Wärmeverteilung in Wohnräumen

Wenn man einen normalen durchschnittlichen Menschen über Details zu seinem Auto befragt dann kann man oft mit erstaunen Feststellen wie umfassend das Wissen darüber ist. Hingegen sieht man schnell in leere Augen wenn man die gleiche Frage zum verwendeten Heizsystem im Wohnhaus stellt. Dabei sind Heizsysteme, gleich welcher Art, echte Lebensretter. Viele Millionen Menschen in Europa werden jedes Jahr durch eben diese Heizsysteme wirkungsvoll vor dem Kältetod bewahrt.

Daher möchte ich hier ein paar Informationen zum Thema Wärmeverteilung im Raum weitergeben. Welche physikalischen Grundlagen hier verwendet werden und welche Vor- und Nachteile sich aus der jeweiligen Technik ergeben. Meist steht irgendwo im Haus ein Wärmeerzeuger. Das Ding macht aus Strom, Kohle, Öl, Gas, Holz usw. Wärme. Diese Wärme wird dann meistens mit viel zu hoher Temperatur in einem viel zu kleinen Pufferspeicher oder Boiler zwischengelagert. Von dort gelangt die Wärmeenergie ins Warmwasser und in die Heizungsverteilung.

Kurzer Einschub zum Thema Wärmelagerung:

Primitive Grundschulphysik kommt hier zum Tragen. Je kleiner der Speicher ist umso schlechter ist das Verhältnis Oberfläche zu Volumen. Ein Speicher mit 500 Litern hat etwa 3 m² Oberfläche. Ein Speicher mit 5000 Litern hat etwa 15 m² Oberfläche. Der größeres Speicher hat also bei fünffach größerer Oberfläche ein zehnfach größeres Volumen!

Das bedeutet natürlich eine viel bessere Wärmespeicherfähigkeit des größeren Speichers, weil die Wärme über die Oberfläche des Körpers abgeleitet wird.
Es geht nicht um die Lagerung von möglichst hohen Temperaturen. Niemand benötigt 90°C im Privathaushalt. Es geht in erster Linie darum Wärmeenergie zu speichern. Temperatur und Energie sind zwei Dinge die mathematisch über das Volumen des Speichermediums verbunden werden. Ein kleines Volumen mit sehr hoher Temperatur hat die gleiche Wärmeenergie gespeichert wie ein größeres Volumen bei geringerer Temperatur.

Der Vorteil des größeren Volumens liegt aber im besseren Verhältnis Oberfläche-Volumen und im geringeren Temperaturgefälle zur Umgebungstemperatur. Es ist ein Unterschied ob der Speicher im Keller bei 15°C Raumtemperatur ein Volumen mit 90°C speichern soll oder ob er ein Volumen mit 60°C speichern soll. Die Differenz der Speichertemperatur zur Raumtemperatur im Keller ist nicht unwesentlich für die Effizienz der Wärmespeicherung.

Zurück zur Wärmeverteilung

Ähnlich wie bei den Speichern kann man hier auch wählen zwischen einer kleinen Fläche die mit sehr hoher Temperatur die Energie in den Wohnraum abgibt und einer größeren Fläche die mit weniger Temperatur die gleiche Menge Energie abstrahlt. Im Herbst sind die Warteräume der Hausärzte wieder überfüllt. Aus jeder Ecke rotzt, hustet und schnieft es. Warum? „Die trockene Heizungsluft ist schuld. Meine Schleimhäute müssen sich erst wieder umstellen.“ Wieso ist die Heizungsluft trocken? Und warum bekomme ich denn eine Erkältung(!) wenn ich im warmen geheizten Zimmer hocke?

Menschen die unter dieser trockenen Heizungsluft leiden haben meist einfache kleine Radiatoren in den Zimmern die mit kleiner Fläche und sehr hohen Vorlauftemperaturen die Wärmeenergie in den Raum abgeben. Wie gelangt nun die Wärme eigentlich in den Raum? Entweder über die Erwärmung der Raumluft. Das nennt man dann Konvektion. Oder über Wärmestrahlung. Oder über eine Mischform aus beiden.

