Einsatz von Kunststoff-Kapillarrohrmatten zur Klimatisierung von konventionellen Einfamilienhäusern

Erklärung zur Diplomarbeit

Ich versichere, daß ich diese Diplomarbeit selbständig verfaßt und keine

anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.

Berlin, 30. November 2005

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich allen danken, die mich bei der Erstellung meiner Diplomarbeit unterstützt haben. Insbesondere geht mein Dank an:

Heiko und Sandra für die „Verfügung“ über ihr Haus und ihre Gastfreundschaft, Herrn Dr.-Ing. Roland Hennig, KlimaKontor GmbH, für die Unterstützung bei der Flächenheizung, Herrn Henry Kittner für die Unterstützung bei der Heizkörperheizung, Herrn Thomas Schmeißer und Herrn Neumann, Lufttechnik Schmeißer GmbH, für die Unterstützung bei der Luftheizung sowie Herrn Albrecht Bauke, BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH.

Inhaltsverzeichnis

  Abbildungsverzeichnis  3

Tabellenverzeichnis   4

  Abkürzungsverzeichnis  5

1  Einleitung  6

1.1  Problemaufriß  6

1.2  Ziel der Arbeit  6

1.3  Skizzierung des Untersuchungsgegenstandes  7

1.4  Aufbau der Arbeit  7

1.5  Abgrenzung  8

2  Ausgangssituation  9

2.1  Der menschliche Wärmeaustausch  9

2.2  Einflußgrößen der Behaglichkeit  11

2.3  Die Raumheizsysteme  14

2.3.1  Kunststoff-Kapillarrohrmatten als Flächenheizsystem  14

2.3.2  Konventionelles Heizkörperheizsystem  19

2.3.3  Luftheizsystem  22

3  Untersuchungsgrundlagen  25

3.1  Das Musterhaus  25

3.2  Die Untersuchungsmodelle  26

3.2.1  Modell 1  27

3.2.2  Modell 2  28

3.3  Auslegungsberechnungen  29

3.3.1  Berechnung der Heizlast  29

3.3.2  Berechnung des Jahresheizwärme Jahresendenergiebedarf  30

3.3.3  Berechnung der Kühllast  32

3.3.4  Berechnung des Jahreskälte Jahresendenergiebedarf  32

4  Kostenberechnungen  34

4.1  Kostenarten  34

4.1.1  Investitionskosten  34

4.1.2  Betriebskosten  35

4.1.3  Verbrauchskosten  35

4.2  Kostenentwicklung bei Veränderung der Heizlast  36

1

4.3  Investitionskosten Modell 1  37

4.3.1  Variante A1  37

4.3.2  Variante B1  38

4.3.3  Variante C1  39

4.3.4  Variante A2  40

4.3.5  Variante C2  41

4.4  Investitionskosten Modell 2  41

4.4.1  Variante D1  41

4.4.2  Variante E1  42

4.4.3  Variante F1  44

4.4.4  Variante D2  45

4.4.5  Variante F2  45

4.5  Verbrauchskosten  45

4.5.1  Modell 1  45

4.5.2  Modell 2  46

4.6  Zwischenfazit  47

4.6.1  Kostenverteilung und entwicklung  47

4.6.2  Kostenvergleich Modell 1  48

4.6.3  Kostenvergleich Modell 2  51

4.6.4  Ergebnisauswertung  53

5  Wirtschaftlichkeitsvergleich  54

5.1  Wirtschaftlichkeitsrechnung  54

5.2  Berechnungsgrundlagen für die Modelle  58

5.3  Wirtschaftlichkeitsvergleich Modell 1  61

5.3.1  Annuitätenvergleich Variante A1 und C1  62

5.3.2  Annuitätenvergleich Variante A2 und C2  64

5.4  Wirtschaftlichkeitsvergleich Modell 2  67

5.4.1  Annuitätenvergleich Variante D1 und F1  67

5.4.2  Annuitätenvergleich Variante D2 und F2  69

5.5  Ergebnisauswertung  71

5.6  Ergebniskritik  74

6  Fazit  79

  Literaturverzeichnis  81

  Anhang  

  2  

Abbildungsverzeichnis

  Möglichkeiten der Wärmeabgabe des Menschen  

  Abb 2 1  1

  Anteile der Wärmeabgabe des Menschen (normal bekleidet sitzend  

  Abb 2 1  2

  ohne Luftbewegung)  

