Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat

Die Antwort auf die Frage, wie eine Fußbodenheizung funktioniert, steckt in der Gleichung der Wärmeübertragung: Die übertragene Wärme hängt vom Produkt aus Fläche und Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Raum ab. Ein Heizkörper gleicht die kleine Fläche durch eine hohe Temperatur aus, eine Fußbodenheizung gleicht die hohe Temperatur durch eine große Fläche aus. Die Wärmemenge kann dabei gleich sein, die erforderliche Wassertemperatur sinkt jedoch von 70-80 °C auf 35-45 °C.

Das Wasser aus dem Wärmeerzeuger gelangt über die Hauptleitung zum Verteiler. Vom Vorlaufbalken des Verteilers verteilt es sich auf den eigenen Kreis jedes Raums; das Rohr durchläuft den Raum in Schnecken- oder Mäanderform im Estrich verlegt und kehrt um 5-8 K abgekühlt zum Rücklaufbalken zurück. Der Estrich umschließt das Rohr, verteilt die Wärme in der Horizontalen und leitet sie gleichmäßig an die Fußbodenoberfläche weiter. Von der Wärme, die von der Oberfläche an den Raum übergeht, werden ca. 50-60 % als Strahlung und der Rest durch natürliche Konvektion übertragen.

Der hohe Strahlungsanteil ist für den Komfort entscheidend. In einem durch Strahlung beheizten Raum kann die Lufttemperatur gegenüber einem Raum mit Heizkörpern bei gleichem Komfort um 1-2 °C niedriger gehalten werden, und jedes 1 °C weniger bedeutet ca. 5-6 % Energieeinsparung. Die allgemeinen Vorteile des Systems werden in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Vorteile der Fußbodenheizung)

Die zweite bestimmende Eigenschaft des Systems ist seine Trägheit. Eine 65-75 mm dicke Estrichschicht hat pro Quadratmeter eine Masse von ca. 140-165 kg, und die Wärmekapazität dieser Masse ist hoch. Nach dem Öffnen des Ventils am Verteiler dauert es typischerweise 1,5-3 Stunden, bis die Fußbodenoberfläche ihre Betriebstemperatur erreicht; nach dem Schließen kühlt sie in ähnlicher Zeit wieder ab. Deshalb ist eine Fußbodenheizung kein System, das häufig ein- und ausgeschaltet wird, sondern eines, das dauerhaft läuft und dessen Vorlauftemperatur nach der Außentemperatur eingestellt wird.

Die Oberflächentemperatur einer Fußbodenheizung ist in dauerhaft genutzten Aufenthaltsbereichen auf ca. 29 °C, in Bädern und Feuchträumen auf ca. 33 °C und in der Randzone entlang der Außenwand auf ca. 35 °C begrenzt. Diese Grenzen sind nicht willkürlich; es sind die Höchstwerte, die die Normenreihe EN 1264 aus Gründen des physiologischen Komforts und der Beständigkeit des Bodenbelags festlegt. Wird die Grenze überschritten, entstehen beim Stehen ein Unbehagen und am Belag Maßveränderungen.

Die Wärmeleistung, die diesen Grenzen entspricht, ergibt sich aus der Flächengleichung der EN 1264: Die pro Flächeneinheit abgegebene Wärme ist gleich dem Produkt aus der Konstante 8,92 und der mit 1,1 potenzierten Differenz zwischen Oberflächen- und Raumtemperatur. Nimmt man im Aufenthaltsbereich 29 °C Oberflächentemperatur und 20 °C Raumtemperatur an, beträgt die Differenz 9 K; 9 hoch 1,1 ergibt ca. 11,2, und 8,92 mal 11,2 gleich ca. 100 W/m². Das heißt: Die höchste Wärme, die einem Standard-Wohnzimmer über den Fußboden entzogen werden kann, beträgt ca. 100 W/m².

Im Bad wird mit derselben Formel gerechnet, jedoch mit einer Raumtemperatur von 24 °C. Bei 33 °C Oberflächentemperatur und 24 °C Raumtemperatur beträgt die Differenz wieder 9 K, und das Ergebnis liegt wieder bei ca. 100 W/m². In der Randzone werden dagegen 35 °C Oberflächentemperatur und 20 °C Raumtemperatur angesetzt; die Differenz beträgt 15 K, 15 hoch 1,1 ergibt ca. 19,7 und das Ergebnis liegt bei ca. 175 W/m². Die Randzone ist ein Streifen von typischerweise 0,8-1,0 m Breite ab der Außenfassade, in dem der Rohrabstand verdichtet wird, um diese hohe Wärmeleistung zu erreichen.

Diese drei Werte sind der schnellste Test für die Projektkontrolle. Ergibt sich für einen Raum ein Wärmeverlust von 110 W/m², lässt sich dieser Raum nicht allein mit Fußbodenheizung beheizen; entweder muss die Dämmung verbessert werden, oder die Differenz wird durch Heizkörper, Handtuchheizkörper oder Fan-Coil gedeckt. Die Auswahl eines zweiten Wärmeabgebers mit niedriger Temperatur in Mischsystemen ist ein eigenes Thema. (Details: Was ist ein Fan-Coil? Unterschiede zwischen 2-Rohr- und 4-Rohr-Fan-Coil-Systemen)

Der Schichtaufbau einer Fußbodenheizung ist von unten nach oben folgender: tragende Decke, Dampfsperre, Wärmedämmung, Rohrschicht mit umlaufendem Randdämmstreifen, Estrich und Belag. Die Reihenfolge der Schichten ist so angelegt, dass sie den Wärmestrom nach oben lenkt und Feuchtigkeit vom Estrich fernhält. Wird die Reihenfolge verletzt, etwa wenn die Dampfsperre auf die Dämmung gelegt wird, nimmt die Dämmung Feuchtigkeit auf, und ihre Wärmeleitfähigkeit steigt.

Der Widerstand der unteren Dämmung variiert je nach Einsatzort. Bei erdberührten Böden wird ein Wärmedurchlasswiderstand von ca. 1,25 m²K/W erwartet, über einem unbeheizten Raum von ca. 0,75 m²K/W und zwischen zwei beheizten Geschossen ebenfalls in der Größenordnung von ca. 0,75 m²K/W. An Stellen wie offenen Durchgängen und Balkonunterseiten steigt dieser Wert bis auf 2,0 m²K/W. Bei EPS-T-Platten erfüllen 30-50 mm, bei XPS 20-40 mm dieses Widerstandsband; die genaue Dicke wird anhand der Wärmeleitfähigkeit der Platte berechnet.

