Oventrop „Unidis“ Fußbodenheizung – System mit dezentraler Vorlaufverteilung
Prof. Dr.-Ing. Rainer Hirschberg VDI, Wiesbaden
Bei der energetischen Bewertung von Heizanlagen werden sowohl in national als auch international standardisierten Berechnungsverfahren Einzelraumregelungen für Fußbodenheizung als Regler mit Stellglied betrachtet, die den Heizwasserstrom vom Maximalwert bis zum Absperren drosseln. Innerhalb eines Fußbodenheizsystems mit dezentraler Vorlaufverteilung (siehe Bild 1) werden nunmehr Produkte zur thermostatischen Einzelraumregelung von Fußbodenheizungen angeboten, die einen Bypass besitzen und auf einen Mindest-Heizwasserstrom eingestellt werden können, um ein Auskühlen der Fußbodenheizung zu verhindern. Dadurch wird ein Basis-Leistungsanteil eingebracht und damit eine Basis-Oberflächentemperatur des Fußbodens auch bei geschlossenem Thermostatventil aufrechterhalten. Der Basis-Leistungsanteil passt sich bei außentemperaturabhängigen Vorlauftemperaturen proportional zur Außentemperatur an. Die Auswirkungen auf den Energiebedarf und das Betriebsverhalten sind derzeit nicht zu bewerten, so dass in einer Studie im Auftrag des Herstellers [1] diese Regelung hinsichtlich des Energieaufwands, insbesondere für alle Anlagenteilbereiche, untersucht und die Auswirkungen auf den Betrieb beschrieben wurden.
Einleitung
Die energetische Bewertung von Heizanlagen ist nach nationalen Rechenverfahren Gegenstand von DIN V 18599 [2]. Bei Heizanlagen sind im Anlagenteilbereich Wärmeübergabe verschiedene Einzelraumregelungen für Fußbodenheizungen angegeben. Das dynamische Verhalten bei der Wärmeübergabe, ausgedrückt durch die mittlere Belastung, bleibt hierbei nach DIN V 18599-5 unberücksichtigt.
Die in Richtung des Energieaufwands folgenden Anlagenteilbereiche Wärmeverteilung und Wärmeerzeugung sind aufgrund der hydraulischen Verbindung an die Wärmeübergabe gekoppelt. Sofern sich durch die Einzelraumregelung Änderungen in den mittleren Heizmitteltemperaturen ergeben, haben diese Einfluss auf den Energieaufwand von Wärmeverteilung und Wärmeerzeugung.
Da die thermostatische Reglung mit Bypass eine Regelung ohne Hilfsenergie darstellt, brauchte der elektrische Energieaufwand nicht gesondert untersucht zu werden.
Bei einer thermostatischen Einzelraumregelung mit Bypass (siehe Bild 2) ist zu erwarten, dass durch die Einbringung eines Basis-Leistungsanteils die Auskühlung des Fußbodens reduziert und andererseits die Aufheizzeit verkürzt wird. Damit ändert sich das Betriebsverhalten der Fußbodenheizung deutlich.
Bild 2: Thermostatische Einzelraumregelung mit Bypass (Oventrop „Unibox E BV“)
Der energetische Aufwand für das Wärmeübergabesystem Fußbodenheizung mit thermostatischer Einzelraum-Temperaturregelung und Bypass kann nur bestimmt werden, wenn eine dynamische Gebäude-Anlagensimulation über den Zeitraum eines Jahres durchgeführt und der Energieaufwand ins Verhältnis zum Energiebedarf gesetzt wird. Durch Variation der Auslegungs-Heizmitteltemperaturen und der Rohrabstände der Heizrohrleitungen kann das Betriebsverhalten hinreichend beschrieben werden.
Grundlagen und Simulationsumgebung
Die Untersuchungen wurden an einem Referenzraum durchgeführt, wobei ein Wohnraum mit einer Grundfläche von 48 m² gewählt wurde, der auf seiner Südseite einen vorgebauten Wintergarten besitzt. Diese Raumkombination wurde gewählt, um einerseits die solaren Einträge, die für die Regelung als Störgröße wirken, und andererseits eine gegenüber der Außenlufttemperatur verschobene angrenzende Temperatur im Bereich der Trennwand zwischen Wohnraum und Wintergarten abzubilden. Damit sind die zur Beurteilung des Regelverhaltens und des energetischen Aufwands ungünstigsten Randbedingungen gewählt.
Zur systematischen Auswertung sind
– Verlegung (Rohrabstände) der Heizkreis-Rohrleitungen
– Auslegungsvorlauftemperatur
– Absenkung der Raumsolltemperatur
– Durchgehender und intermittierender Heizbetrieb
– Thermostatische Einzelraumregelung mit und ohne Bypass
variiert und ausgewertet worden.