  Empfundene Temperatur (Te) in Abhängigkeit der Raumluft  und

   2 2

  Umschließungsflächentemperatur (nach Fanger Roedler Frank)  

  Abb 2 3 1 1 Kunststoff-Kapillarrohrmatte  

  Abb 2 3 1 2 Strahlungs und Konvektionsanteile bei Heizungen  

  Abb 2 3 1 3 Prinzipdarstellung Heizen mit Kapillarrohrmatten  

  Prinzipdarstellung Heizen mit Wandheizkörpern  

  Abb 2 3  2

  Prinzipdarstellung Heizen über Luftzufuhr  

  Abb 2 3  3

  Frontansicht des Musterhauses  

   3 1

  Investitionskostenentwicklung Variante  A1

  Abb 4 3  1

  Investitionskostenentwicklung Variante  B1

  Abb 4 3  2

  Investitionskostenentwicklung Variante  C1

  Abb 4 3  3

  Investitionskostenentwicklung Variante  D1

  Abb 4 4  1

  Investitionskostenentwicklung Variante  E1

  Abb 4 4  2

  Investitionskostenentwicklung Variante  F1

  Abb 4 4  3

  Abb 4 6 2 1 Investitionskostenvergleich Modell  1

  Abb 4 6 2 2 Energiekostenvergleich Modell  1

  Abb 4 6 3 1 Investitionskostenvergleich Modell  2

  Abb 4 6 3 2 Energiekostenvergleich Modell  2

  Abb 5 3 1 1 Annuitätenvergleich Variante A1 C1 (Heizlast 50 )  

  Abb 5 3 1 2 Annuitätenvergleich Variante A1 C1 (Heizlast 100 )  

  Abb 5 3 1 3 Annuitätenvergleich Variante A1 C1 (Heizlast 150 )  

  Abb 5 3 2 1 Annuitätenvergleich Variante A2 C2 (Heizlast 50 )  

  Abb 5 3 2 2 Annuitätenvergleich Variante A2 C2 (Heizlast 100 )  

  Abb 5 3 2 3 Annuitätenvergleich Variante A2 C2 (Heizlast 150 )  

  Abb 5 4 1 1 Annuitätenvergleich Variante D1 F1 (Heizlast 50 )  

  Abb 5 4 1 2 Annuitätenvergleich Variante D1 F1 (Heizlast 100 )  

  Abb 5 4 1 3 Annuitätenvergleich Variante D1 F1 (Heizlast 150 )  

  Abb 5 4 2 1 Annuitätenvergleich Variante D2 F2 (Heizlast 50 )  

  Abb 5 4 2 2 Annuitätenvergleich Variante D2 F2 (Heizlast 100 )  

  Abb 5 4 2 3 Annuitätenvergleich Variante D2 F2 (Heizlast 150 )  

  Strompreisentwicklung in Deutschland seit  1970

  Abb 5 6  1

  Gaspreisentwicklung in Deutschland seit  1970

  Abb 5 6  2

  3  

Tabellenverzeichnis

  Raumluftverunreinigungen und ihre Quellen  

  Tab 2 2  1

  Durchschnittliche tägliche Feuchtelast in Drei-Personen Haushalten  

  Tab 2 2  2

  Raumflächen und volumina des Musterhauses  

   3 1

  Gewählte Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte)  

