Fußbodenheizung, Heizkörper und witterungsgeführte Regelung

Wie effizient eine Wärmepumpe arbeitet, hängt von der erforderlichen Wassertemperatur ab. Diese Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Wassers, das die Wärmepumpe in den Heizkreis schickt. Zwei Dinge legen sie fest: die Heizflächen in den Räumen, also die Bauteile, die Wärme vom Wasser an die Luft abgeben, etwa Bodenrohre oder Heizkörper, und die Regelung, die die Temperatur im Jahresverlauf anpasst. Beides beeinflusst das Ergebnis.

Warum eine niedrigere Vorlauftemperatur hilft

Eine Wärmepumpe erzeugt keine Wärme. Sie hebt Wärme von der Außenluft auf das Niveau des Wassers im Heizkreis, ähnlich wie eine Pumpe Wasser bergauf befördert. Je wärmer das Wasser, desto länger der Weg und desto mehr Strom kostet jede Wärmeeinheit. Gemessen wird dies mit dem COP (Leistungszahl), also kWh Wärme je kWh Strom. Bei COP 4 liefert eine Kilowattstunde Strom vier Kilowattstunden Wärme. Ein einfacher Elektroheizer liefert eine.

Im Modell stammt der COP für jede Vorlauftemperatur aus den veröffentlichten Herstellertabellen für Wasser mit 35, 45, 55 und 65 °C. Er wird nicht mit einer Korrekturformel berechnet. Bei einem mittelgroßen Gerät und 7 °C außen beträgt der veröffentlichte COP 5.2 für 35 °C Wasser, 3.7 für 45 °C und 2.7 für 55 °C. Das Modell liest die Tabelle jede Stunde bei der tatsächlichen Vorlauftemperatur ab. Ein Heizkörperkreis mit 50 °C liegt daher zwischen den Spalten 45 und 55 °C.

Heizflächen bestimmen die Vorlauftemperatur

Eine Heizfläche überträgt Wärme vom Wasser auf den Raum. Je größer ihre Oberfläche ist, desto kühler kann das Wasser sein. Sie wählen den Typ im Assistenten. Daraus ergibt sich die Auslegungsvorlauftemperatur, also die Temperatur, für die das System an den kältesten Tagen ausgelegt wird.

Bei einer Fußbodenheizung dient der gesamte Boden als Heizfläche. Sie funktioniert gut mit Wasser im unteren Bereich der 30 °C. Das Modell verwendet 35 °C. Niedertemperatur-Heizkörper sind für kühleres Wasser ausgelegt als ältere Heizkörper für Heizkessel. Das Modell setzt 50 °C an. Hochtemperatur-Heizkörper sind typisch für Häuser mit Heizkessel. Das Modell setzt 65 °C an.

Heizkörper werden nach der Referenzbedingung EN 442 von 75/65/20 °C bewertet (einströmendes Wasser, ausströmendes Wasser, Raum). Bei den Temperaturen einer Wärmepumpe ist der Abstand zwischen der mittleren Heizkörperwassertemperatur und der Raumtemperatur viel geringer. Derselbe Heizkörper liefert deshalb deutlich weniger Wärme. Darum braucht ein Haus nach dem Wechsel vom Heizkessel zur Wärmepumpe oft größere Heizkörper oder eine höhere Vorlauftemperatur. Eine höhere Vorlauftemperatur senkt den COP.

Witterungsgeführte Regelung

An einem milden Tag braucht das Haus viel weniger Wärme als am kältesten Tag. Das Wasser muss daher nicht so warm sein. Eine witterungsgeführte Regelung senkt die Vorlauftemperatur automatisch, wenn die Außentemperatur steigt. Die Regel, die aus Außentemperatur die Wassertemperatur macht, heißt Heizkurve.

Das verbessert zwei Dinge. Die Wärmepumpe arbeitet gegen einen kleineren Temperaturhub, daher steigt ihr COP. Außerdem erhält eine schwere Betonplatte, die viel Wärme speichert und langsam wieder abgibt, nicht mehr Wärme, als der Raum benötigt. So sinkt das Risiko, dass die Raumtemperatur über den Thermostat-Sollwert steigt.

