liegen.

Ergibt sich aus der Berechnung einer Gesamtanlage eine relativ hohe Vorlauftemperatur, so müssen Kreise mit geringer Leistung stark gedrosselt werden. Der erforderliche Massenstrom wird dadurch sehr gering und somit auch der Druckverlust. Somit kann es ohne weiteres vorkommen, daß in einem Kreis noch weit mehr als 200 m Heizrohr untergebracht sind, ohne daß dadurch eine kritische Druckdifferenz überschritten wird.

Wenn man früher nur Heizkreislängen bis 120 m zugelassen hat, dann ist man vermutlich davon ausgegangen, daß bei dieser Länge und angemessenen Verlegeabständen bis zu 200 mm, unter Ausschöpfung der Grenzleistung von 100 W/m² in Aufenthaltsbereichen, keine Probleme für die Dimensionierung gebräuchlicher Umwälzpumpen bestanden. Selbst bei einem Verlegeabstand von 300 mm, wie im Beispiel A, wäre bei einer Rohrdimension von 20 x 2 mm kein Problem zu erwarten.

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