   3 2

  Auslegungsvarianten Modell  1

  Tab 3 2  1

  Auslegungsvarianten Modell  2

  Tab 3 2  2

  Übersicht Heizlast  

  Tab 3 3  1

  Tab 3 3 2 1 Übersicht Jahresheizwärme Jahresendenergiebedarf Modell  1

  Tab 3 3 2 2 Übersicht Jahresheizwärme Jahresendenergiebedarf Modell  2

  Übersicht Kühllastberechnung  

  Tab 3 3  3

  Tab 3 3 4 1 Übersicht Jahreskältebedarf Modell  1

  Tab 3 3 4 2 Übersicht Jahreskältebedarf Modell  2

  Übersicht Energietarife  

  Tab 4 1  3

  Übersicht Investitionskosten Variante  A1

  Tab 4 3  1

  Übersicht Investitionskosten Variante  B1

  Tab 4 3  2

  Übersicht Investitionskosten Variante  C1

  Tab 4 3  3

  Übersicht Investitionskosten Variante  D1

  Tab 4 4  1

  Übersicht Investitionskosten Variante  E1

  Tab 4 4  2

  Übersicht Investitionskosten Variante  F1

  Tab 4 4  3

  Übersicht Energiekosten Modell  1

  Tab 4 5  1

  Übersicht Energiekosten Modell  2

  Tab 4 5  2

  Übersicht Investitionskosten Energiekosten Modell  1

  Tab 4 6  2

  Übersicht Investitionskosten Energiekosten Modell  2

  Tab 4 6  3

  Übersicht zusätzliche Investitionen für die Sparmaßnahme  

  Tab 5 2  1

  Übersicht Zusätzliche mittlere jährliche Kosten  

  Tab 5 2  2

  Übersicht Energiepreisentwicklung  

  Tab 5 2  3

  Annuitätenvergleich A1 C1 bei einer Nutzungsdauer von 20 Jahren  

  Tab 5 3  1

  Annuitätenvergleich A2 C2 bei einer Nutzungsdauer von 20 Jahren  

  Tab 5 3  2

  Annuitätenvergleich D1 F1 bei einer Nutzungsdauer von 15 Jahren  

  Tab 5 4  1

  Annuitätenvergleich D2 F2 bei einer Nutzungsdauer von 15 Jahren  

  Tab 5 4  2

  Energiepreisvergleich A1 C1 bei einer Nutzungsdauer von 20 Jahren  

  Tab 5 5  1

  Energiepreisvergleich A2 C2 bei einer Nutzungsdauer von 20 Jahren  

  Tab 5 5  2

  Energiepreisvergleich D1 F1 bei einer Nutzungsdauer von 15 Jahren  

  Tab 5 5  3

  Energiepreisvergleich D2 F2 bei einer Nutzungsdauer von 15 Jahren  

  Tab 5 5  4

  4  

Amortisationsdauer Variantenvergleich A2 / C2 Tab. 5.6-1

Amortisationsdauer Variantenvergleich D2 / F2 Tab. 5.6-2

Abkürzungsverzeichnis

Annuität/ Annuitäten A

Dachgeschoß DG

Einfamilienhaus EFH

Erdgeschoß EG

Hochpreisentwicklung H

Hauswirtschaftsraum HWR

Kapitalwert

KW

Niedrigenergiehaus NEH

Referenzpreisentwicklung R

5

1 Einleitung

1.1 Problemaufriß

Schutz und Unterkunft waren lange Zeit die Hauptfunktion von Wohngebäuden. Diese wurden unter den hier herrschenden Klimabedingungen so errichtet, daß sie im Winter möglichst wenig Wärme aus dem Gebäudeinneren verlieren. Die Heizung war oft nur auf eine ausreichende Temperatur im Hauptwohnraum ausgelegt. Mit zunehmendem Wohlstand wurden die Heizungssysteme aufwendiger, ein angenehmes Temperaturniveau konnte in allen Wohnräumen realisiert werden.