Der Randdämmstreifen ist ein 8-10 mm dicker Schaumstoffstreifen, der der Ausdehnung des Estrichs beim Erwärmen Raum gibt und um den gesamten Wand- und Stützenumfang läuft. Er hat zwei Aufgaben: Er verhindert, dass der Estrich durch Reibung an der Wand reißt, und unterbindet eine Wärmebrücke vom Estrich zur Wand. Wird er vor dem Gießen des Estrichs abgeschnitten oder in den Ecken lückenhaft gelassen, ist das die häufigste Ursache für Estrichrisse nach dem Aufheizen. Nach dem Verlegen des Belags wird der überstehende Teil bündig zur Oberfläche abgeschnitten.

Auch die Estrichfläche ist begrenzt. Ein einzelnes, durch Dehnfugen unterteiltes Estrichfeld soll 40 m², an der längsten Seite 8 m und ein Seitenverhältnis von 2 nicht überschreiten. In Türöffnungen ist eine Fuge zwingend. Muss ein Rohr durch eine Fuge geführt werden, wird es auf mindestens 30 cm Länge mit einem Schutzrohr ummantelt. Wenn ein Kreis durch zwei verschiedene Estrichfelder läuft, wird das Rohr bei Fugenbewegungen beansprucht, was bei der Planung vermieden wird.

Die Estrichdicke einer Fußbodenheizung wird so gewählt, dass über dem Rohr eine Überdeckung von mindestens 45 mm verbleibt. Für ein Rohr mit 16 mm Durchmesser beträgt die Gesamtdicke des Estrichs ca. 61-65 mm, für ein 17-mm-Rohr 62-67 mm und für ein 20-mm-Rohr 65-75 mm. Diese Überdeckung dient dazu, die Last zu verteilen und zu verhindern, dass die Rohrabzeichnung an der Oberfläche als Temperaturschwankung spürbar wird.

Bei zementgebundenen Estrichen sind die Klasse C16/20 und die Verwendung eines Fließmittelzusatzes Standard; ohne Zusatz wird für dieselbe Verarbeitbarkeit Wasser zugegeben, überschüssiges Wasser senkt jedoch die Festigkeit und erzeugt Schwindrisse. Bei Anhydrit-Fließestrichen, also Estrichen auf Calciumsulfatbasis, kann die Überdeckung auf 40-45 mm sinken, da der Fließestrich das Rohr hohlraumfrei umschließt und seine Wärmeleitfähigkeit ca. 20-30 % höher ist als die von Zementestrich.

Der Zusammenhang zwischen Dicke und Trägheit ist direkt. Steigt die Überdeckung von 45 mm auf 70 mm, erhöht sich die Zeit, bis die Oberfläche ihre Betriebstemperatur erreicht, auf etwa das 1,5-Fache; dafür sinkt der Temperaturabfall der Oberfläche über Nacht. Bei Systemen mit Wärmepumpe ist ein dicker Estrich ein Vorteil; in Büros und Schulen, wo eine schnelle Reaktion gewünscht ist, wird Fließestrich mit geringer Überdeckung bevorzugt.

Auch der Wärmedurchlasswiderstand des Belags ist Teil dieser Gleichung. Je höher der Belagswiderstand, desto höher muss für dieselbe Oberflächentemperatur die Vorlauftemperatur sein. Keramik und Naturstein haben mit ca. 0,01-0,02 m²K/W den niedrigsten Widerstand, 14 mm Parkett ca. 0,10 m²K/W, und dicker Teppich liegt über 0,15 m²K/W. Überschreitet der Belagswiderstand 0,15 m²K/W, sinkt die Wärmeleistung um ca. 30-40 %, und in der Planung entspricht das einer Erhöhung der Vorlauftemperatur um 5-8 K.

Das Fußbodenheizungsrohr wird aus vernetztem Polyethylen PE-X oder aus Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit PE-RT hergestellt. PE-X ist ein Rohr, dessen Molekülketten chemisch oder durch Strahlung vernetzt sind, das ein Formgedächtnis besitzt und bei hoher Temperatur eine höhere Kriechfestigkeit aufweist. PE-RT hingegen enthält keine Vernetzung, hat eine gezielt eingestellte Kristallstruktur und lässt sich durch Schweißen verbinden. Beide werden im Betriebsbereich der Fußbodenheizung von 35-45 °C sicher eingesetzt.

Die Antwort auf die Frage PE-X oder PE-RT unterscheidet sich in der Praxis der Ausführung. Die Vergleichspunkte sind folgende:

• Beständigkeit bei Dauerbetriebstemperatur — PE-X in der Größenordnung von 95 °C, PE-RT Typ II in der Größenordnung von 80-90 °C; im 45-°C-Bereich der Fußbodenheizung sind beide mehr als ausreichend
• Formgedächtnis — PE-Xa kehrt beim Erwärmen in seine ursprüngliche Form zurück, ein gequetschter Querschnitt lässt sich reparieren; bei PE-RT gibt es eine solche Reparatur nicht
• Verbindung — PE-RT lässt sich durch Stumpfschweißen und Elektrofusion schweißen, PE-X nimmt nur mechanische oder verpresste Verbindungsstücke an
• Biegeradius — PE-RT ist flexibler und erleichtert die Verarbeitung bei einer in der Randzone auf 5 cm Abstand verdichteten Verlegung
• Sauerstoffsperre — bei beiden Werkstoffen wird zusätzlich eine EVOH-Sperrschicht aufgebracht, der Werkstoff selbst ist sauerstoffdurchlässig
• Kreislänge und Druckverlust — bei gleichem Innendurchmesser ist der Reibungsverlust der beiden Werkstoffe praktisch gleich, die Wahl ändert die Hydraulik nicht
• Welche Lösung passt zu wem — bei Wohnungs- und Villenprojekten überzeugt PE-Xa-Rohr durch einfache Handhabung der Ringbunde und Reparierbarkeit; auf großen gewerblichen Flächen, die geschweißte Verbindungen erfordern, wird PE-RT bevorzugt