Als Simulationsprogramm wurde in der vorliegenden Untersuchung TRNSYS (a TraN-sient SYstem Simulation Program) Version 16.1 benutzt. Dieses Programm wird entwickelt und vertrieben von der University of Wisconsin – Solar Energy Laboratory. Die Ergebnisse sind hinsichtlich ihrer Modellbildung und den zugehörigen Ergebnissen in großem Umfang international validiert.
Innerhalb von TRNSYS werden neben dem Gebäudemodell, das die jeweiligen Räume beinhaltet, auch die Randbedingungen und die Anlagenkomponenten in Modulen (in der TRYSYS-Nomenklatur Types) erfasst und miteinander koppelt. Module zur Datenausgabe und zur Erfassung von Gleichungen, die Zwischenrechnungen oder Umrechnungen vornehmen können, gehören ebenso zum gesamten Simulationsmodell wie die einzelnen Regler mit ihren Parametrierungen. Im Gebäudemodell ist auch der Fußbodenaufbau der Fußbodenheizfläche enthalten. Um den Temperaturverlauf innerhalb eines Raumes besser berechnen zu können, wird die gesamte Fußbodenheizungsfläche in Segmente unterteilt.
Die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung kann beliebig vorgegeben werden. Entsprechend der üblichen Betriebsweise wird in den Simulationsrechnungen die außentemperaturabhängige Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Auslegungsvorlauftemperatur als Funktion vorgegeben.
Die Besonderheit des Bypasses bei der Einzelraumregelung wird durch Begrenzung des Regelbereichs im Simulationsmodell berücksichtigt. Bei Regelung ohne Bypass wird der gesamte Auslegungsmassenstrom zur Regelung der Raumtemperatur beeinflusst, während bei Betrieb mit Bypass mit 30 % des Auslegungsmassenstroms nur noch 70 % des Massenstroms geregelt werden.
Die meteorologischen Randbedingen sind aus dem Testreferenzjahr (TRY) des Standorts Würzburg entnommen. Im Testreferenzjahr sind die Wetterdaten (Außenlufttemperatur, direkte und diffuse Strahlung, relative Feuchte, Windrichtung, Bedeckungsgrad usw.) stündlich verfügbar. Hierbei wird ein charakteristischer statistischer Wetterverlauf eines Jahres abgebildet. Bis in die jüngste Zeit ist der Standort Würzburg als Referenzstandort für energetische Vergleichsrechnungen herangezogen worden, weshalb er gleichfalls für die hier durchzuführenden Simulationsrechnungen verwendet wurde.
Der Heizbetrieb wird im Simulationsmodell durch zwei Kalenderfunktionen abgebildet, einer für den täglichen Verlauf der Solltemperaturen und einer einen etwaigen Wochenendbetrieb. Vorliegend wurden die täglichen Anforderungen an die Solltemperatur von 7:00 Uhr bis 23 Uhr eingeführt und kein Absenkbetrieb am Wochenende (beides in Übereinstimmung mit den Nutzenrandbedingungen in DIN V 18599 – Teil 10).
Die für die Simulationsrechnungen benötigten Produktinformationen (detaillierte Eigenschaften des Fußbodenheizungssystems und der „Unibox E BV“) sind in den jeweiligen dynamischen Berechnungsmodellen exakt abgebildet.
Berechnete Varianten und Simulationsergebnisse
Um belastbare Aussagen treffen zu können, ist es erforderlich Variantenrechnungen durchzuführen, wobei die wesentlichen Einflussgrößen zu variieren sind. In der vorliegenden Studie wurden variiert:
Rohrabstand Fußbodenheizung:
– 20 cm , 25 cm, 30 cm
Auslegungs-Vorlauftemperaturen:
– 35 °C , 40 °C, 50 °C
Durchgehender / Intermittierender Heizbetrieb
Sollwertänderung im intermittierenden Heizbetrieb (Absenkung um)
– 1 K ,2 K
Betrieb mit und ohne Bypass (Bypass-Heizwasserstrom 30 %)
In Bild 3 ist zunächst der sich einstellende generelle Effekt der Einzelraumtemperatur-Regelung mit und ohne Bypass auf die Oberflächentemperatur bei einem Rohrabstand von 20 cm dargestellt. Gegenüber dem Tagesbetrieb wird die Solltemperatur im Nichtnutzungsbetrieb um 1 K auf 19 °C abgesenkt. Es ist deutlich erkennbar, dass sich die Oberflächentemperatur im Bypassbetrieb vergleichmäßigt; es kommt zu geringeren Absenkungen in Nichtnutzungszeiten und zu höheren Oberflächentemperaturen in den Nutzungszeiten.