Der Anspruch der Nutzer an ein Wohngebäude hat sich in den letzten Jahren weiter gewandelt. Menschen verbringen mehr Zeit in den eigenen vier Wänden, ein Einfamilienhaus wird immer mehr zum Lebensraum. Neben der Beheizung ist ein zunehmendes Interesse an der Kühlung von im Sommer thermisch stark belasteten Räumen, wie z.B. ausgebauten Dachgeschossen, zu verzeichnen. Derartige Verbesserung des Komfort führen aber, bei Einsatz herkömmlicher Technik, unweigerlich zu einer Steigerung des Energieverbrauches. Ein weiter wachsender Energiebedarf für die Klimatisierung von Wohngebäuden ist bei der heute schon angespannten Situation an den Energiemärkten, dem allgemein steigenden Bedarf und Verbrauch fossiler Energieträger und den hieraus resultierenden Umweltbelastungen nicht akzeptabel. Eine Verbesserung des Komfort bei der Beheizung und gegebenenfalls Kühlung von Wohnräumen kann daher nur mit Hilfe effizienterer Anlagentechnik erzielt werden.

1.2 Ziel der Arbeit

In dieser Arbeit wird die Anlagentechnik von Einfamilienhäusern betrachtet. Ein modernes Flächenheizsystem auf der Basis von Kunststoff-Kapillarrohrmatten, dessen Einsatz in der Büroklimatisierung zu deutlichen Energieeinsparungen führt, bildet die Grundlage der Untersuchung. Durch die Gegenüberstellung dieses Systems zu einem gebräuchlichen und einem anderen zeitgemäßen Raumheizsystem soll dessen Eignung für den Einfamilienhausbereich geprüft

6

werden. Insbesondere gilt es herauszufinden, in welchem Maß sich hier durch ein Kapillarrohrmatten-System Energiekosten senken lassen und ob sich die zusätzlichen Investitionskosten amortisieren.

1.3 Skizzierung des Untersuchungsgegenstandes

Am Beispiel eines konventionell errichteten Einfamilienhauses werden zwei Modelle entwickelt. Modell 1 basiert auf dem tatsächlichen Wärmedämmwerten des Hauses und hat einen hohen Heizwärmebedarf. Der energetische Gebäudestandard von Modell 2 entspricht dem eines gut ausgeführten Niedrigenergiehauses.

Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der Beheizung des Gebäudes. Durch verschiedene Kombinationen von Raumheizsystemen mit effektiven Wärmeerzeugern werden für jedes Haus-Modell verschiedene Varianten für den Heizfall erstellt. Es wird im Modell 1 einem Flächenheizsystem aus Kapillarrohrmatten eine herkömmliche Heizkörperheizung und im Modell 2 eine moderne Luftheizung gegenübergestellt.

In einem zweiten Schritt wird neben der Auslegung für den Heizfall auch die Möglichkeit der sommerlichen Kühlung für die im Dachgeschoß gelegenen Wohnräume in die Berechnung mit einbezogen.

1.4 Aufbau der Arbeit

Zu Beginn werden kurz die Grundlagen des menschlichen Wärmeaustausches und die wichtigsten Einflußgrößen der Behaglichkeit beschrieben. Nachfolgend werden die drei verschiedenen Heizungssysteme vorgestellt. Neben der Erläuterung der Funktionsweise wird auch auf Vor- und Nachteile der Systeme bei technischer und energetischer Betrachtung eingegangen.

Anschließend werden die Untersuchungsgrundlagen dargestellt. Hier werden das Musterhaus, die Untersuchungsmodelle und -varianten skizziert sowie die Auslegungsberechnungen für die Heizungs- und Kühlsysteme erläutert.

7

Im folgenden Abschnitt werden die Kostenarten erklärt und alle Berechnungen für die Anlagenvarianten dargestellt und ausgewertet. Abschließend erfolgt eine erste Bewertung über einen Kostenvergleich.

Der Wirtschaftlichkeitsvergleich folgt im anschließenden Kapitel. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Gegenüberstellung der jährlichen Kosten der Anlagen- varianten. In einer abschließenden Bewertung werden die Untersuchungen einer kritischen Betrachtung unterworfen.