In der Praxis gibt es auch eine dritte Option: Mehrschichtverbundrohr mit Aluminiumschicht, also PE-X/AL/PE-X. Die Aluminiumschicht übernimmt zugleich die Funktion einer vollständigen Sauerstoffsperre und senkt die Wärmeausdehnung des Rohrs auf das Niveau eines Metallrohrs; dafür steigen das Gewicht der Ringbunde und die Kostenposition pro Einheit. Dieser Rohrtyp wird häufig bei sichtbaren Anschlüssen an den Verteilerabgängen und bei Deckendurchführungen eingesetzt. Rohre und Anschlussgruppen für Heizungsanlagen können Sie sich auf unserer Produktseite ansehen. (Details: Installationstechnik)

Die Sauerstoffsperre ist eine dünne EVOH-Schicht, die die Sauerstoffdiffusion durch die Wand des Kunststoffrohrs in das System begrenzt, und DIN 4726 beschränkt diesen Durchtritt bei 40 °C auf 0,1 mg pro Quadratmeter Rohroberfläche und Tag. Ein Rohr ohne Sperre lässt ein Vielfaches dieses Werts durch. Der ständige Sauerstoffeintrag in den geschlossenen Kreislauf bedeutet Korrosion der Stahl- und Gussteile im System.

Der Schaden entsteht nicht im Rohr, sondern an den Metallteilen, die das Rohr versorgt. Der Sauerstoff erzeugt zuerst im Kesselgehäuse, im Stahlverteiler, im Pumpengehäuse und im Inneren der Ventile Magnetitschlamm. Dieser Schlamm zirkuliert im Kreis, verstopft die Volumenstromanzeigen am Verteiler, sammelt sich in den Sitzen der Stellantriebe und im Rotorraum einer Nassläuferpumpe und blockiert die Pumpe. Bei einem erheblichen Teil der blockierten Fußbodenheizungspumpen, die wir vor Ort sehen, liegt die Ursache in einem Rohr ohne Sauerstoffsperre.

Der Schutz ist zweistufig. Erstens die Verwendung von Rohr mit Sperrschicht; auf dem Aufdruck auf dem Rohr wird nach dem Vermerk DIN 4726 gesucht. Zweitens die Ergänzung des Kreises um einen Schlammabscheider mit Magnet und einen Mikroblasenabscheider. Wurde in einer bestehenden Anlage ein Rohr ohne Sperre festgestellt, ist es eine praktikable Lösung, das Rohr nicht auszubauen, sondern den Kreis über einen Wärmeübertrager zu trennen, also die Seite des Wärmeerzeugers hydraulisch von der Seite der Fußbodenheizung zu isolieren.

Auch die Wasserqualität gehört zu diesem Thema. In einem geschlossenen Heizkreis begrenzt Füllwasser mit gesenkter Leitfähigkeit und einem pH-Wert im Bereich von 8,2-9,5 sowohl die Korrosion als auch die Kalkablagerung. (Details: Wasseraufbereitung)

Die Antwort auf die Frage, wie groß der Rohrabstand einer Fußbodenheizung sein sollte, hängt vom Wärmeverlust des Raums ab: Üblich sind in Aufenthaltsbereichen 15 cm, in Innenräumen mit geringen Verlusten 20 cm sowie im Bad und in der Randzone zur Außenfassade 10 cm. Je enger der Abstand, desto gleichmäßiger erwärmt sich die Oberfläche bei gleicher Vorlauftemperatur, und desto mehr Wärme wird pro Flächeneinheit abgegeben.

Der Einfluss des Abstands stellt sich grob wie folgt dar. Bei Keramikbelag und 45 °C Vorlauftemperatur liefert ein Abstand von 20 cm eine Leistung von ca. 60-70 W/m², ein Abstand von 15 cm ca. 75-90 W/m² und ein Abstand von 10 cm ca. 95-110 W/m². Die Werte variieren je nach Belagswiderstand, Estrichdicke und mittlerer Wassertemperatur; für genaue Zahlen wird die nach EN 1264 zertifizierte Leistungskennlinie des Rohrherstellers herangezogen.

Der Abstand bestimmt zugleich die Schwankung der Oberflächentemperatur. Bei 20 cm Abstand kann der Unterschied der Oberflächentemperatur zwischen dem Punkt über dem Rohr und dem Punkt zwischen den Rohren bis zu 2-3 K betragen, und dieser Unterschied ist barfuß spürbar. Bei 15 cm liegt der Unterschied typischerweise bei 1-1,5 K, bei 10 cm unter 1 K. Deshalb wird der Abstand im Bad und in barfuß genutzten Räumen auch dann auf 10-12,5 cm verdichtet, wenn der Wärmeverlust es nicht erfordert.

Die Rolle des Rohrdurchmessers ist eine andere. Der eigentliche Unterschied zwischen den Durchmessern 16, 17 und 20 mm liegt nicht in der Wärmeleistung, sondern im transportierbaren Volumenstrom und in der Kreislänge. Bei einem Rohr 16x2 mm beträgt der Innendurchmesser 12 mm, bei 17x2 mm 13 mm und bei 20x2 mm 16 mm. Ein 20-mm-Rohr erlaubt bei gleichem Druckverlust längere Kreise und größere Räume, tut sich aber bei Verdichtungen auf 10 cm Abstand schwer, weil der Biegeradius größer ist. Im Wohnungsbau sind 16 mm und 17 mm die gängige Wahl.

Die Kreislänge einer Fußbodenheizung ist bei 16-mm-Rohr auf ca. 100 m, bei 17-mm-Rohr auf ca. 110 m und bei 20-mm-Rohr auf ca. 120 m begrenzt. Der Grund für die Grenze ist der Druckverlust: Je länger der Kreis, desto höher der Druckbedarf für diesen Kreis, und ein einzelner langer Kreis macht es unmöglich, alle kurzen Kreise am Verteiler abzugleichen.