Im Modell folgt ein Fußbodenheizkreis einer Heizkurve. Bei einer Außentemperatur von -10 °C oder kälter liegt der Vorlauf auf seiner Auslegungstemperatur von 35 °C. Danach sinkt er linear bis auf 25 °C bei 15 °C außen und bleibt über diesem Wert bei 25 °C. Auch ein Heizkörperkreis folgt einer Heizkurve. An den kältesten Tagen beginnt sie bei seiner Auslegungsvorlauftemperatur (50 °C oder 65 °C) und fällt mit wärmerem Wetter bis auf mindestens 35 °C. Die Kurve ergibt sich aus dem Wärmeabgabeverhalten des Heizkörpers, das etwas schneller wächst als der Abstand zwischen Wasser und Raum (EN-442-Gesetz mit Exponent 1.3), und aus der eingestellten Raumtemperatur. Ein wärmerer Raum braucht wärmeres Wasser. Die Kurve wird abgeleitet und nicht angepasst. Die Wärmepumpentabellen beginnen bei 35 °C. Darunter nutzt das Modell weiter die Werte für 35 °C. Ein Heizkörperkreis erhält an milden Tagen also einen besseren COP. Ein Fußbodenheizkreis, dessen Auslegungsvorlauf bereits 35 °C beträgt, erhält keinen zusätzlichen Vorteil für kühleres Wasser. Steigung (wie schnell das Wasser bei wärmerem Wetter abkühlt) und Parallelverschiebung der Heizkurve können nicht geändert werden.

Heizflächen anhand des Hauses auslegen

Eine Heizfläche, die mehr Wärme verlangt, als die Wärmepumpe liefern kann, fordert nicht verfügbare Wärme an. Die Zusatzheizung, ein elektrischer Heizstab zur Ergänzung der Wärmepumpe, schließt die Lücke mit COP 1. Deshalb legt das Modell die Heizflächen mit derselben Methode der Auslegungsheizlast aus wie die Wärmepumpe.

Für jedes beheizte Geschoss wird eine Auslegungsheizlast berechnet: der Wärmeverlust an einem sehr kalten Auslegungstag, auf den die Heizung ausgelegt wird. Diesen Wert müssen die Heizflächen ebenfalls liefern. Das Modell addiert die Flächen mal U-Wert (wie gut eine Fläche Wärme zurückhält, niedriger ist besser) für Wände, Dach, Boden und Fenster. Dazu kommen Zuschläge für Wärmebrücken (Schwachstellen wie Ecken, an denen Wärme schneller entweicht) und für die Lüftungswärmeverluste. Die Summe wird mit dem Unterschied zwischen 20 °C innen und der Auslegungsaußentemperatur multipliziert, standardmäßig -12 °C.

Der Zuschlag für Wärmebrücken beträgt 0.05 W/m²K bei Häusern ab Baujahr 2015 und 0.10 W/m²K bei älteren Häusern. Die Werte folgen DIN/TS 12831-1, dem deutschen Anhang zu EN 12831-1, der europäischen Methode für Heizlastberechnungen. Der optionale Wiederaufheizzuschlag dieser Norm wird weggelassen. Er berücksichtigt das schnelle Aufheizen nach einer Nachtabsenkung und kann ein gut gedämmtes Haus stark überdimensionieren. Eine zu große Wärmepumpe schaltet häufiger ein und aus und ist teurer im Betrieb.

Der Boden jedes Geschosses erhält eine Leistung (wie viel Wärme er abgeben kann) in Höhe seiner Norm-Heizlast. Jedes Geschoss hat einen zusammengefassten Heizkörper, denn EnergyPlus, das Gebäudesimulationsprogramm, auf dem das Modell basiert, behandelt mehrere Heizkörper in einem Raum wie einen einzigen mit derselben Gesamtleistung. Er ist so ausgelegt, dass er die Norm-Heizlast bei seiner Auslegungsvorlauftemperatur liefert. Der Assistent schlägt dann anhand des Hauses eine Wärmepumpengröße vor.

