Rohroptionen bei Fußbodenheizungen verstehen

Vor Jahren stellte ein Naturwissenschaftslehrer unserer Klasse die folgende Frage: Wenn an einem 20-Grad-Tag draußen ein Stück Holz und eine Stahlstange stünden, welches wäre dann wärmer? Während die Klasse über die unergründliche Frage nachdachte, saß ich da und fragte mich: „Wo ist der Haken?“

Es gibt immer einen Fang. Ein bisschen so, als würde man fragen, wer in Grants Grab begraben liegt. Die Antwort lag in der Frage.

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In einer Klasse eifriger 17-Jähriger gab es einige, die um den ersten Platz kämpften und mit anderen darin übereinstimmten, dass die Stahlstange kälter sei. Natürlich ist die Antwort auf diese Frage heute dieselbe wie damals – beide Objekte haben tatsächlich die gleiche Temperatur.

Die Frage war nicht, welches wärmer war, sondern welches sich wärmer anfühlte. Da beide unter den gleichen Bedingungen draußen waren, mussten sie die gleiche Temperatur haben. Aber Stahl würde sich kälter anfühlen, weil Stahl leitfähiger ist; Das heißt, es leitet Energie schneller von unseren Händen ab als Holz.

In der Welt der Fußbodenheizungen bin ich auf ein ähnliches Missverständnis gestoßen, als ich die Unterschiede zwischen den Rohroptionen besprach, die bei der Installation von Fußbodenheizungen verwendet werden. Insbesondere stellt sich die Frage, ob PEX effizienter als EPDM ist. Da PEX eine niedrigere Flüssigkeitstemperatur verwendet, könnten einige sagen, dass das System mit PEX-Verteilung effizienter ist. Aber ist eine Rohrvariante wirklich effizienter?

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir verstehen, wie Wärme in und durch einen Fußbodenheizungsboden übertragen wird. Ob Sie es glauben oder nicht, nicht jede Wärme wird gleichmäßig erzeugt oder verteilt. Es gibt drei Heizmethoden: Konvektion, Leitung und Strahlung.

Konvektiv Systeme basieren darauf, dass ein Medium – im Allgemeinen Luft – durch mechanische Mittel, normalerweise einen Ventilator, von einem Ort zum anderen bewegt wird. In einem Hydroniksystem wird die Luft durch Wasser und der Ventilator durch einen Umwälzer ersetzt. Wasser transportiert Wärmeenergie vom Kessel in die Strahlungszone. Viele von euch wissen das, aber ich muss es trotzdem sagen: Wasser ist um ein Vielfaches leitfähiger als Luft und um ein Vielfaches besser in der Lage, Energie zu transportieren als Luft.

Leitfähig Bei der Übertragung kommen zwei Objekte unterschiedlicher Temperatur in Kontakt. Das wärmere Objekt überträgt über die Kontaktfläche Wärmeenergie auf das kühlere Objekt. Denken Sie an Ihre Hand an der bereits erwähnten Stahlstange. Da die Stange leitfähiger ist, kann die Wärme schnell aus Ihrer Hand entweichen, sodass Sie sich kälter fühlen. In einem Strahlungssystem findet die Wärmeleitung überall dort statt, wo das Strahlungsrohr Kontakt mit einem Bodenmaterial oder Unterboden hat – oder in manchen Fällen mit Hilfe einer Wärmeübertragungsplatte.

Strahlend Bei der Übertragung gibt ein wärmeres Objekt über Energiewellen Energie an ein kälteres Objekt ab. Ein gutes Beispiel hierfür ist eine Wärmelampe, die an der örtlichen Durchfahrtsstraße über einem Pommeskorb hängt. Die heißere Lampe hält die frischen Pommes heiß. Bei Strahlungswärme ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass sich die Wärme von heiß nach kalt bewegt.

Alle drei Methoden – Teamarbeit, wenn Sie Sportanalogien mögen – tragen dazu bei, dass ein Fußbodenheizungssystem funktioniert. Um die Mechanismen der Wärmeübertragung zu veranschaulichen, gehen wir das folgende Beispiel durch: Ein typischer Raum von 20 x 20 Fuß hat eine Heizintensität von 25 Btuh/Quadratfuß und eine gewünschte Raumtemperatur von 70 °F. Unsere Berechnungen zeigen, dass der Raum unsere geplante Wärmelast nicht erfüllen kann, wenn die Bodenoberflächentemperatur unter 80 °F liegt.