1.5 Abgrenzung

Mit dieser Arbeit soll die Eignung von Kunststoff-Kapillarohrmatten für die Klimatisierung von konventionellen Einfamilienhäusern geprüft werden. Hierfür wurden verschiedene Raumheizsysteme und Wärmeerzeuger miteinander kombiniert, der Vergleich erfolgt vornehmlich unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Technische Aspekte werden hauptsächlich zur Erläuterung von Vor- und Nachteilen der verschiedenen Systeme bei der Wärme- oder Kälteabgabe in die Räume betrachtet. Interaktionen zwischen Anlagenteilen, z.B. Lüftung/ Heizung, sollen an dieser Stelle nicht untersucht werden. Dies gilt auch für die Frage der konkreten Montageausführung im betrachteten Musterhaus.

8

2 Ausgangssituation

Die Erhaltung des Wohlbefinden, der Gesundheit sowie der Leistungsfähigkeit von Menschen, die sich in Gebäuden aufhalten, ist die wesentliche Aufgabe von Heizungs- und Klimaanlagen. Hierbei spielen das Behaglichkeitsempfinden der Menschen und der Wärmehaushalt ihres Körpers eine bedeutende Rolle. Nachfolgenden soll daher auf den menschlichen Wärmeaustausch, die wichtigsten Einflußfaktoren der Behaglichkeit und die Raumheizsysteme kurz eingegangen werden.

2.1 Der menschliche Wärmeaustausch

Zur Erhaltung seiner Lebensfähigkeit benötigt der menschliche Körper Wärme. Viele wichtige Organe des Körpers sind für ihre Funktionsfähigkeit auf eine nahezu konstante Temperatur von ca. 37.°C angewiesen. Diese Temperatur muß im Körper, unabhängig von den Umgebungsbedingungen und der augenblicklichen Wärmeproduktion des Körpers aufrechterhalten werden. Die erforderliche Wärme entsteht durch die, mit Hilfe des Luftsauerstoffes, im Körper stattfindende stufenweise Verbrennung von Nahrungsmitteln. Die Art und Intensität der körperlichen Aktivität bestimmt hierbei wieviel Wärme produziert wird. Über den Blutkreislauf wird die Wärme in alle Körperteile transportiert und so das erforderliche Gleichgewicht zwischen der vom menschlichen Körper erzeugten und der von ihm abgegebenen Wärme aufrechterhalten. 1

Der Wärmeausgleich zur Umgebung erfolgt hauptsächlich über die Haut. Hierbei spielen im wesentlichen vier physikalische Vorgänge eine Rolle:

• Wärmestrahlung: Die Wärme wird als elektromagnetischer Strahlung ohne materielle Träger transportiert. Der Mensch strahlt Wärme von der Körperoberfläche an Gegenstände oder Umgebungsflächen (z.B. Wände), die kälter sind als die Hauttemperatur, ab.

• Wärmeleitung: Hier erfolgt der Wärmetransport innerhalb eines Körpers ohne das der Körper sich dabei bewegt oder über Kontaktstellen zweier 1 Vgl. Hausladen (1999), S. 3 ff.

9

sich berührender Körper. Hier ist insbesondere der Kontakt der Füße zum Fußboden zu nennen.

• Konvektion: Die Wärmeübertragung erfolgt durch die Bewegung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums. Freie Konvektion wird durch die Wärme selbst ausgelöst (Aufsteigen erwärmter Raumluft), erzwungene Konvektion wird z.B. durch Ventilatoren hervorgerufen.

• Verdunstung: Diesen Effekt nutzt der menschliche Körper beim Schwitzen. Ausgetretener Schweiß verdunstet an der Körperoberfläche, für die Änderung des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig wird Energie benötigt, die der Haut entzogen wird.

• Des Weiteren wird mit der ausgeatmeten Luft Wärme abgegeben, dessen Anteil aber nur eine untergeordnete Rolle spielt.

