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Fußbodenkonstruktion zur Aufnahme von Wärmeübertragungsrohrsystemen
Die
Erfindung betrifft eine Fußbodenkonstruktion umfassend eine auf einem Unterbau,
ggf. unter Vermittlung einer unteren Zwischenschicht verlegten Lage von Formkörpern
mit nach oben offenen Nuten zur Aufnahme von ein fluidisches Wärmeübertragungsmittel
führenden Kunststoffschläuchen und einen auf der Lage von Formkörpern ggf.
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unter Vermittlung einer oberen Zwischenschicht verlegten keramischen
Plattenbelag.
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Eine solche Fußbodenkonstruktion ist bekannt. Bei der bekannten Konstruktion
sind die Formkörper aus aufgeschäumtem Kunststoff hergestellt. Dabei entstehen folgende
Probleme. Die Kunststofformkörper besitzen keine wesentliche Festigkeit, so daß
die Traqfähigkeit der Fußbodenkonstruktion durch starke obere Zwischenschichten
oder starke Armierungen gewährleistet werden rnuß. Dadurch erhöht sich die Gesamthöhe
der Fußbodenkonstruktion. Der Hohe der Fußbodenkonstruktion sind aber Grenzen gesetzt,
insbesondere bei Sanierung von Altbauten.
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Weiterhin haben die Formkörper aus aufgeblähtem Kunststoff eine sehr
geringe Wärmeleitfähigkeit. Dies hat zur Folge, daß der Wärmefluß sich im wesentlichen
auf den Scheitelbereich der Kunststoffrohre beschränkt oder über Luft erfolgt,was
zur Folge hat, daß der Wärmeübergang vom Heizrohr auf die zu beheizende Fläche über
ein weitgehend wärmedämmenden Luftpolster stattfindet. Dieser beschrä@@@@ Wärmefluß
ist selbst dann @@zureichend, wenn im S@@@@@@ bereich ein Bindemittel vorhanden
ist. Die Folge der unbefriedigenden Wärmeflußverhältnisse ist einmal, daß zit sehr
langen Einstellungszeiten (Aufheizzeit.en) bis zur Einstellung eines stationären
Zustands gerechnet werden muß und daß eine
ungleichmäßige Verteiluna
des Wärmeangebots im Plattenbelag eintritt mit der Folge lokaler überhitzungen einerseits
und lokaler Kaltstellen andererseits; diese ungleichmäßige Wärmeverteilung kann
nur durch engmaschige Verlegung der Kunststoffrohre ausgeglichen werden, die hohe
Material-und Verlegekosten zur Folge hat und außerdem zu einer unerwünschten Schwächung
der Formkörper führt. Die ungünstigen Wärmeflußverhältnisse bei der bekannten Konstruktion
führen auch dazu, daß diese für Niedertemperaturheizungen mit Wärmeübertragunnsmitteln
verhältnismäßiq geringer Temperatur nur bedingt geeignet ist. Es besteht aber gerade
der Wunsch Fußbodenheizunger mit minderwertiger Energie, d.h. Wärmeaustauschmittel
niederer Temperatur zu betreiben, wie es beispielsweise als Kraftwerkabwärme anfällt.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Fußbodenkonstruktiont ~-ist das
ungleichmäßige Ausdehnungsverhalten der Forzkörperlage und des Plattenbelags, welches
zu inneren Spannungen, Rissen und Verwerfungen führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Fußbodenkonstruktion
anzugeben, welche eine niedrige Bauhöhe erlaubt, einen besseren Wärmeübergang von
dem Wärmeübertragungsmittel zur Oberfläche der keramischen Plattenbelags gestattet,
eine gleichmäßigere Temperaturverteilung an der Oberfläche des Plattenbelags auch
bei weitmaschiger Verlegung der Kunststoffrohre möglich macht, eine hohe Festigkeit
gewährleistet und ein angepasstes Wänneausdehnunqsverhalten der Formkörpe'r' age
und das Plattenbelags ergibt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
die Formkörper keramische Formkörper sind.
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Unter keramischen Formkörpern werden insbesondere aus Ton gebrannte
Formkörper verstanden, die in ihrer stofflichen Struktur einem weiten Bereich bekannter
aus Ton gebrannter
keramischer Formkörper, wie z.B. Ziegelsteine,
Dachziegel, Bodenplatten, Wandverkleidungsplatten entsprechen können, je nach dem,
welche Festigkeitsforderungen, Wärmeübergangsforderungen, Formbeständigkeitsforderungen
und dergleichen im Einzelfall gestellt werden. Die keramischen Formkörper besitzen
eine hohe Festigkeit, so daß die Fußbodenkonstruktion insgesamt auch bei Vorhandensein
dünner Zwischenschichten eine ausreichende Festigkeit erhält. Die hohe Festigkeit
ist weiter verantwortlich dafür, daß eine weitgehende Freiheit in der Wahl der Verlegemuster
der Kunststoffschläuche besteht, ohne daß die Festigkeit der Konstruktion in Frage
gestellt wird.