Die Berechnung erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird der Volumenstrom des Kreises bestimmt: Beträgt der Wärmebedarf eines Raums 1400 W und die ausgelegte Spreizung 7 K, ist der Volumenstrom gleich 1400 geteilt durch 1,163 mal 7, also 1400 geteilt durch 8,141 gleich ca. 172 l/h. Danach wird die Geschwindigkeit geprüft: Die Innenquerschnittsfläche eines Rohrs 16x2 mm beträgt ca. 113 mm², und bei einem Volumenstrom von 172 l/h ergibt sich eine Strömungsgeschwindigkeit von ca. 0,42 m/s. Das Zielband in Fußbodenheizungskreisen liegt bei 0,2-0,5 m/s; unter 0,15 m/s lässt sich keine Luft austragen, über 0,6 m/s beginnen Strömungsgeräusche.

Der zweite Schritt ist der Druckverlust. Bei dieser Geschwindigkeit und diesem Durchmesser liegt der Verlust pro Meter in der Größenordnung von ca. 100-150 Pa. Für einen Kreis von 100 m ergibt das insgesamt ca. 10-15 kPa, also 1,0-1,5 mWS. Kommen die Verluste der Volumenstromanzeige am Verteiler, des Sitzes des Stellantriebs und der Hauptleitung hinzu, wird pro Kreis ein Gesamtwert von 20-25 kPa, also 2,0-2,5 mWS, erreicht. Die Förderhöhe der Pumpe wird entsprechend diesem Wert gewählt.

Auch die Flächenentsprechung der Kreislänge lässt sich direkt berechnen. Bei 15 cm Abstand werden für einen Quadratmeter ca. 6,7 m Rohr benötigt; ein Kreis von 100 m deckt eine Fläche von ca. 15 m² ab. Bei 20 cm Abstand werden 5 m/m² benötigt, derselbe Kreis reicht für 20 m². Bei 10 cm Abstand werden 10 m/m² benötigt, und ein Kreis von 120 m deckt nur 12 m² ab. Ein Wohnzimmer von 30 m² wird deshalb nicht mit einem Kreis, sondern mit zwei abgeglichenen Kreisen verlegt.

Dass die Kreise ähnlich lang sind, ist für den einfachen Abgleich wichtig. Befinden sich an demselben Verteiler ein Kreis von 40 m und ein Kreis von 110 m nebeneinander, zieht der kurze Kreis das gesamte Wasser an sich, und der lange Kreis wird nicht ausreichend warm. Die Faustregel lautet: Der Unterschied zwischen dem längsten und dem kürzesten Kreis am selben Verteiler soll 30 % nicht überschreiten. Ist ein Unterschied unvermeidlich, wird der kurze Kreis über die Volumenstromanzeige am Verteiler gedrosselt.

Der Heizkreisverteiler einer Fußbodenheizung ist ein Manifold aus Edelstahl oder Messing, der das aus der Hauptleitung kommende Wasser auf die Raumkreise verteilt und die Rückläufe sammelt und an dem sich Organe zur Volumenstrommessung und Absperrung befinden. Der Vorlaufbalken trägt in der Regel die Volumenstromanzeigen, der Rücklaufbalken die Ventilsitze, auf denen die thermischen Stellantriebe sitzen. Der Verteilerschrank wird in die Wand eingelassen und möglichst nahe am räumlichen Schwerpunkt der Kreise angeordnet.

Die Komponenten und Aufgaben einer Verteilergruppe sind folgende:

• Volumenstromanzeige — lässt den Volumenstrom jedes Kreises in l/min am Schwimmer im durchsichtigen Rohr ablesen, typische Skala 0-2 l/min oder 0,5-5 l/min; das sichtbare Werkzeug des hydraulischen Abgleichs
• Thermischer Stellantrieb — ein Element, das auf das Signal des Raumthermostats die Ventilspindel verschiebt, mit 24 V oder 230 V versorgt wird, 2-3 W aufnimmt und für das vollständige Öffnen 3-5 Minuten braucht
• Regelbox (Anschlussbox) — ein Schaltschrank, der die Signale von Thermostat, Stellantrieb und Pumpe an einem Punkt zusammenführt und ein Relais für den Pumpenbetrieb enthält
• Automatischer Entlüfter und Füll- und Entleerhahn — sitzen an den Enden beider Balken des Verteilers und dienen der Entlüftung und dem Spülen der Kreise
• Kugelhahnpaar — trennt den Verteiler von der Hauptleitung und ermöglicht Eingriffe bei der Wartung, ohne das System zu entleeren
• Vorlaufbegrenzer mit Thermometer oder Thermostat — verhindert, dass die Vorlauftemperatur den eingestellten Höchstwert überschreitet, und ist ein Sicherheitselement für Belag und Estrich
• Verteilerschrank — ein Blechschrank mit 110-150 mm Tiefe bei Unterputzmontage, der Platz für Stellantriebe und Kabeldurchführungen lässt

Unter den Verteilermarken sind die Verteilergruppen von Caleffi wegen der Skala ihrer Volumenstromanzeige und der Kompatibilität mit der modularen Mischergruppe weit verbreitet. Auch die Gruppen von Watts und Danfoss bieten dieselben Funktionen mit anderen Anschlussmaßen. Bei der Auswahl sind die Zahl der Kreise, die Größe des Abgangsgewindes, der Anschlussstandard des Stellantriebs und die Frage zu beachten, ob das Gehäuse aus Edelstahl oder Messing besteht. Die vollständige Liste der Marken, die wir führen, können Sie einsehen. (Details: unsere Markenseite)

Der hydraulische Abgleich wird am Verteiler vorgenommen, seine Logik betrifft jedoch die gesamte Anlage. Der berechnete Volumenstrom jedes Kreises wird in den an der Anzeige abzulesenden Wert umgerechnet; beispielsweise bedeuten 172 l/h ca. 2,9 l/min, und der Schwimmer wird so gedrosselt, dass er auf diesen Wert eingestellt ist. Nachdem alle Kreise eingestellt sind, wird eine Kontrollrunde durchgeführt, weil das Drosseln eines Kreises den Volumenstrom der übrigen erhöht. Das Gegenstück zum Abgleich auf Kreisebene auf der Armaturenseite ist ein eigenes Thema. (Details: Was ist ein Danfoss-Strangregulierventil und warum wird es in Heiz- und Kühlsystemen eingesetzt?)