Was geschieht denn bei der Konvektion. Im Grunde wird hier nur ein Wind erzeugt der auf Höhe des kalten Fußbodens die Raumluft ansaugt, diese durch den Radiator hindurchführt und dort mit heißen Oberflächen die Luft erwärmt. Die nun warme Luft strömt gegen die Decke des Zimmers und kühlt dann am anderen Ende des Raumes wieder ab. Der Kreislauf beginnt von Neuem. In der Theorie klingt das alles recht einfach und wirkungsvoll. Ist es auch.

Allerdings ergeben sich aus dieser „Technik“ ein paar Nebeneffekte die nicht unbedingt so günstig sind. Da ist mal die Luft selbst. Sie wird vom Radiator in Bodennähe angesaugt. Dort ist die Luft am Kältesten. Mit dem Luftstrom wird aber auch jede Menge Staub und Milben usw. transportiert. All das Zeugs wirbelt nun im gesamten Raum herum.

Die Luft selbst ist warm. Durch diese Wärme sinkt die relative Luftfeuchtigkeit der Luft erheblich ab. In Verbindung mit dem Staub vom Boden ergibt sich daraus die berühmte trockene Heizungsluft die manchmal krank macht.Obwohl die Luft in so einem Zimmer recht warm ist, kann es manchen Stellen im Zimmer zu Schimmelbildung kommen. Das geschieht wenn der Radiator zu klein dimensioniert ist und daher die Vorlauftemperatur sehr hoch sein muß.

Die Wandoberflächen bleiben nämlich kalt. An dieser kalten Oberfläche kondensiert die Restfeuchte aus der Luft und zieht in den Verputz ein. Der Verputz ist meist mit moderner billiger Wandfarbe versiegelt. So bleibt die Feuchtigkeit in den obersten Schichten und trocknet niemals ab. Die Folge ist schwarzer Schimmel. Diese Schimmelsporen wirbeln im Konvektionsstrom der Heizung natürlich auch munter mit. Das ist auch nicht gesund.

Bei drastischen Fällen kann die Kondensation an den Wänden so weit führen, dass es zu einer erheblichen Ansammlung von Feuchtigkeit in der Wand kommt. Eine Art von Feuchteschluss mit der natürlichen Feuchtigkeit in der Mauer aus dem Erdreich kann entstehen. Echte Mauerfeuchte bildet sich. „Weißer Schimmel“ (Salpeterausblühungen) ist die Folge. Schwere Bauschäden entstehen.

Viele alte Häuser wurden auf diese Art kaputtgeheizt. Man hat irgendwann die alten Zimmeröfen gegen moderne Zentralheizungen mit kleinen Radiatoren (und daher sehr geringem Strahlungsanteil) ausgetauscht. Und schon ging es los.

Was ist denn nun besser?

Man sollte den Strahlungsanteil des Wärmeverteilungssystems erhöhen.

Was ist denn Wärmestrahlung?

Wärme erzeugt immer eine Infrarotstrahlung. Eine Eigenschaft dieser Strahlung ist es die Dinge im Zimmer zu erwärmen. Die Raumluft wird kaum erwärmt. Es kommt also zu keinem Konvektionsstrom. Eine nutzbare Wärmestrahlung ohne Konvektionsstrom entsteht aber erst bei einer Mindestgröße an Abstrahlfläche. Als Beispiel gelten hier Fußbodenheizungen, Wandheizungen und Kombinationen daraus.

Was gibt es hier zu beachten?

Das Transportmedium ist Wasser. Warmes Wasser aus dem Speicher wird über Rohre in ein Rohrsystem im Boden und der Wand gepumpt. Dort gibt das Wasser die Wärme an die Oberfläche des Mauerwerks ab. Von dort geht dann die Wärmestrahlung in den Raum und erwärmt alles was da so herumsteht. Hier gilt wieder das schon erwähnte Prinzip: Volumen und Temperatur ergeben die Energie. Je mehr Menge an Wasser ich pro Flächeneinheit ich nutzen kann umso geringer können die Vorlauftemperaturen sein die benötigt werden um die richtige Wärmeenergie in den Raum zu bekommen.

