Fußbodenkühlung und Kondensation

Bei der Fußbodenkühlung strömt gekühltes Wasser durch dieselben Rohre, die das Haus im Winter heizen. Der Boden nimmt Wärme aus dem Raum auf. Das geschieht leise und ohne Geräte in den Räumen. Die Grenze ist Kondensation. Sie kennen das von einem kalten Glas Wasser an einem Sommertag: Es beschlägt, weil die Luft am Glas so weit abkühlt, dass sie nicht mehr den gesamten Wasserdampf halten kann. Ein ausreichend kalter Boden würde ebenfalls feucht werden. Welche Temperatur dafür ausreicht, hängt von der Raumluft ab. Diese Grenztemperatur heißt Taupunkt.

Wie Fußbodenkühlung funktioniert

Eine umkehrbare Wärmepumpe kann Wärme aus dem Haus hinaus statt hinein transportieren und kühlt damit das Wasser in den Fußbodenkreisen. Die kühle Oberfläche nimmt Raumwärme durch Strahlung und durch Kontakt mit der Luft auf. Weil die Fläche groß ist, muss das Wasser nicht sehr kalt sein. Darum erreicht Fußbodenkühlung einen besseren EER als Gebläsekonvektoren. Der EER, Energy Efficiency Ratio, ist die abgeführte Wärme je Stromeinheit und das Gegenstück zum COP beim Kühlen. Ein Gebläsekonvektor ist ein kleines Raumgerät mit Ventilator, der die Luft über eine kalte Wasserschlange bläst. Es benötigt kälteres Wasser.

Der Assistent bietet Fußbodenkühlung nur mit Fußbodenheizung an, denn sie verwendet denselben Kreislauf, und nur mit einer Wärmepumpe. Eine Luft-Wasser-Anlage arbeitet umgekehrt. Geothermische Kühlung ist passiv: Der Verdichter bleibt aus, und das Bodenwasser überträgt seine Wärme über einen Wärmetauscher an den Erdkreislauf. Es gibt zwei Varianten: nur Fußbodenkühlung oder Fußbodenkühlung mit einer Klimaanlage als Unterstützung für Stunden, in denen der Boden nicht genug leisten kann.

Fußbodenkühlung ist von sich aus sanft. Der Unterschied zwischen Bodenoberfläche und Raumluft bleibt klein, deshalb führt sie Wärme langsamer ab als eine Klimaanlage. Das Modell verwendet beim Kühlen dieselbe Rohrlänge und den gleichen maximalen Wasserdurchfluss wie beim Heizen. Wasser- und Taupunkttemperatur begrenzen die Leistung zusätzlich.

Vorlauftemperatur

Im Modell wird das Kühlwasser mit 18 °C zugeführt. Das ist die Vorlauftemperatur, also die Temperatur des Wassers, das die Wärmepumpe in den Boden schickt. Sie kann im Assistenten nicht geändert werden. EN 14511, die Norm zur Bewertung von Wärmepumpen und Klimaanlagen, und die europäischen Ökodesignregeln bewerten Geräte zur Fußbodenkühlung mit einer Wasseraustrittstemperatur von 18 °C. Die im Modell verwendeten Leistungsdaten gelten für diesen Zustand. Kälteres Wasser würde mehr Kühlleistung bringen, aber den Boden näher an den Taupunkt bringen und den Wirkungsgrad senken.

Warum der Taupunkt wichtig ist

Jede Oberfläche, die kälter als der Taupunkt der umgebenden Luft ist, wird feucht. Der Taupunkt steigt mit der Luftfeuchtigkeit, also der Menge an Wasserdampf in der Luft. Nach der Magnus-Näherung, einer gebräuchlichen Taupunktformel, liegt der Taupunkt bei 24 °C und 55 % relativer Luftfeuchte (dem Anteil des Wasserdampfs, den die Luft bei dieser Temperatur aufnehmen kann) bei ungefähr 14 °C. Bleibt der Boden darüber, bleibt er trocken. An einem feuchten Tag steigt der Taupunkt um mehrere Grad und der Sicherheitsabstand schrumpft.

Kondenswasser auf dem Boden ist ein praktisches Problem. Der Boden kann rutschig werden, Holzböden können Schaden nehmen und Schimmel kann wachsen. Echte Anlagen schützen davor mit einem Taupunktsensor oder einer Taupunktberechnung, die den Vorlauf erhöht oder den Kühlkreis schließt.

Taupunktschutz im Modell

Die Fußbodenkreise verwenden den in das Strahlungsbodenmodell von EnergyPlus eingebauten Kondensationsschutz. EnergyPlus ist die Gebäudesimulationssoftware, die das Modell verwendet. Der Lauf geht in Schritten von 15 Minuten voran, mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe in Schritten von 5 Minuten. Bei jedem Schritt vergleicht EnergyPlus die Bodentemperatur mit dem Taupunkt der Luft in der jeweiligen Zone (einem Geschoss des Hauses) plus 1 K Sicherheitsabstand, also einem Grad. Würde die Oberfläche unter diesen Wert fallen, wird der Fußbodenkreis für diesen Schritt abgeschaltet. Das nennen wir Taupunktschutz. Der Abstand ist fest und keine Einstellung im Assistenten.

Den Taupunkt ermittelt EnergyPlus anhand der Luftfeuchtigkeit in jeder Zone. Diese hängt von der Außenluft ab, die durch Lüftung und Infiltration (Luftleckagen im Gebäude) eintritt, sowie von den Personen im Haus.

Wenn der Schutz den Boden abschaltet, erwärmt sich der Raum, bis sich die Oberflächentemperatur oder der Taupunkt ändert und der Kreis wieder laufen kann. Bei einer Klimaanlage als Unterstützung übernimmt sie in der Zwischenzeit die Last. Bei reiner Fußbodenkühlung kann die Raumtemperatur über den Kühl-Sollwert steigen, also über die von Ihnen gewünschte Höchsttemperatur. Bei einem Raumhöchstwert über 28 °C zeigen die Ergebnisse eine Überhitzungswarnung mit dem Hinweis auf Verschattung oder eine Klimaanlage als Unterstützung.

Grenzen des Modells

Das Modell schaltet den Boden ab. Viele echte Regler erhöhen stattdessen die Vorlauftemperatur oder schließen ein Ventil. An feuchten Tagen führen beide Ansätze zu anderem Komfort und Wirkungsgrad.
Kochen, Duschen und Wäschetrocknen sind keine Feuchtequellen im Modell. Ein Entfeuchter in den Wohnräumen wird ebenfalls nicht abgebildet. Ein Innenpool ist eine eigene Zone mit separater Feuchteregelung.
Der Abstand von 1 K und der Vorlauf von 18 °C sind festgelegt.
Die Ergebnisse zeigen nicht, wie viele Stunden der Taupunktschutz aktiv war.
Eine thermische Simulation weist nicht nach, dass eine Fußbodenkühlung sicher vor Kondensation geschützt ist. Der Installateur muss einen Taupunktsensor oder eine gleichwertige Regelung vorsehen. Das liegt in seiner Verantwortung.