Wärmeübergabesysteme bei der energetischen Sanierung: Vorlauftemperatur im Blick

Dieser Beitrag gibt eine Übersicht über zeitgemäße Wärmeübergabesysteme im Bestand, die nicht nur in Kellerräumen und Souterrains eingesetzt werden können, sondern in allen möglichen Bereichen von Wohn- und Nicht-Wohngebäuden.

Mit zeitgemäßen Wärmeübergabesystemen soll im Wesentlichen auf die notwendigen Auslegungs-Vorlauftemperaturen abgezielt werden. Im Fokus stehen dabei wassergeführte Systeme, da diese nicht nur eine vielseitige Wärmebereitstellung/-erzeugung ermöglichen, sondern auch im Gesamten den Anforderungen an Energieeffizienz und thermischer Behaglichkeit entsprechen. Elektrisch betriebene Systeme nehmen lediglich eine untergeordnete Rolle ein, bieten aber gerade für eine temporäre oder unterstützende Ergänzung durchaus Anwendungsoptionen, die mit Bedacht zu erwägen sind. Fakt ist, dass längst die Zeit für Niedrigtemperatursysteme angebrochen ist, um nicht nur einen effizienten Betrieb von Wärmepumpen sowie der Brennwerttechnik zu ermöglichen, sondern auch die Wirkung einer solarthermischen Heizungsunterstützung deutlich zu erhöhen. Aber auch Heizkessel, welche durchaus hohe Temperaturen bereitstellen können, profitieren davon, wenn die Wärmeübergabe geringere Temperaturen verlangt. Das Nachlegen eines Stückholzkessels verringert sich ebenso wie die Anzahl von Pellet-Lieferungen. Pufferspeicher ermöglichen zudem längere Betriebspausen des Wärmeerzeugers und reduzieren Wartungs- und Reinigungsintervalle diverser Heizkessel.

Niedrigtemperatursysteme der Wärmeübergabe

Dementsprechend sollten hochtemperierte Heizkörper längst der Vergangenheit angehören, doch die Wärmeübergabe an den Raum wurde lange unterschätzt. Die Wärmepumpe, aber auch die Brennwerttechnik, hat bereits vor weit mehr als 30 Jahren diesen Weg bereitet. Statt die Wärmeübergabesysteme zu optimieren oder zumindest Heizkörpernischen zu eliminieren, wurden Wärmepumpen zu Hochtemperatur-Wärmepumpen hochgezüchtet und Brennwertgeräte ohne Brennwerteffekt betrieben.

Mittlerweile scheint sich bei den heutigen Wärmeschutz-Standards und vielfältigen Systemen der Wärmeübergabe im sog. Niedrigtemperaturbereich Folgendes durchzusetzen: Es ist keineswegs mehr zeitgemäß, mehr als 45 °C im Auslegungsfall für die Wärmeübergabe an den Raum zu benötigen. Selbst wenn ein Verbrennungskessel vorhanden ist, kann dieser von einem Niedrigtemperatursystem nur profitieren. Die Reduzierung der Betriebsstunden wirkt sich ebenso auf die Effizienz und Energieeinsparung aus wie auf Wartungsund Reinigungsaufwand. In nicht nur einem konkreten Fall war dies möglich durch den Austausch eines Heizkörpersystems mit 60 °C gegen ein Wandheizungssystem mit 40 ° C Auslegungs-Vorlauftemperatur.

In der Praxis sind immer wieder die Bedeutung des Nutzerverhaltens und die thermischen Gebäudeeigenschaften zu beobachten. Insbesondere in erdberührten Räumen und massiven Baukonstruktionen vermag sich ein erhöhtes Wärmespeicherverhalten positiv auf das Wärmeübergabesystem auszuwirken, indem diese Wärmespeicherkapazität aktiv genutzt wird.

Natürlich wirkt sich eine geringe Heizmitteltemperatur auf die Wärmeleistung aus und verlangt größere Heiz- bzw. Wärmeübergabeflächen, als es bei hohen Temperaturen die Notwendigkeit ist. Der Heizkörper war die längste Zeit der unmittelbare Nachfahre des Einzelraumofens. Verwöhnt von der unmittelbaren Verbrennungstemperatur und hoher Wärmeabgabe auf kleinster Fläche, war Heizen immer mit Hitze in Verbindung gesetzt. Niedrige Temperaturen haben stets auch niedrige Übertemperatur zur Folge. Eine bedeutsame Rolle nimmt in der Wärmeübergabe an den Raum neben der Strahlung auch die Konvektion ein. Wärmeleitung ist vernachlässigbar.