Der Boden ist in diesem Fall eine Strahlungsplatte und überträgt Energie in den Raum, da er eine erhöhte Temperatur von 80 °F hat (denken Sie daran, dass heiß zu kalt wird). Spielt es eine Rolle, um welchen Bodenbelag es sich handelt? Nein, nicht aus der Raumperspektive. Für den Raum kommt es nur darauf an, dass die Oberfläche die richtige Temperatur hat. Beeinflusst der Bodenbelag den Wärmeverlust des Raumes? Nein schon wieder. Der Wärmeverlust des Raums wird durch die Gesamtkonstruktion bestimmt: Wand-R-Wert, Fensterfläche, freiliegende Wandlänge usw. In diesem Fall wird der Raum eine Last von 25 Btuh/Quadratfuß haben und muss eine Bodenoberfläche mit einer Temperatur von 80 °F haben Temperatur unabhängig vom Bodenbelag.

Gleiches gilt für den Bodenaufbau. Wir können eine Platte, eine dünne Platte oder einen Rahmenboden haben, und es gelten die gleichen Anforderungen: Die Bodenoberflächentemperatur muss 80 °F betragen, um den Wärmeverlust von 25 Btuh/Quadratfuß zu decken.

Das heißt nicht, dass Bodenkonstruktion oder Bodenbeläge nicht wichtig sind – sie sind es. Die Bodenkonstruktion bestimmt den Weg (Richtung des geringsten Wärmewiderstands), den die Energie vom Strahlrohr zur Bodenoberfläche transportiert, und wirkt sich auf die Gesamtreaktionszeit aus. Je größer die Masse (also die Masse), desto länger braucht ein System, um auf sich ändernde Bedingungen zu reagieren. Aber für unser Beispiel lassen wir alles beim Alten und konzentrieren uns nur auf Änderungen an den Schläuchen.

Bodenbeläge sind Teil der Bodenkonstruktion und damit Teil des gesamten Boden-R-Wertes. Wechselnde Bodenbeläge wirken sich auf die Flüssigkeitstemperaturen aus. Leitfähigere Beschichtungen ermöglichen niedrigere Flüssigkeitstemperaturen bei gleichbleibender Oberflächentemperatur.

Denken Sie daran, dass Wärme auf sehr vorhersehbare Weise in Kälte übergeht. Je größer die Temperaturänderung (Delta T oder ∆T), desto größer ist die Energiebewegung durch ein bestimmtes Material. Ein restriktiverer Bodenbelag oder eine restriktivere Konstruktion erfordert mehr Energie. Oder besser gesagt: Je höher der Materialwiderstand, desto größer muss ∆T sein, um die gleiche Energiemenge durch das Material zu übertragen.

Wenn wir den Bodenbelag in unserem Beispielraum von Teppich auf Fliesen umstellen, ist die erforderliche Energie immer noch dieselbe – 25 Btuh/Quadratfuß – und die Oberflächentemperatur muss immer noch 80 °F betragen. Auch wenn die Designbedingungen die gleichen sind, ist die Konstruktion nicht dieselben. Da wir den Bodenbelag auf Fliesen umgestellt haben, ist der Gesamtwiderstand des Materials gesunken und der Gesamtleitfähigkeitswert des Bodens gestiegen.

Wir benötigen immer noch eine Bodenoberflächentemperatur von 80 °F, aber wir können jetzt die erforderliche Heizintensität mit einem kleineren ∆T (einer niedrigeren Temperatur der Versorgungsflüssigkeit) zwischen der Bodenoberfläche von 80 °F und dem Rohr erreichen, vorausgesetzt, der Rest der Bodenkonstruktion ist vorhanden Bleibt das selbe.

Was passiert also mit unserem Design, wenn wir die Rohroptionen ändern? Um diese Veränderung besser zu verstehen, müssen wir uns mit den Mechanismen befassen, die zwischen der Flüssigkeit im Rohr und dem Boden ablaufen.

Wir müssen die Effizienz ermitteln – das Verhältnis der nutzbaren Energie zur insgesamt bereitgestellten Energie. Diese Gesamtenergie umfasst nicht nur die dem Raum zugeführte Energie, sondern auch Energie, die an verschiedene Quellen verloren geht, sogenannte Rück- und Kantenverluste (der Bereich unterhalb und seitlich unserer Strahlungsplatte).

Wir sind bereits zu dem Schluss gekommen, dass die Heizintensität des Raums gleich bleibt, da die Belastung durch die Raumkonstruktion und nicht durch den Boden bestimmt wird. Was sich jetzt auf die Effizienz auswirkt, ist der Rück- und Kantenverlust, der direkt von der Oberflächentemperatur oder Hauttemperatur der Strahlungsrohre beeinflusst wird. Je höher die Hauttemperatur ist, desto höher ist der Rücken- und Kantenverlust. Bei gleicher Hauttemperatur sind auch die Rücken- und Kantenverluste gleich.