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Die keramischen Formkörper besitzen eine im Vergleich zu Formkörpern
aus geschäumtem Kunststoff wesentlich größere Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise
in der Größenordnung von 0,5 bis 1,5 W/mK, so daß ein starker Wärmefluß von dem
Wärmeübertragungsmedium zu der Oberseite des Plattenbelags stattfinden kann. Auch
ein Querfluß der Wärme in der Ebene der Formkörperlage ist sichergestellt, so daß
die Temperaturverteilung an der Oberseite des Plattenbelags vergleichmäßigt wird,
auch wenn die Kunststoffrohre weitmaschig verlegt sind.
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Es kann auch bei geringer Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeaustauschmedium
und der Oberseite des Plattenbelags ein ausreic1ender Wärnlefluß erzi 1L werden.
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Die erfindungsgemäßen Fußbodenkonstruktionen sind insbesontere dort
einzusetzen, wo eine Raumbeheizung durch den Fußboden ermöglicht werden soll; sie
sind aber nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Beispielsweise sind erfindungsgentäße
Bodenkonstruktionen auch anwendbar, wenn ein Terassenboden bei Sonneneinstrahlung
gekühlt werden soll und die von dem Wärmeaustauschmedium dabei aufgenommene Wärme
ggf. weiter genutzt werden soll, etwa durch Brauch- oder Heizwasseraufwärmung,
oder
als Vorlauf für eine Wärmepumpe.
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Die erfindungsgemäße Fußbodenkonstruktion kann im wesentlichen trocken
verlegt werden, da sie nicht notwendig an das Vorhandensein starker, nass zu verlegender
Estrichlagen gebunden ist. Unter diesem Aspekt ist noch der weitere Vorteil einer
geringeren Flächenbelastung der Tragkonstruktion zu nennen.
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Die bereits erwähnte höhere Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäßen
Fußbodenkonstruktion führt zur geringeren Trägheit in -! einem temperaturqeregelten
System, so daß die Regelung einfacher und billiger wird.
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Zum Stand der Technik gehört es auch schon keramische Beläge mit Hinterschneidungen
auf verlegte Wärmewasserrohre aufzustülpen. Dabei ist aber ein inniger Kontakt zwischen
den Rohren und den Belägen ausgeschlossen, da die Montageweise des Aufstülpens viel
Spiel zwischen den Rohren und den Hinterschneidungen erforderlich macht und Verlegen
dennoch schwierig ist.
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Im Hinblick auf einen guten Wärmeüberganq zwischen dem Wärmeaustauschmittel
und den Formkörpern wird vorgeschlaaen, daß die Nuten in den Formkörpern einen der
Querschnittsform der Kunststoffrohre wenigstens auf der Hälfte des Umfangs entsprechenden
Querschnitt haben derart daß die Kunststoffrohre auf diesem Umfangsbereich im wesentlichen
volltlächig att der Begrenzungsfläche der Nuten anliecten.Der Vorschitig einer im
wesentlichen vollflächigen Anlage ist natürlich makroskopisch zu verstehen. Es kann
nicht ausgeschlossen werden, daß bei unvermeidlicher Mikrorauhigkeit der Begrenzungsfläche
der Nuten mikroskopisch gesehen eine ideal vollflächige Anlage nicht erzielt wird.
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Ein weiterer wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, daß
die Kunststoffrohre in ihrer Form und ihrer stofflichen
Zusammensetzung
derart auf die zu erwartenden Betriebstemperaturen-und drücke der wärme führenden
Flüssigkeit abgestellt sind, daß sie sich jedenfalls bei diesen Betriebstemperaturen-
und drücken in dem genannten Umfangsbereich annähernd vollflächig an die Begrenzungsfläche
der Nuten anlegen.Dieser Gedanke der darauf abzielt eine vollflächige Anlage im
Sinne guten ;,ärmeübergangs wenigstens während des Betriebs zu schaffen, erleichtert
insofern die Herstellung , als dann höhere Toleranzen in der Rohr- und Nutendimensionierung
zugelassen werden können.
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In Anpassung an herkömmliche Rohrquerschnittsformen wird vorgeschlagen,
daß im Falle der Verwendung von Kunststoffrohren mit Kreisquerschnitt die Nuten
ebenfalls Kreisquerschnitt über mindestens 1800 besitzen. Dabei ist eine weitere
Verbesserung dadurch möglich, daß sich der Querschnitt der Nuten nach oben verengt,
derart, daß die Begrenzungsfläche der Nuten über mehr als 1800 an den Kunststoffrohren
anliegt. Die Grenze für den Umfassungswinkel der Nuten ist natürlich dadurch gegeben,
daß die Kunststoffrohre,die eine gewisse Steifigkeit besitzen, in die Nuten eingedrückt
werden, wobei allerdings das Eindrücken dadurch erleichtert werden kann, daß die
oberen Ausgänge der Nuten konvergent-divergent ausgebildet sind. Durch diese AlaRnahme
werden auch st:oßtrp ndliche Kanten am Nutenausgang vermieden.