Der Mensch kann durch die Art der Bekleidung und seiner körperlichen Aktivität auf diese Faktoren selbst Einfluß nehmen. 2

Abb. 2.1-1: Möglichkeiten Abb. 2.1-2: Anteile der Wärmeabgabe des Menschen (normal bekleidet, sitzend, ohne Luftbewegung) 4

der Wärmeabgabe des Menschen 3

Wie Abbildung 2.1-2 zeigt, sind die einzelnen Anteile an der Wärmeabgabe von der Temperatur der Umgebungsluft abhängig. Sind bei kühleren Temperaturen die Anteile von Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion vorherrschend, steigt der Anteil der Verdunstung an der menschlichen Wärmeabgabe unter sommerlichen Bedingungen stetig an. Ab einer Temperatur von 34.°C beträgt dieser 100 Prozent, was als unbehaglich empfunden wird.

2 Vgl. Hausladen (1999), S. 4 ff; Schramek (2005), S. 45 f; Soller/ Munkelt (1996), S. 18. 3 Quelle: Soller/ Munkelt (1996), S. 18.

4 Quelle: Ebenda, S. 19.

10

2.2 Einflußgrößen der Behaglichkeit

Einen wichtigen Einfluß auf das menschliche Behaglichkeitsempfinden in Räumen haben hauptsächlich die Strahlungstemperatur der Raumoberflächen, die Lufttemperatur und die Raumluftqualität (Schadstoffbelastung, Luftfeuchte und Luftgeschwindigkeit). 5

Die empfundene (auch: operative) Raumtemperatur ist annähernd der Mittelwert aus der Lufttemperatur und der Temperatur der Raumoberflächen. Allgemein sollte die erwünschte Raumtemperatur im Bereich von 18 bis 24.°C liegen. Für die Heizperiode werden 22.°C, im Sommer, durch die leichtere Bekleidung, auch Temperaturen bis 26.°C als behaglich empfunden. Die Raumtemperatur von 30.°C sollte auch im Sommer nicht überschritten werden. 6

Abb. 2.2: Empfundene Temperatur (Te) in Abhängigkeit

der Raumluft- und Umschließungsflächentemperatur (nach Fanger, Roedler, Frank) 7

5 Vgl. Hausladen (1999), S. 4 f; Humm (1998), S. 37 ff.

6 Vgl. Humm (1998), S. 37 ff; Schramek (2005), S. 48 f.

7 Quelle: Humm (1998), S. 38.

11

Eine behagliche Raumtemperatur läßt sich nach Abbildung 2.2 in einem recht breiten Bereich einstellen. Hohe Wandtemperaturen erlauben hierbei die Absenkung der Raumtemperatur bei Beibehaltung gleicher Behaglichkeit. Die Oberflächentemperaturen von Fußböden werden im Bereich von 19.°C bis 26.°C als behaglich empfunden, die von Raumdecken sollten ca. 30.°C nicht überschreiten. 8

Die Faktoren Schadstoffbelastung, Luftfeuchte und Luftgeschwindigkeit lassen sich im wesentlichen durch die Raumbelüftung beeinflussen.

Für das menschliche Wohlbefinden ist insbesondere der Austausch der Raumluft zur ausreichenden Versorgung mit Sauerstoff sowie die Abfuhr von Kohlendioxid und anderen Schadstoffen aus der Atemluft notwendig. Ein mangelhafter Austausch kann von Unwohlsein bis zu chronischen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen. 9

Tab. 2.2-1: Raumluftverunreinigungen und ihre Quellen 10

Bei höheren Temperaturen gewinnt die Luftfeuchte an Bedeutung. Da die Wärmeabgabe von Menschen im Sommer vermehrt über die Verdunstung gesteuert wird, kann eine zu hohe Luftfeuchte die Behaglichkeit beeinflussen. Bei normalen Raumtemperaturen spielt dies aber nur eine untergeordnete Rolle. Auf die Gesundheit von Menschen hat eher eine zu geringe Luftfeuchte