Im Klartext heißt das nun, ich brauche im Boden oder in der Wand sehr enge Rohrabstände bei möglichst geringen Rohrdurchmessern. Der geringe Rohrdurchmesser ergibt ein Abstrahlungsfreundliches Volumen-Oberfläche-Verhältnis, der geringe Rohrabstand ergibt ein möglichst hohes Volumen pro m² Boden-/Wandfläche.

Warum soll die Vorlauftemperatur so gering wie möglich sein?

Die Oberflächentemperatur sollte bei einer Wandheizung niemals über 27°C hinaus gehen. Bei einer Fußbodenheizung sind 25°C das absolute Maximum. Bei höheren Temperaturen kommt es zu Belastungen des Nervensystems. Kopfweh, dicke Beine usw. sind die Folge. Es ist auch extrem wichtig eine gleichmäßige Temperaturverteilung an der Oberfläche des Mauerwerks zu erreichen. Ein „Infrarot-Streifenmuster“ im Boden oder an der Wand hat ebenfalls unangenehme Effekte auf Körper und Nerven.

Dadurch daß die Raumluft „kalt“ bleibt und die umliegenden Mauerteile und Möbel erwärmt werden, bleibt auch die Luftfeuchte dort wo sie hingehört. Schwarzer Schimmel durch Kondensation an kalten Wänden entsteht nicht mehr. Das Temperaturempfinden des menschlichen Körpers hängt nicht direkt mit der Temperatur der Raumluft zusammen. Im Frühjahr kann man auf diversen Schihütten die Menschen bei 0°C Lufttemperatur im T-Shirt auf der Terrasse sitzen sehen. Geht der gleiche Mensch der sich dort in der Sonne sehr wohl fühlt, kurz hinter die Hütte in den Schatten (wo aber die gleiche Lufttemperatur herrscht) wird es ihm schnell kalt.

Es fehlt dort die Wärmestrahlung der Sonne. Ein Niedertemperaturverteilung baut diesen Effekt nach. Man kann die Temperatur der Raumluft teilweise unter 20°C halten und hat trotzdem ein subjektives Temperaturgefühl von etwa 23°C. Das spart viel Energie. Wichtig ist allerdings die richtige Wahl des Verlegeortes bei Wandheizungen. Selbstverständlich sind alle Innenflächen der Außenwände zu bevorzugen. Eine Innenwand gegenüber einem Fenster wäre z.B. eine schlechte Wahl. Denn durch das Fenster geht einfach sehr viel Wärmestrahlung ungenutzt flöten. Die Strahlung von den Außenwänden in den Raum erwärmt auch die Innenwände. Zusätzlich erhöht sich die Dämmwirkung der Außenwände durch den Trocknungseffekt.

Der zweite Grund für eine niedrige Vorlauftemperatur ist natürlich die einfachere Bereitstellung durch den Wärmeerzeuger. 30°C Vorlauf im Keller sind leichter zu bewerkstelligen als 75°C. Der Speicher braucht also theoretisch nur maximal 50°C für die Warmwasserbereitung vorrätig halten. Alle kleineren Temperaturen gehen in die Raumheizung. Bei Hochtemperaturverteilungen (kleine Radiatoren) muß der Speicher für die Raumheizung mindestens 70°C und höher vorrätig halten. Da geht sehr viel verloren. Niedertemperaturverteilungen sind daher prädestiniert für thermosolare Heizungsunterstützung.

Neben den genannten Extremformen (kleine Radiatoren ohne Strahlungsanteil – Großflächige Fussbodne-/Wandheizung ohne Konvektionsanteil) gibt es die verschiedensten Kombinationen und Mischformen. Alle mit diversen Vor- und Nachteilen. Jedes System sollte daher genau betrachtet werden und mit den vorgelagerten Systemen (Brenner, Speicher,…) zusammenpassen. Wenn dann einfache physikalische Grundlagen beachtet werden kann wenig schief gehen.

Dann kann die Heizung das tun was sie soll. Nämlich jedes Jahr aufs neue Millionen Menschen das Leben retten.

Klaus Haase
www.lichtsaeule.eu


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