Bild 3: Entwicklung der Oberflächentemperaturen mit und ohne Bypassbetrieb
Der generelle Einfluss des Betriebs mit und ohne Bypass auf die operative (empfundene) Raumtemperatur ist beispielhaft in Bild 4 erkennbar. Dort ist wiederum für Rohrabstand 20 cm und einen herausgegriffenen 2-Wochen-Zeitraum (=336 Stunden) die operative Raumtemperatur angegeben. Aufgrund der höheren Oberflächentemperaturen (siehe Bild 3) ergeben sich durchweg höhere operative Raumtemperaturen beim Betrieb mit Bypass.
Bild 4: Entwicklung der operativen Raumtemperatur mit und ohne Bypassbetrieb
Die generellen Effekte ergeben sich für alle Rohrabstände und für durchgehenden/intermittierenden Betrieb. Es ist ganz offensichtlich, dass das Überschwingen der operativen Raumtemperatur einerseits bei größeren Rohrabständen abnimmt, andererseits aber deutlich von der aktuellen Heizlast und damit mindestens in einem erheblichen Anteil von der Außentemperatur abhängig ist. Für den Betrieb mit Bypass ist es daher unerlässlich, dass die Vorlauftemperatur den außentemperaturabhängigen Anteil entsprechend berücksichtigt, d.h. dass die Vorlauftemperatur außentemperaturabhängig geregelt wird. Deshalb wurde in den weiteren Simulationsrechnungen ein Modul eingesetzt, dass die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit der Auslegungsvorlauftemperatur außentemperaturabhängig berechnet.
Aus einer Vielzahl von Parameterrechnungen und der Überlegung, dass der Heizbetrieb mit Bypass quasi eine konstante Grundleistung einbringt, wurden Berechnungen mit unterschiedlichen Auslegungsvorlauftemperaturen und weiterhin verschiedenen Rohrabständen durchgeführt.
Die Zusammenfassung des Heizbetriebs ohne Bypass bei unterschiedlichen Rohrab-ständen und unterschiedlichen Auslegungsvorlauftemperaturen ist hinsichtlich der operativen Raumtemperatur in Bild 5 aufgetragen.
Bild 5: Entwicklung der operativen Raumtemperaturen ohne Bypassbetrieb – Rohrabstand 20 cm und 30 cm mit verschiedenen Auslegungsvorlauftemperaturen 45 °C und 50 °C
Es ist erkennbar, dass bei beiden Variationen die Sollwerte aufgrund der Regelung des gesamten Massenstroms gut ausgeregelt werden.
Beim Heizbetrieb mit Bypass stellen sich die in Bild 6 dargestellten operativen Raumtemperaturen ein, wobei sich ergibt, dass etwas höhere Überschwingungen der Sollwerte zu verzeichnen sind. Die höchste Überschwingung aufgrund höherer innerer Wärmequellen ist mit ca. 0,25 K nur unwesentlich höher als beim Heizbetrieb ohne Bypass.
Bild 6: Entwicklung der operativen Raumtemperaturen mit Bypassbetrieb – Rohrabstand 20 cm und 30 cm mit verschiedenen Auslegungsvorlauftemperaturen 35 °C und 40 °C
Der analoge zusammenfassende Vergleich hinsichtlich der Oberflächentemperaturen ist für den Betrieb mit Bypass in Bild 7 dargestellt. Aufgrund der Regelung des gesamten Massenstroms beim Heizbetrieb ohne Bypass ergeben sich für die unterschiedlichen Rohrabstände und den zugehörigen Auslegungsvorlauftemperaturen nahezu deckungsgleiche Werte. Bei Heizbetrieb mit Bypass tritt die bereits bekannte Vergleichmäßigung der Oberflächentemperatur hervor, wobei festzustellen ist, dass auch die Maximalwerte kleiner sind als bei Heizbetrieb ohne Bypass (siehe Bild 6).
Bild 7: Oberflächentemperaturen RA 20/30 cm – Vorlauf 35 °C / 40 °C mit Bypass
Beim Heizbetrieb von Fußbodenheizungen und einer Einzelraum-Temperaturregelung mit Bypass (30 %) entstehen die folgenden generellen Effekte:
- Bei Wechsel der Heizlasten z.B. durch innere Wärmequellen, solaren Eintrag usw. erhöhen sich durch den konstanten Anteil des Massenstroms die operativen Raumtemperaturen geringfügig.
- Es findet durch den konstanten Massenstromanteil eine Vergleichmäßigung der Oberflächentemperaturen statt.