Die Mischergruppe ist die Baugruppe, die die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung von 35-45 °C erzeugt, indem sie das Wasser aus dem Hochtemperatur-Hauptkreis mit kaltem Wasser aus dem Verteilerrücklauf mischt. Ihr Kernstück ist das Dreiwegemischventil: Es hat zwei Eingänge, einen von der heißen Quelle und einen vom Kreisrücklauf; der einzige Ausgang ist an den Vorlaufbalken des Verteilers angeschlossen. Der Öffnungsgrad des Ventils bestimmt die Mischtemperatur.

Die Stellung des Ventils wird nach einem von zwei Verfahren angesteuert. Bei Gruppen mit Thermostatkopf wird auf das Ventil ein im Bereich von 20-50 °C einstellbares Thermostatelement aufgesetzt; der Tauchfühler misst die Temperatur des Austrittswassers und positioniert das Ventil mechanisch. Bei motorisierten Gruppen wird dagegen ein 3-Punkt- oder 0-10-V-Stellantrieb an das Ventil angeschlossen, und eine Regeleinheit legt die Vorlauftemperatur anhand der vom Außentemperatursensor erhaltenen Temperatur auf die Heizkurve. Die motorisierte Lösung erzeugt eine gleitende Vorlauftemperatur, etwa 42 °C bei 0 °C Außentemperatur und 30 °C bei 12 °C.

In der Mischergruppe sitzt die Pumpe auf der Sekundärseite, also zwischen dem Ausgang des Mischventils und dem Verteiler. Diese Anordnung sorgt dafür, dass die Pumpe nur die Verluste der Fußbodenheizungskreise überwinden muss, während der Kesselkreis mit seiner eigenen Pumpe arbeitet. An der Gruppe befindet sich außerdem ein Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB); er schaltet die Pumpe ab, wenn die Vorlauftemperatur die eingestellte Grenze, typischerweise 50-55 °C, überschreitet. Dieser Begrenzer ist die letzte Sicherheitslinie für Estrich und Belag, und seine Außerbetriebnahme ist bedenklich.

Die Wahl zwischen Zweiwege- und Dreiwegeventil hängt davon ab, ob das System mit konstantem oder variablem Volumenstrom arbeitet. In der Fußbodenheizung arbeitet der Kreis hinter dem Verteiler nahezu mit konstantem Volumenstrom, deshalb ist die Mischung stets mit Dreiwegeventil ausgeführt; die Zonenabsperrung erfolgt dagegen mit einem Zweiwege-Stellantrieb. Die Einzelheiten zum Unterschied zwischen den Ventiltypen werden in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: 2-Wege-Ventil oder 3-Wege-Ventil? Welches wird wo eingesetzt?)

Die hydraulische Weiche ist ein vertikales Gefäß, das die Volumenströme des Wärmeerzeugerkreises und der Verbraucherkreise voneinander unabhängig macht. Wenn auf der Seite von Kessel oder Wärmepumpe ein konstanter Mindestvolumenstrom erforderlich ist und die Verbraucherseite über Zonenventile geschlossen und geöffnet wird, verhindert die hydraulische Weiche, dass diese beiden Volumenströme gegeneinander arbeiten. Dasselbe Gefäß übernimmt auch die Funktion, Luft und Schlamm aus dem System abzuscheiden.

Das Kriterium für die Notwendigkeit ist zahlenmäßig. Ist der im Katalog angegebene Mindestvolumenstrom des Wärmeerzeugers größer als der niedrigste Betriebsvolumenstrom der Verbraucherseite, wird eine hydraulische Weiche benötigt. Beispielsweise verlangt eine Wärmepumpe mit 12 kW bei 5 K Spreizung ca. 2,06 m³/h Volumenstrom; bleibt auf der Fußbodenheizungsseite nur der Kreis eines einzigen Raums geöffnet, kann der Volumenstrom auf 0,2 m³/h fallen. Der zehnfache Unterschied dazwischen schaltet die Wärmepumpe mit einer Störung wegen zu geringen Volumenstroms ab. Die hydraulische Weiche ist in diesem Szenario zwingend.

Die Größe des Gefäßes wird aus dem Anschlussdurchmesser berechnet. Die vertikale Strömungsgeschwindigkeit im Gefäß soll im Bereich von 0,1-0,2 m/s bleiben; das bedeutet, dass der Gefäßdurchmesser etwa dem 3-Fachen des Anschlussdurchmessers gewählt wird. Das Gefäß wird vertikal angeordnet, oben befindet sich ein automatischer Entlüfter und unten ein Schlammablassventil, und das Gehäuse wird gedämmt.

Als Alternative zur hydraulischen Weiche kommen ein verlustarmer Verteiler oder eine Bypassleitung infrage. Der Bypass ist einfach, erzeugt aber einen konstanten Leckagevolumenstrom und senkt durch Erwärmung des Rücklaufwassers den Wirkungsgrad des Brennwertkessels. (Details: Wie wählt man ein Ausdehnungsgefäß aus? Wo kommen Gefäße mit 24, 50, 100, 200 und 500 Litern zum Einsatz?)

Die Pumpe einer Fußbodenheizung wird so gewählt, dass sie den gesamten Kreisvolumenstrom und den Druckverlust des ungünstigsten Kreises abdeckt; im Wohnungsbau liegt der typische Betriebspunkt im Bereich von 0,8-1,5 m³/h und 2,0-3,5 mWS. Der Volumenstrom wird aus der Heizlast berechnet, die Förderhöhe aus dem Verlust des längsten Kreises. Der Unterschied zu einem System mit Heizkörpern besteht darin, dass der Volumenstrom hoch und die Förderhöhe vergleichsweise niedrig ist.

Die Volumenstromberechnung erfolgt mit einer einzigen Formel: Q gleich P geteilt durch 1,163 mal ΔT. Dabei ist Q der Volumenstrom (m³/h), P die Heizlast (kW), ΔT die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf (K) und 1,163 der aus der spezifischen Wärmekapazität des Wassers stammende Beiwert. Beträgt die Heizlast einer Wohnung von 120 m² bei 70 W/m² 8,4 kW und wurde ΔT mit 7 K gewählt, ist Q gleich 8,4 geteilt durch 1,163 mal 7 gleich 8,4 geteilt durch 8,141 gleich ca. 1,03 m³/h.