Gussheizkörper oder Stahl-Flachheizkörper

Der Assistent fragt, woraus Ihre Heizkörper bestehen, denn das Metall und das Wasser darin speichern Wärme und geben sie weiter ab, nachdem das Ventil geschlossen hat. Ein Gliederheizkörper aus Guss, die schwere Bauart, die meist zwischen 1910 und 1970 eingebaut wurde, speichert etwa 66 Joule pro Kelvin je Watt Nennleistung. Ein Flachheizkörper aus Stahl, seit den 1960er Jahren verbreitet, speichert etwa 24. Das sind Mediane aus Herstellerdatenblättern, 50 Modelle aus Guss und die Flachheizkörper von sechs Herstellern. Die Zeitkonstante, also die Zeit, in der ein Heizkörper etwa zwei Drittel seiner Übertemperatur gegenüber dem Raum verliert, liegt bei etwa 60 Minuten für Guss und etwa 20 Minuten für Stahl, bei einem Fünftel der Nennleistung.

Der Typ verändert den Zeitverlauf. Die Auslegung von Heizkörpern und Wärmepumpe bleibt gleich. Nach der Nachtabsenkung bringt das Modell einen Raum mit Stahl-Flachheizkörpern in etwa 15 Minuten zurück auf den Sollwert, mit Guss in etwa 45 Minuten. Über ein Jahr steigt die Energie am Zähler um 0,5 bis 3,5 % gegenüber demselben Haus mit Heizkörpern, die nichts speichern, und mit Guss liegt die stündliche Spitze von Heizkessel oder Wärmepumpe etwa ein Drittel höher, weil das Metall wieder aufgewärmt werden muss.

Wenn Sie unsicher sind, was Sie wählen sollen: Besonders breite, verzierte Gussglieder speichern etwa doppelt so viel wie eine Standardsäule, und Säulenheizkörper aus Stahl liegen nahe bei Guss. Wählen Sie Guss, wenn Ihre Heizkörper Säulen aus Stahl sind. Das Modell verwendet einen Typ für das ganze Haus. Außerdem begrenzt es jeden Heizkörper auf seine Nennleistung, während ein tatsächlich kalter Heizkörper kurz mehr abgibt. Die kalten Morgen mit Guss sind im Modell deshalb eine Obergrenze. Ein echtes Haus kann deutlich weniger davon haben.

Grenzen des Modells

• Heizflächen werden exakt auf die Auslegungsheizlast bemessen. Vorhandene Heizkörper oder Fußbodenheizkreise können Sie nicht eingeben.
• Das Modell setzt eine Heizfläche je Geschoss an, nicht je Raum.
• Für die Lüftungsanteile der Auslegungsheizlast nimmt das Modell bei Häusern ab Baujahr 2015 Wärmerückgewinnung an und bei älteren Häusern keine. Ihre gewählte Lüftungsanlage ändert diese Annahme nicht.
• Die Form der Heizkurven ist festgelegt. Die Heizkörperkurve richtet sich nach der eingestellten Raumtemperatur. Das Modell stellt sie als gerade Linie dar, die nie unter die abgeleitete Kurve fällt. Dadurch kann sie etwas wärmeres Wasser liefern als nötig.
• Die Wärmepumpentabellen reichen von 35 bis 65 °C. Unter 35 °C nutzt das Modell die Werte für 35 °C. Über 65 °C wird die Konfiguration abgelehnt. Ein Heizkörperkreis mit 50 °C erhält daher einen niedrigeren COP als ein Fußbodenheizkreis mit 35 °C, wie bei einer echten Wärmepumpe. Vergleichen Sie den Modell-COP bei Ihrer Vorlauftemperatur mit dem Herstellerdatenblatt.