Niedrigtemperatur-Konvektion zum Heizen

Die verringerte Wärmeabgabe durch geringere Systemtemperaturen wird bei Niedrigtemperatur-Konvektoren durch die Bauformen des statischen Wärmeübertragers und der entsprechenden Konvektionseinrichtungen kompensiert. Wesentlich ist dabei die Bauart des Wärmeübertragers innerhalb des Konvektors und dessen Luftführung. Die Regelung erfolgt über ein Thermostatventil und die üblichen Einstellbereiche eines „Thermostatkopfes“. Natürlich sind auch Einzelraum- oder Zonenregelungen über Raumthermostate, Zeitschaltprogramme oder Apps usw. möglich. Grundlegend aber ist die Bedienung vergleichbar mit der eines herkömmlichen Heizkörpers. Entscheidender Unterschied ist, dass diese Niedrigtemperatur-Konvektoren mit niedrigen Vorlauftemperaturen betrieben werden können. Je höher diese Konvektoren sind, desto größer ist die Wärmeleistung, da der Konvektionsanteil durch den thermischen Auftrieb der Schachtwirkung erhöht wird. Für eine maximale Wärmeleistung bei niedrigen Systemtemperaturen ist eine Bauhöhe > 600 mm notwendig.

Einige bestehende Heizkörper lassen sich mit einem Gebläse-Set nachrüsten, um den Konvektionsanteil zu erhöhen und somit die reduzierte Wärmeleistung bei niedrigen Vorlauftemperaturen auszugleichen. Allerdings unterscheiden sich die Bauarten und die Wirksamkeit wesentlich. Niedrigtemperatur-Konvektoren werden i. d. R. mit einer Auslegungs-Vorlauftemperatur von 45 °C betrieben.

Gebläse-Konvektoren zum Heizen und Kühlen

Um einerseits die Leistung zu erhöhen und andererseits die Konvektoren in ihrer Bauhöhe kompakter bauen zu können, wurden spezielle Gebläse entwickelt, durch deren Unterstützung die Leistungsabgabe deutlich erhöht werden konnte. Ebenso ermöglicht das Gebläse eine Kühlfunktion, sollte diese gewünscht/benötigt werden. Durch die Unterstützung des Gebläses und optimale Abstimmung mit dem Wärmeübertrager können Gebläse-Konvektoren mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 35 °C betrieben und somit z. B. auch in einen Fußbodenheizkreis integriert werden. Die Regelung ist in den üblichen Weisen möglich. Ein besonderer Vorteil der Gebläse-Konvektoren ist, dass sie ein geringes Gewicht und kompakte Abmessungen haben, und dennoch eine hohe Leistung auch mit sehr niedrigen Vorlauftemperaturen aufweisen. Verschiedene Bauformen und Ausbauvarianten bieten z. B. auch die Möglichkeit, Niedrigtemperatur- Konvektoren mit leistungsfähigen und effizienten Gebläse-Einheiten inklusive Regelung nachzurüsten. Würde ein Keller zu einem Wohnraum umgenutzt und ausgebaut werden, ohne dass an der Heizungsanlage dringender Handlungsbedarf besteht und die bestehende Wärmebereitstellung/-erzeugung den thermischen Mehraufwand durch die neue Wärmeübergabe leisten kann, wäre die Installation von Niedrigtemperatur-Konvektoren eine Möglichkeit, die erstmal mit einer Systemtemperatur von 30 K (55 °C/45 °C) betrieben werden. Wenn irgendwann dann die Erneuerung der Wärmeerzeugung ansteht, kann diese mit einer Umstellung der gesamten Wärmeübergabe auf ein Niedrigtemperatursystem einhergehen.

Flächenheizung/-kühlung

Flächenintegrierte Heiz- und Kühlsysteme mit Wasserdurchströmung wirken durch ihre flächenbezogene Wärmestrahlung. Die Zuführung einer Übertemperatur entspricht dem Heizbetrieb, die Zuführung einer Untertemperatur zum Raum entspräche hingegen einem Kühlbetrieb. Aufgrund der großen thermisch aktivierten Flächen und der thermischen Aktivierung der Bausubstanz (Wärmeverteilschichten etc.) wirken diese Systeme mit den geringsten Vorlauftemperaturen. Eine Flächenheizung ist ein Niedrigtemperatursystem. Im strengen Sinne kann man einerseits in Fußboden- und Deckenheizungen unterscheiden, die einer Oberflächentemperaurbegrenzung von < 33 °C unterliegen, sowie Wandheizungen.

Die normativen Empfehlungen zur maximalen Oberflächentemperatur bei Wandheizungen reichen von 40 (DIN EN 1264) bis 50 ° C (DIN ISO 11855) und erstrecken sich aus dem Niedrigtemperaturbereich in den Mitteltemperaturbereich.