Zu beachten ist, dass die Wahl von ΔT bei gleicher Last das Ergebnis unmittelbar verändert. Wäre ΔT mit 5 K gewählt worden, wäre der Volumenstrom auf 1,44 m³/h gestiegen; bei einem ΔT von 10 K wäre er auf 0,72 m³/h gesunken. In der Fußbodenheizung wird ΔT in der Regel zwischen 5-8 K gehalten, weil ein größerer Unterschied im Boden eine Trennung in warme und kalte Bereiche erzeugt, ein kleinerer dagegen den Volumenstrom und den Pumpenverbrauch unnötig erhöht.

Die Förderhöhe ist dagegen der Gesamtverlust des ungünstigsten Kreises: Rohrverlust ca. 1,0-1,5 mWS, Verteiler und Volumenstromanzeige ca. 0,3-0,5 mWS, Mischventil ca. 0,3-0,8 mWS, Hauptleitung und Formstücke ca. 0,3-0,5 mWS. Insgesamt ergibt das ca. 2,0-3,0 mWS. Da es sich um einen geschlossenen Kreis handelt, geht die Höhe des Gebäudes nicht in diese Berechnung ein; die statische Höhe hebt sich in Vor- und Rücklauf gegenseitig auf.

Die Wahl der Regelungsart bestimmt die energetische Seite. Bei der Fußbodenheizung ist der richtige Modus Δp-c, also konstanter Differenzdruck: Sobald die Zonenventile schließen, senkt die Pumpe ihre Drehzahl und hält den Druck konstant. Der Modus Δp-v ist für Systeme mit Heizkörpern und langen Steigleitungen gedacht, in denen sich der Rohrverlust mit dem Volumenstrom ändert. Da sich der Verlust in Fußbodenheizungskreisen weitgehend im Verteiler und in den Armaturen konzentriert, ist Δp-c sowohl stabiler als auch hinsichtlich der Strömungsgeräusche leiser. Die Pumpenseite wird in allen Einzelheiten in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Welche Umwälzpumpe wird für eine Fußbodenheizung verwendet?)

Bei den Modellen erfüllen im Wohnungsbau die Baureihen Grundfos ALPHA2 und Wilo Yonos PICO diesen Betriebspunkt mit einem EEI-Wert unter 0,20; die Gehäusevarianten 25-40 und 25-60 entsprechen einer maximalen Förderhöhe von 4 bzw. 6 m. Auf größeren Flächen wechselt man zu Pumpen mit externem Sensor und automatischer Anpassung wie Grundfos MAGNA3 und Wilo Stratos MAXO. Die Auswahlmethode und das Lesen der Kennlinie finden Sie in einem eigenen Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine Umwälzpumpe aus? Was bedeuten 25/4, 25/6, 25/8?)

Der Thermostat einer Fußbodenheizung ist das Regelelement, das die Raumtemperatur misst und dem thermischen Stellantrieb am Verteiler ein Ein-Aus- oder Modulationssignal sendet. Für jeden unabhängig zu regelnden Raum werden ein Thermostat und so viele Stellantriebe benötigt, wie dieser Raum Kreise hat. Die Verkabelung wird in der Regelbox zusammengeführt; die Box schaltet außerdem Pumpe und Mischergruppe zu, sobald eine beliebige Zone Wärme anfordert.

Der Regelalgorithmus des Thermostats wird bei der Fußbodenheizung anders gewählt als beim Heizkörper. Ein einfacher Ein-Aus-Thermostat mit Hysterese lässt die Raumtemperatur wegen der Trägheit des Estrichs mit einer Schwingung von 1-1,5 °C pendeln. Thermostate mit PWM, also zeitproportionaler Regelung, oder mit PI-Algorithmus halten den Stellantrieb innerhalb eines Zyklus zu einem bestimmten Anteil geöffnet und senken die Schwingung auf 0,3-0,5 °C. Dies ist das Verhalten, das bei der Fußbodenheizung bevorzugt werden sollte.

Die Platzierung des Thermostats beeinflusst das Ergebnis unmittelbar. Das Gerät wird in 1,4-1,5 m Höhe über dem Boden an einer Innenwand montiert, mit mindestens 30 cm Abstand zu Außenwand und Fenster, ohne direkte Sonneneinstrahlung und nicht hinter einem Vorhang. Ein Thermostat, der in einem Küchenschrank, auf einem Fernseher oder auf Höhe eines Heizkörpers angebracht wird, misst nicht die tatsächliche Temperatur des Raums, sondern sein eigenes Mikroumfeld. Die Thermostattypen und ihr Vergleich werden in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Welcher ist der beste Raumthermostat? Danfoss, Siemens, Resideo und ECA im Vergleich)

In Feuchträumen und in Räumen mit Parkett wird eine zweite Sicherheitsebene eingesetzt: ein im Estrich platzierter Bodenfühler. Der Fühler unterbricht den Kreis, wenn die Fußbodenoberflächentemperatur die eingestellte Grenze, bei Parkett typischerweise 27 °C, überschreitet, selbst wenn die Raumtemperatur den Sollwert nicht erreicht hat. Der Fühler wird im Estrich in ein Schutzrohr eingelegt, damit er bei Bedarf ausgetauscht werden kann; fällt ein unmittelbar im Estrich eingebetteter Fühler aus, muss der Estrich aufgestemmt werden.

Ein bei der Zonenregelung oft übersehener Punkt ist der Pumpenschutz. Läuft die Pumpe weiter, wenn alle Zonen geschlossen sind, fördert sie gegen geschlossene Ventile und macht Geräusche. Die Regelbox wird so ausgelegt, dass sie die Pumpe 2-3 Minuten verzögert abschaltet, nachdem der letzte Stellantrieb geschlossen hat. Alternativ wird am Verteiler ein Kreis als Referenzkreis gewählt, der stets geöffnet bleibt; in der Regel übernimmt der Flurkreis diese Aufgabe.

Die Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung wird bei gut gedämmten Neubauten im Bereich von 30-38 °C und bei mäßig gedämmten Gebäuden im Bereich von 38-45 °C ausgelegt, und 50 °C werden unter keinen Umständen überschritten. Der Auslegungswert ist die niedrigste Wassertemperatur, die für den kältesten Tag die berechnete Oberflächentemperatur liefert. Das System arbeitet den größten Teil des Jahres unterhalb dieses Auslegungswerts.