8 Vgl. Hausladen (1999), S. 36; Schramek (2005), S. 51 ff.

9 Vgl. Heinz (2000), S. 17 ff.

10 Quelle: Heinz (2000), S. 18.

12

in der Heizperiode Einfluß. Eine zu trockene Raumluft führt zur Austrocknung der Schleimhäute der Atemwege, deren Funktion dadurch beeinträchtigt wird. Zusätzlich kann es in Räumen zu einer erhöhten Staubbildung kommen. Durch Verschwelung des Staubes an Heizkörpern können Gase entstehen, die zur Reizung der Atemwege führen können. 11 Den größten Einfluß hat eine zu hohe Luftfeuchte auf die Bausubstanz. Eine hohe Gebäudedichtigkeit, wie sie nach heutigen Wärmeschutzstandards gefordert wird, läßt eine Grundlüftung durch z.B. undichte Fugen von Fenster und Türen nicht mehr zu. Die anfallende Feuchte im Gebäude muß zur Vermeidung von Bauschäden und der Schimmelpilzbildung ständig abgeführt werden. Ein möglicher Schimmelpilzbefall ist auf Dauer auch als erhöhte Gefahr für die Gesundheit zu betrachten und daher unbedingt zu vermeiden. Eine ausreichende Raumbelüftung muß sichergestellt werden. 12

Tab. 2.2-2: Durchschnittliche tägliche Feuchtelast in Drei-Personen-Haushalten 13

Durch freie oder erzwungene Luftbewegungen im Raum kann Zugluft entstehen, die von vielen Menschen als besonders unbehaglich empfunden wird. Als wichtigste Einflußfaktoren für Zugluft wären die Luftgeschwindigkeit und deren Schwankungen sowie die Lufttemperatur zu nennen. Im Verhältnis zu den durchschnittlichen Raumtemperaturen, gelten Luftgeschwindigkeiten von 0,12 bis 0,22 m/s im Winter und 0,18 bis 0,26 m/s im Sommer akzeptabel. 14

11 Vgl. Schramek (2005), S. 50.

12 Vgl. Heinz (2000), S. 23 ff.

13 Quelle: Heinz (2000), S. 23.

14 Vgl. Schramek (2005), S. 55 f.

13

2.3 Die Raumheizsysteme

Der vorangegangene Abschnitt hat gezeigt, daß ein als behaglich empfundenes Raumklima von vielen verschiedenen Faktoren abhängig. Nachfolgend soll die ausgewählten Raumheizsysteme kurz vorgestellt werden. Neben der Erläuterung der Funktionsweise wird auch auf Vor- und Nachteile der Systeme bei technischer und energetischer Betrachtung eingegangen.

2.3.1 Kunststoff-Kapillarrohrmatten als Flächenheizsystem

Kunststoff-Kapillarrohrmatten sind seit 1982 als thermisch aktive Flächen im Einsatz. Das bisher größte Anwendungsgebiet liegt im Bereich der Kühlung. Hier dienen sie in Kühldecken zur Abfuhr großer Wärmelasten z.B. aus Büroräumen. Aber auch der Einsatz in kombinierter Kühl- und Heizfunktion im Decken-, Wand- oder Fußbodenbereich ist erfolgreich erprobt.

Grundlegend bestehen Kapillarrohrmatten aus zwei Kunststoff-Stammrohren (20 x 2 mm) an denen im Abstand von 10 bis 30 mm Kunststoffröhrchen (3,35 x 0,5 mm) angeschweißt sind (siehe Abbildung 2.3.1-1). 15 Die Bauform, äußerst dünne Kunststoffröhrchen in sehr dichter Anordnung zu mattenförmigen Bauteilen zusammengefügt, gab den Kapillarrohrmatten ihren Namen.

Abb. 2.3.1-1: Kunststoff-Kapillarrohrmatte 16

15 Aus: Produktinformation der BeKa Heiz- und Kühlmatten GmbH.

16 Quelle: Glück (2003), S. 17.

14

Die Herstellung der Matten aus Polypropylen bietet technische Vorteile: Die Flexibilität von Kunststoff ermöglicht den Einsatz von Kapillarrohrmatten z.B. auch an Deckenwölbungen. Durch die leichte Schweißbarkeit des Kunststoffes sind Mattenform und -größe beliebig wählbar.