- Bei entsprechender Anpassung der Auslegungsvorlauftemperatur verringern sich die Höchstwerte der Oberflächentemperatur leicht.
- Aufgrund des konstanten Massenstromanteils, der zu einer Grundleistung der Fußbodenheizung führt, kann die Auslegungsvorlauftemperatur abgesenkt werden.
- Durch die Vergleichmäßigung der Oberflächentemperaturen, die aus der Grundleistung resultiert, kann im Auslegungsfall ein größerer Rohrabstand gewählt werden.
Daraus ergibt sich für die praktische Auslegung von Fußbodenheizungen, die mit der Einzelraum-Temperaturregelung ohne Bypass betrieben werden sollen, dass für Rohrabstände von 30 cm Auslegungsvorlauftemperaturen von 50 °C bis 55 °C gewählt werden können, die dann eine Wärmestromdichte im ungünstigsten Raum von etwa 100 W/m² decken können. Die gleiche Wärmestromdichte wird beim Betrieb mit Bypass (30 %) erreicht, wenn die Heizkurve der außentemperaturabhängigen Vorlauftemperaturregelung in ihrem Maximalwert auf einen um 10 K niedrigeren Wert eingestellt wird.
Die energetische Bewertung der Einzelraum-Temperaturregelung im Bypassbetrieb kann am Einfachsten über Aufwandszahlen erfolgen [3], die den Energieaufwand ins Verhältnis zum Energiebedarf setzen.
Wenn die Aufwandszahlen nach DIN V 18599 – 5 bestimmt werden, ergibt sich zu-nächst, dass im Bereich der Wärmeübergabe keine Abhängigkeit von der Vorlauf-temperatur bei Fußbodenheizungen angegeben ist, so dass nach diesen Vorgaben keine Erhöhung der Aufwandszahl durch das leichte Überschwingen der operativen Raumtemperatur entsteht.
Im Bereich der Wärmeverteilung bewirkt eine geringere Auslegungsvorlauftemperatur (=Einstellung der Heizkurve um -10 K) eine geringere Wärmeabgabe der Rohrleitungen und Armaturen. Dadurch verringert sich im Bereich von Wohngebäuden die Aufwandszahl der Verteilung um ca. 3 %.
Der Einfluss des Aufbaus eines verteilerlosen Wärmeverteilsystems bei Einsatz von thermostatischen Einzelraumregelungen mit Bypass ist in energetischer Hinsicht noch nicht berücksichtigt.
Durch Heizbetrieb mit insgesamt geringeren Vorlauftemperaturen verringert sich auch der Energieaufwand der Wärmeerzeuger. Bei klassischen Brennwertkesseln verringert sich die Aufwandszahl der Erzeugung um ca. 1 % und bei Wärmepumpen (Sole/Wasser) um ca. 6 %.
Damit können durch den Einsatz der Einzelraum-Temperaturregelung im Bypassbetrieb bei Heizanlagen mit Fußbodenheizung und Brennwertkesseln zusammen ca. 4 % und bei Heizanlagen mit Fußbodenheizung und Wärmepumpen zusammen ca. 9 % Endenergie eingespart werden.
Neben dem Effekt der Energieeinsparung ergibt sich der wirtschaftliche Aspekt durch den Einsatz kleinerer Rohrlängen durch die möglichen größeren Rohrabstände bei gleichzeitiger Absenkung der Auslegungsvorlauftemperatur.
Zusammenfassung
Die vorliegende Studie hat die wesentlichen Effekte beim Einsatz der Einzelraum-Temperaturregelung im Bypassbetrieb bei Fußbodenheizanlagen aufgezeigt. Der Bypassbetrieb führt bei größeren Rohrabständen dazu, dass aufgrund der Grundleistung durch den konstanten Massenstrom die Vorlauftemperatur im Betrieb um ca. 10 K abgesenkt werden kann. Diese Temperaturabsenkung ist die maßgebliche Größe für die sich einstellende Energieeinsparung. Hinsichtlich des Komforts in den beheizten Räumen entstehen keine Defizite durch den Heizbetrieb mit Bypass, die Oberflächentemperaturen vergleichmäßigen sich und die operativen Raumtemperaturen unterscheiden sich nur geringfügig von denen beim Betrieb ohne Bypass mit höheren Auslegungsvorlauftemperaturen.
Literatur
(1) Oventrop GmbH & Co. KG, Paul-Oventrop-Straße 1, 59939 Osberg
(2) DIN V 18599 – Energetische Bewertung von Gebäuden, Beuth-Verlag GmbH, Berlin, 2011
(3) Hirschberg, R., Energieeffiziente Gebäude, Verlagsgesellschaft Rudolf Müller, Köln, 2008