Die thermische Aktivierung von großen, bauwerkintegrierten Oberflächen und Körpern ermöglicht nicht nur, mit geringen Übertemperaturen die Einzelraumheizlasten zu kompensieren, sondern wirkt sich ebenso positiv auf den Wärmekomfort wie auf das Bauwerk insgesamt aus. Bei der Deckenheizung ist die lichte Raumhöhe zu prüfen. Im Kontext der maximalen Oberflächentemperaturen nennt die DIN EN 1264 eine Raumhöhe von 2,7 m. Bei größeren Raumhöhen kann die maximale Oberflächentemperatur erhöht werden. Die Fußbodenheizung verlangt ganz besonders im Keller eine Prüfung des systembedingten Wärmeschutzes einer Flächenheizung/-kühlung. Nicht oder schlecht gedämmte Bodenplatten sind zu beachten. Die Dämmung einer Systemplatte für Fußbodenheizungen ist i. d. R. nach dem Trittschallschutz ausgerichtet. Der Wärmeschutz ist bauseits sicherzustellen. Zwar können Estrichfrässysteme in einem Kellerraum eine Option sein, wenn schon ein Estrich vorhanden ist. Dieser ist aber sachkundig zu prüfen, und man muss sich Klarheit darüber verschaffen, welche Wärmestromdichte an den Raum möglich sein wird. Gegebenenfalls können Defizite mit einer sekundären Heizfläche (Wandheizung, Tiefsttemperatur-Konvektor usw.) ausgeglichen werden.

In Teil 4 definiert die DIN EN 1264 Wärmedurchlass-Widerstände in Abhängigkeit von der Auslegungs-Außentemperatur, um den Wärmeverlust in das Bauteil entgegen dem Raum zu reduzieren. Aus diesen Vorgaben ergibt sich bei einer Auslegungs-Außentemperatur von – 15 °C ein U-Wert von < 0,5 W/m²K bspw. bei einer Außenwand mit Wandheizung. Aber auch bei angrenzenden Räumen, z. B. gegen unbeheizt, geringer oder nur temporär beheizt, gelten Mindest-Wärmedurchlasswiderstände. Dies nicht nur. um das Abwandern von Wärmeströmen zu unterbinden, sondern vielmehr, um sicherzustellen, dass die wirksame Wärmestromdichte entsprechend der Auslegung dem Raum auch zugeführt wird. Diese Orientierung gilt auch für Leistungsangaben von Herstellern verschiedener Systeme der Flächenheizung/-kühlung.

Der systembedingte Mindest-Wärmeschutz ist neben dem Aufbau der Wärmeverteilschicht wesentlich für die Auslegung und Planung einer Flächenheizung/-kühlung.

Wandheizung und Innendämmung

In vielen Fällen ist in Kellerräumen, sollen diese zu Wohnzwecken umgenutzt werden, eine Verbesserung des Wärme schutzes nicht nur sinnvoll, sondern auch notwendig. In Kellern bieten sich vornehmlich Innendämmungen an, da die Außenflächen der thermischen Hülle weitestgehend erdberührt bzw. kaum zugänglich sind. Im Sinne der Nachweisführung zum hygro-thermischen Feuchteschutz wird insbesondere auf die einschlägigen WTA-Merkblätter hin gewiesen. Bei Innendämmsystemen bieten sich Wandheizungssysteme als idealer Sparringspartner im Arbeitsablauf mit einem überschaubaren Arbeitsaufwand an. Wird ein Innendämmsystem angebracht, ist ein gewisser Aufwand notwendig, soll heißen: Die Wandflächen der thermischen Hülle werden vollständig erneuert. Mit einer Dämmstärke von 40 mm und einer Wärmeleitgruppe (WLG) von 040 kann i. d. R. der Transmissions-Wärmeverlust halbiert werden. Dies kommt auch der Wärmeübergabe in geringeren Heizlasten zugute. Eine Wandheizung besitzt überdies den Vorteil, mit einer sehr großen Bandbreite von Systemtemperaturen betrieben werden zu können.

Fazit

Der Markt bietet heute eine Vielzahl von Wärmeübergabesystemen im konsequenten Niedrigtemperaturbereich, welche sich in fachgerechter Ausführung für die energetische Sanierung im Bestand anbieten. Neben Systemen der Flächenheizung/-kühlung sind das auch Konvektoren mit oder ohne Gebläse zum Heizen und/oder Kühlen. In vielen Nicht-Wohngebäuden besitzt heute der Kühlbedarf eine ebenso große Bedeutung wie der Heizbedarf. In Wohngebäuden bietet die Wärmepumpentechnologie auch für Wohngebäude die Doppelfunktion Heizen im Winter und Kühlen im Sommer. Eine zeitgemäße Wärmeübergabe bietet im Sinne eines energieeffizienten Wohnwärmekomforts diese Optionen bei Bedarf. In jedem Fall aber ist eine niedrige Auslegungs-Vorlauftemperatur für jegliche Wärmebereitstellung und -erzeugung, nicht nur für Wärmepumpen und solarthermische Heizungsunterstützung, vorteilhaft und effizienzsteigernd.

Der Autor

Frank Hartmann
Herr Hartmann hat zur Einführung der Energieeinsparverordnung im Jahre 2002 das Forum Wohnenergie gegründet und ist in den Baubereichen Energieeffizienz, Haustechnik, Baubiologie und Kommunikation, in der Projektentwicklung, Beratung von Industrie, Verbänden, Architekten, Bauherren und Entscheidern freischaffend tätig. Er war lange Zeit Mitglied des Gremiums zur DIN 1946 „Lüftung von Wohnungen“ und ist seit 2014 Referent im Fachbereich Flächenheizung/-kühlung des Bundesverbands der Deutschen Heizungsindustrie (BDH).
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