Der Zusammenhang zwischen mittlerer Wassertemperatur und Oberflächentemperatur liefert eine praktische Regel: Bei Keramikbelag und 15 cm Abstand liegt die mittlere Wassertemperatur ca. 6-9 K über der angestrebten Oberflächentemperatur. Soll die Oberfläche 29 °C erreichen, beträgt das mittlere Wasser ca. 36-38 °C, mit ΔT 7 K der Vorlauf ca. 40 °C und der Rücklauf ca. 33 °C. Bei Parkettbelag wird diese Differenz um 3-5 K größer, und der Vorlauf steigt auf 44-45 °C.

Die witterungsgeführte Regelung hält den Vorlauf nicht konstant, sondern verschiebt ihn nach der Außentemperatur. Eine beispielhafte Kurve arbeitet so: bei minus 3 °C Außentemperatur 42 °C Vorlauf, bei 0 °C 40 °C, bei 6 °C 35 °C, bei 12 °C 30 °C. Diese Verschiebung korrigiert den Komfort und erhöht zugleich den Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers. Ein System, das mit konstant 45 °C Vorlauf arbeitet, erzeugt den größten Teil der Saison unnötig mit zu hoher Temperatur.

Die Grenze für die Absenkung der Vorlauftemperatur ist die Oberfläche. Wenn Sie die Temperatur um 5 K senken wollen, müssen Sie, um dieselbe Wärme abzugeben, den Rohrabstand verdichten oder die belegte Fläche vergrößern. Deshalb wird das Ziel einer niedrigen Temperatur in der Planungsphase gesetzt; wurde das System für 45 °C mit 20 cm Abstand verlegt, ist es nachträglich nicht möglich, auf 35 °C herunterzugehen.

Die niedrige Rücklauftemperatur der Fußbodenheizung bringt sowohl den Brennwertkessel als auch die Wärmepumpe in den effizientesten Betriebsbereich. Ein Brennwertkessel beginnt, den Wasserdampf im Abgas zu kondensieren, wenn das Rücklaufwasser unter 55 °C sinkt; der Rücklauf der Fußbodenheizung von 30-35 °C liegt genau im Bereich der vollständigen Kondensation. Bei der Wärmepumpe erhöht dagegen jedes 1 K niedrigere Vorlauftemperatur die COP um ca. 2-2,5 %.

Der Vergleich der beiden Wärmeerzeuger stellt sich wie folgt dar:

• Wirkungsgradverhalten — beim Brennwertkessel steigt der Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert bei 30 °C Rücklauf in den Bereich von 105-108 %; bei der Wärmepumpe liegt die COP unter der Bedingung A7/W35 bei ca. 4,5, unter der Bedingung A7/W45 bei ca. 3,5
• Empfindlichkeit gegenüber der Vorlauftemperatur — beim Kessel macht der Unterschied zwischen 40 °C und 50 °C einige Prozentpunkte aus, die Wärmepumpe verliert bei demselben Unterschied von 10 K ca. 20-25 % Effizienz
• Warmwasserbereitung — der Kessel erzeugt Trinkwarmwasser mit 60 °C direkt; die Wärmepumpe benötigt für dieselbe Temperatur einen separaten Warmwasserspeicher und einen Kreisprozess mit niedriger COP
• Elektrische Last — eine Wärmepumpe nimmt bei einem Wohngebäude in der Größenordnung von 12 kW 3-4 kW Strom auf, die Elektroinfrastruktur wird ebenso wie die Installation projektiert
• Geräusch — das Außengerät erzeugt in 1 m Abstand typischerweise 48-55 dB(A), die Aufstellung ist im Hinblick auf die Nachbarschaft entscheidend
• Bedarf an hydraulischer Weiche — bei der Wärmepumpe wegen der Mindestvolumenstrom-Anforderung oft zwingend, beim Brennwertkessel oft optional
• Welche Lösung passt zu wem — der Brennwertkessel bei Wohngebäuden mit Erdgas, hohem Warmwasserbedarf und vorhandener Abgasanlage; die Wärmepumpe bei Neubauten, die gut gedämmt, auf eine niedrige Vorlauftemperatur ausgelegt und mit geeigneter Elektroinfrastruktur ausgestattet sind

Die Antwort auf die Frage, ob eine Fußbodenheizung mit Wärmepumpe funktioniert, ist eindeutig: Die Fußbodenheizung ist die am besten passende Kombination für die Wärmepumpe, da eine Wärmepumpe nur bei niedriger Vorlauftemperatur eine hohe Effizienz erzeugt. Wird dieselbe Wärmepumpe an eine Anlage mit Heizkörpern angeschlossen, muss sie 55-60 °C Vorlauf erzeugen, und die COP fällt in den Bereich von 2,5-3,0. Die Einzelheiten der Wärmepumpentechnologie finden Sie in einem eigenen Ratgeber. (Details: Was ist eine Wärmepumpe? Lohnt sich der Kauf einer Wärmepumpe 2026? Stromverbrauch und tatsächliche Kosten)

Die Trinkwarmwasserseite wird bei beiden Systemen getrennt gelöst. Der Fußbodenheizungskreis wird unter keinen Umständen auf die Trinkwassertemperatur, also 55-60 °C, angehoben; der Warmwasserspeicher wird über einen eigenen Kreis und eine eigene Vorrangschaltung versorgt. Speichervolumen und Auswahlkriterien werden in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Wie viele Liter Warmwasserspeicher sollte ich kaufen? Berechnung für 2, 4, 6, 10 und 20 Personen)

Rehau und Fränkische sind zwei deutsche Hersteller, die bei der Fußbodenheizung das Rohr nicht allein, sondern zusammen mit Befestigungselementen, Verteiler, Estrichzusatz und Berechnungssoftware als System anbieten. Der praktische Nutzen des Systemansatzes besteht darin, dass Rohr, Verbindungsstück und Befestigungssystem zertifiziert zueinander passen. Auch die nach EN 1264 zertifizierten Wärmeleistungskennlinien werden über diese Systemeinheit angegeben.