Die dünnen Kapillarrohre verringern gleichfalls die Bauhöhe, es bestehen bautechnisch mehr Möglichkeiten für die Installation. Als thermisch aktive Flächen belegen Kapillarrohrmatten darüber hinaus keine Stellflächen im Raum. Sie bieten somit viel Gestaltungsfreiheit und können den Anforderungen und Vorgaben von Architekten sowie Nutzern (z.B. im Bereich des Denkmalschutzes) angepaßt werden. 17

Beim Einsatz von Kapillarrohrmatten zum Heizen und Kühlen nutzt man den Einfluß der Raumumschließungsflächen auf die operative Raumtemperatur. Die großflächig an Decke, Fußboden oder Wänden angeordneten Matten werden, je nach Anwendungszweck, von warmem oder kaltem Wasser durchflossen. Der Wärmeaustausch zwischen Menschen und den thermisch aktiven Flächen erfolgt hierbei weitgehend über Strahlung.

(Strahlungsanteil: Deckenheizung > 70.%, Fußbodenheizung ca. 67.%) 18

Abb. 2.3.1-2: Strahlungs- und Konvektionsanteile bei Heizungen 19

17 Siehe Schramek (2005), S. 1110 ff.

18 Siehe Abbildung 2.3.1-2; vgl. Schramek (2005), S. 935 ff.

19 Quelle: Humm (1998), S. 189.

15

Für die Betrachtung des Heizfalles bietet sich zuerst der Vergleich zur konventionellen Fußbodenheizung an.

Die Wärmeabgabe erfolgt bei beiden Systemen, durch Kapillarrohrmatten bzw. Heizrohrschlangen, großflächig im Raum. Die hauptsächlich durch Strahlung abgegebene Wärme bewirkt im Raum eine gleichmäßige Temperaturverteilung. Insbesondere in Bädern wird der direkte Fußkontakt mit dem warmen Boden als behaglich empfunden. Nachteile für die Behaglichkeit, durch das Absinken abgekühlter Raumluft im Fensterbereich, können durch eine verstärkte Randzonenbeheizung oder durch zusätzliche Wandheizflächen weitgehend ausgeglichen werden. Als maximale Oberflächentemperaturen werden für den Daueraufenthaltsbereich 29.°C, für Randzonen 35.°C und für Bäder 33.°C angegeben 20 .

Herkömmliche Fußbodenheizungen haben einen wesentlichen Nachteil: Die Heizschlangen müssen einige Zentimeter mit Estrich bedeckt sein. Der Fußbodenestrich bildet somit eine große Speichermasse, die sich erst aufheizen muß, bevor eine ausreichende Oberflächentemperatur erreicht wird. Bei Erreichen der gewünschten Raumtemperatur gibt der nun erhitzte Estrich weiterhin Wärme ab. Die kompakte Bauweise der Kapillarrohrmatten und deren geringe Bauhöhe ermöglicht dagegen eine sehr dichte Verlegung unter der Fußbodenoberfläche. Einerseits wird Oberflächentemperatur erreicht, anderseits verbessert sich das gesamte Reaktions- und Regelverhalten der Heizfläche deutlich. 21 Für beide Systeme ist zudem die Wahl des Oberflächenbelages wichtig. Zur verlustarmen Wärmeübertragung sollten Beläge mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. Fliesen, eingesetzt werden.

Kapillarrohrmatten sind auch als Deckenheizung effektiv anwendbar. Sie können hier direkt unter Putz sowie auf oder hinter Gipskartonplatten verlegt oder in jeglicher Art abgehängter Decken montiert werden. 22 Nutzer haben keinen direkten Kontakt zur Heizfläche, Beeinträchtigungen der Behaglichkeit durch Wärmeleitung bestehen somit nicht. Die Deckschicht, z.B. Putz, kann dadurch geringer ausfallen, Beschränkungen bei der Auswahl des

20 Vgl. Schramek (2005), S. 941.

21 Vgl. Glück (2003), S. 8 ff.

22 Siehe Schramek (2005), S.1110 ff.

16