Heutzutage gibt es mehrere Rohroptionen auf dem Markt, und jede erfordert je nach Heizanwendung eine etwas andere Konstruktionsbedingung. Unser Beispielraum erfordert eine Belastung von 25 Btuh/Quadratfuß und eine Bodenoberflächentemperatur von 80 °F. Als erstes müssen wir die erforderliche Hauttemperatur ermitteln, um diesen Raum richtig zu heizen. Von dort aus können wir die erforderliche Flüssigkeitstemperatur und schließlich den Gesamtwirkungsgrad des Panels bestimmen.

Um die erforderliche Hauttemperatur zu ermitteln, müssen wir vom Bodenbelag zurück zum Schlauch vorgehen. In unserem Beispielraum beträgt die erforderliche Bodenoberflächentemperatur 80 °F. Da die Bodenkonstruktion einen bekannten Leitfähigkeitswert hat, haben die eingebetteten Strahlungsrohre eine feste Hauttemperatur. Dies ist die gleiche Hauttemperatur, die erforderlich ist, um die erforderliche Bodenoberflächentemperatur aufrechtzuerhalten, unabhängig von der verwendeten Rohrleitungsoption.

Daher benötigen Systeme, die einen EPDM-Schlauch verwenden, die gleiche Außentemperatur wie ein System, das PEX oder PE-RT verwendet. Wenn die Hauttemperatur unterschiedlich wäre, wäre die resultierende Bodenoberflächentemperatur unterschiedlich.

Gleiche Hauttemperaturen bedeuten jedoch nicht gleiche Temperaturen der Versorgungsflüssigkeit. Der Grund dafür hängt direkt mit dem ∆T durch die Rohrwand, dem Leitfähigkeitswert des Rohrmaterials und bis zu einem gewissen Grad mit dem Durchmesser des verwendeten Rohrs zusammen. Abbildung 1 zeigt verschiedene Eigenschaften von vier Rohren, die in einem typischen Fußbodenheizungssystem verwendet werden. Als Kontrollreferenz wird Kupfer angezeigt.

Abbildung 1

Die Wärmewiderstandswerte der Rohrleitungen werden anhand der Gleichungen in Kapitel 6: Panel Heating and Cooling, 2000 ASHRAE Handbook-HVAC Systems and Equipments berechnet. Sobald der äquivalente Rohrleitfähigkeitswert berechnet ist, kann ein entsprechender Temperaturabfall durch die Rohrwand bestimmt werden.

Figur 2

EPDM-Schläuche erfordern eine höhere Vorlauftemperatur, da sie einen etwas höheren thermischen Widerstand des Materials und eine etwas höhere Wandstärke aufweisen. Im Vergleich zu PEX erfordert EPDM in der gleichen Anwendung eine etwa 8,68 °F (13,0980 – 4,418 = 8,68) höhere Flüssigkeitstemperatur als PEX.

Ein fester ∆T zwischen der Hauttemperatur und dem Boden verhindert, dass das System mehr oder weniger Energie liefert als benötigt. Ein Problem wäre hier eine Überhitzung oder Unterheizung des Raumes. Das System muss die gleiche Hauttemperatur haben, unabhängig davon, ob wir EPDM, PEX oder PE-RT verwenden. Die gleiche Oberflächentemperatur bedeutet den gleichen Rück- und Kantenverlust, was bedeutet, dass die Paneleffizienz gleich bleibt, auch wenn die Temperatur der Versorgungsflüssigkeit schwankt.

Fazit: Es ist wichtig, ein Strahlungssystem für die verwendeten Komponenten zu entwerfen und, was noch wichtiger ist, es gemäß dem vorgegebenen Design zu installieren.

Wie lautet also die Antwort auf die Frage „Welches Rohr ist in einem Fußboden mit Fußbodenheizung wärmer?“, ähnlich wie bei der Frage meines High-School-Lehrers für Naturwissenschaften nach dem Stück Holz und der Stahlstange? Die Antwort: Alle Rohrleitungen haben die gleiche Temperatur.

Kolyn Marshall ist seit 1995 bei Watts und auf dem Markt für Wasserstrahler aktiv. Während seiner Zeit bei Watts hatte er verschiedene Rollen inne, begann seine Karriere im Außendienst und wechselte zu verschiedenen Führungspositionen im technischen Support, im strategischen Marketing und im Produktmanagement . In dieser Zeit hat Kolyn das technische Handbuch Understanding Radiant Systems for RSES verfasst. Kolyn hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau von der University of Missouri in Columbia.