Rehau Rautherm S ist ein auf mit Peroxid vernetztem PE-Xa basierendes Fußbodenheizungsrohr mit EVOH-Sauerstoffsperre und im Wohnungsbau in den Abmessungen 16x2,0 und 17x2,0 mm weit verbreitet. Das Formgedächtnis von PE-Xa ermöglicht es, einen gequetschten Querschnitt durch Erwärmen wiederherzustellen, sowie die Verbindungstechnik mit Presshülsen. Da sich Ringbundlängen und Formstückprogramm je nach Revision ändern, ist vor dem Projekt eine Bestätigung anhand des aktuellen Katalogs einzuholen.

Die Familie Fränkische Profi Therm ist dagegen ein Fußbodenheizungsprogramm, das Rohr, Befestigungselemente und Verteiler umfasst und mit den Optionen PE-Xa und PE-RT genannt wird. Die Stärke des Herstellers liegt bei Noppen-Dämmplattensystemen; bei diesen Platten wird das Rohr durch Eindrücken von Hand zwischen die Noppen der Platte befestigt, und es werden keine Clips benötigt. Da Serienkennungen und Durchmesserprogramm je nach Land abweichen können, sind die Werte als je nach Baureihe veränderlich zu betrachten.

Die Befestigungsmethode bestimmt die Arbeitsgeschwindigkeit. Es gibt drei gängige Methoden: Clipbefestigung, Noppenplatte und Klemmen auf Baustahlgewebe. Die Noppenplatte schreibt einen festen Abstand in Vielfachen von 5 cm vor und ist die fehlerunempfindlichste Methode; das Clipsystem erlaubt einen freien Abstand, hängt aber von der Ausführungsqualität ab. Welche Methode auch gewählt wird: Beim Gießen des Estrichs wird das Rohr unter einem Druck von 3-4 bar gehalten.

Die Druckprüfung einer Fußbodenheizung erfolgt vor dem Gießen des Estrichs, indem die Rohrkreise mit mindestens dem Doppelten des Betriebsdrucks, in der Praxis in der Größenordnung von 6 bar, mit Wasserdruck beaufschlagt werden und dieser Druck mindestens 24 Stunden überwacht wird. Die Prüfung wird mit Wasser durchgeführt, nicht mit Luft; Luft macht Undichtigkeiten unsichtbar und birgt im Rohr ein Ausdehnungsrisiko. Das Druckprotokoll wird schriftlich geführt, und ohne dieses Protokoll wird nicht mit dem Gießen des Estrichs begonnen.

Kleine Druckabfälle während der Prüfung bedeuten nicht immer eine Leckage. Kunststoffrohr dehnt sich unter Druck etwas aus, und eine Änderung der Wassertemperatur um 10 K führt im geschlossenen Kreis zu einer Druckschwankung in der Größenordnung von 0,5-1,0 bar. Deshalb werden auch Umgebungs- und Wassertemperatur protokolliert; die Bewertung erfolgt anhand des bleibenden Druckabfalls nach der Temperaturkorrektur.

Beim Gießen des Estrichs wird der Druck weiter in der Größenordnung von 3-4 bar gehalten. Wird ein Rohr angebohrt oder gequetscht, fällt das Manometer sofort, und der Schaden lässt sich beheben, bevor der Estrich aushärtet. Eine Beschädigung, die erst nach dem Aushärten des Estrichs festgestellt wird, bedeutet Aufstemmen, Reparieren und erneutes Gießen. In Jahreszeiten mit Frostgefahr wird das System entweder mit Frostschutzwasser gefüllt oder nach Abschluss der Prüfung entleert und mit Druckluft getrocknet.

Der zweite Arbeitsgang vor der Inbetriebnahme ist das Spülen und Entlüften. Jeder Kreis wird einzeln geöffnet, während die anderen geschlossen sind, und über den Füll- und Entleerhahn des Verteilers wird mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,5 m/s Wasser durchgeleitet, sodass die Luft im Kreis vollständig ausgespült wird. Ein Entlüften bei gleichzeitig geöffneten Kreisen ist wirkungslos, weil das Wasser den leichtesten Weg nimmt und die Luft in langen Kreisen an Ort und Stelle bleibt. Nach Abschluss der Entlüftung wird der Anlagendruck auf den Bereich von 1,5-2,0 bar eingestellt.

Das erste Aufheizprotokoll einer Fußbodenheizung ist der schriftlich dokumentierte Vorgang, der sicherstellt, dass das System nach vollständiger Aushärtung des Estrichs schrittweise aufgeheizt und die Restfeuchte im Estrich kontrolliert abgeführt wird. Bei Zementestrichen wird nach dem Gießen mindestens 21 Tage gewartet, bei Fließestrichen auf Calciumsulfatbasis mindestens 7 Tage. Wird diese Zeit verkürzt, schwindet der Estrich mit der Wärme schnell und reißt.

Das Protokoll hat zwei Phasen. In der ersten Phase wird die Vorlauftemperatur bei 20-25 °C festgehalten und das System bei dieser Temperatur mindestens 3 Tage betrieben. In der zweiten Phase wird die Vorlauftemperatur auf den höchsten Punkt des Auslegungswerts, typischerweise 40-45 °C, angehoben und mindestens 4 Tage bei dieser Temperatur gehalten. Der Übergang dazwischen erfolgt nicht auf einmal, sondern in Stufen in der Größenordnung von 5 K pro Tag. Die Gesamtdauer beträgt in der Praxis 7-11 Tage.

Das erste Aufheizprotokoll ist auch ein Kriterium für die Belegreife, reicht allein aber nicht aus. Vor dem Verlegen des Belags wird die Restfeuchte des Estrichs gemessen; bei Zementestrich wird erwartet, dass sie auf unter ca. 2,0 Gewichtsprozent gesunken ist, bei Calciumsulfatestrich auf unter ca. 0,5 %. Die Messung erfolgt mit dem CM-Gerät. Parkett, das ohne Feuchtemessung verlegt wird, führt in der Heizperiode zu Aufwölbungen und Fugenöffnung.

Während des Protokolls werden täglich Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur, Umgebungstemperatur und Anlagendruck notiert. Dieses Protokoll ist das Dokument, das dem Belagsleger und dem Eigentümer übergeben wird; wenn Probleme auftreten, wird anhand dieses Protokolls festgestellt, wo die Verantwortung liegt. (Details: Fußbodenheizung)