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Hinsichtlich der Verlegetiefe der Kunststoffrohre in den Formkörpern
gibt es die folgenden Alternativen: a) daß die Kunststoffrohre mit ihren Scheiteln
innerhalb der Nuten unter der Oberseite der Formkörper liegen und die dadurch gebildeten
Scheitelkammern innerhalb der Nuten und oberhalb der Rohre mit einem wärmeübertragenden
Bindemittel,
z.B. einem Kleber oder einem Mörtel ausgefüllt sind,
welcher ggf. aus dem gleichen Material besteht, wie die obere Zwischenschicht; b)
daß die Kunststoffrohre mit ihren Scheiteln über die Oberseite der Formkörper hervorragen,
vorzuasweise maximal bis zur Höhe einer oberen Zwischenschicht.
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Die Alternative a) hat sich als zufriedenstellend hinsichtlich des
Wärmeübergangs erwiesen. Noch günstiger im Hinblick auf den Wärmeübergang erscheint
die Alternative b), wobei in diesem Fall die Sorgfalt der Verlegemannschaft in höherem
Maße beansprucht wird, andererseits aber wieder zu beachten ist, daß die Scheitel
der Kunststoffrohre dann natürliche Abziehkanten beim Aufbringen der oberen Zwischenschicht
darbieten.
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Es ist schließlich sogar denkbar, daß die Scheitel der Kunststoffrohre
oben abgeflacht sind, sei es von der Rohrfertigung her, sei es durch den Druck des
Plattenbelags, so daß ein weiterer Fortschritt im Wärmeübergang erzielt wird Wesentlich
ist, daß die Oberseite der Formkörper abgesehen von den Nuten und die Unterseite
des Plattenbelags im wesentlichen glatt sind und die obere Zwischenschicht weniger
als 15 mm betrgit, vorzucjsweise (im Felle eines Fehlens einer Armierung) weniger
als S mm.
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Eine dünne obere Zwischenschicht erleichtert natürlich den Einbau
der Fußbodenkostruktion, gleichgültig ob die Zwischenschicht als eine Kleberschicht
oder als eine Mörtelschicht ausgebildet ist. Wenn hier von einer Kleberschicht gesprochen
wird, so sind damit insbesondere organische Kleber gemeint, wobei allerdings nicht
ausgeschlossen wird, daß die organischen Kleber Füllstoffe, auch anorganische Füllstoffe
enthalten.
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Wenn weiter von einer Mörtelschicht qesprochen wird, so werden damit
insbesondere herkömmliche Mörtel gemeint, wie sie am Bau Verwendung finden, wobei
aber auch hier wieder nicht ausgeschlossen ist, daß dem Mörtel Zusätze zuqesetzt
sind, auch organische Zusätze, um Festigkeit , Abbindeeigenschaft, Auftragbarkeit
und Gleichverteilbarkeit zu steigern.
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Innehalb der unter sonstigen Gesichtspunkten in Frage kommenden Mörtel
und Kleber gibt es Unterschiede hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit. Insoweit wird
man entsprechend der Erfindungsaufgabe bemüht sein, das Material für die obere Zwischenschicht
unter dem Gesichtspunkt möglichst hoher Wärmeleitfähigkeit auszuwählen.
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Wenngleich bei der erfindungsgemäßen Fußbodenkonstruktion durch das
adaptierte AusdehnungsverhalLen der Formkörperlage und des Plattenbelags das Problem
der Ortssicherung beider Lagen in der Verlegeebene ohnehin entschärft ist, soll
dennoch auf die bei, und gerade bei der erfindungsgemäßen Fußbodenkonstruktion bestehenden
Möglichkeiten hinsichtlich dieser Ortssicherung hingewiesen werden; es bieten sich
die folgenden Möglichkeiten einzeln oder in Kombination an, daß a) die Stöße im
Plattenbelag und die Stöße zwischen den
Formkörpern derart versetzt
angeordnet sind, da3 die Formkörper durch die Platten unter Vermittlung der oberen
Zwischenschicht zusammengehalten werden und umgekehrt; b) daß in der oberen Zwischenschicht
eine Armierung vorgesehen ist, z.B. ein vorzugsweise verzinktes Drahtgitter; c)
daß innerhalb der einzelnen Formkörper Kanäle vorgesehen sind, in welchen gespannte
Armierungpele.-.ente z.B. Drähte aufgenommen sind; und d) daß die Stöße zwischen
benachbarten Formkörpern durch ineinander greifende Formschlußrandprofile der Formkörper
Uberbrückt sind, wobei diese letztere Möglichkeit insbesondere dann wirksam ist,
wenn die Formschlußrandprofile derart ausgebildet sind, daß sie ein Verschieben
benachbarter Formkörper in ihrer Verlegeebene relativ zueinander formschZüssig verhindern.
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Die Formkörper können, wie in der Ziegeltechnik an sich bekannt, als
Strangpressteile hergestellt werden. Insoweit als die Formkörper aus Funktionsgründen
eine von der rein prismatischen Form abweichende Form haben müssen, etwa dort, wo
die Nuten gekrümmt verlaufen, ist es möglich die als Strangpressteile vorgeft !ten
Formkörper nachträglich und zwar nach oder vorzugsweise vor dem Brennen durch Fräsen
oder - vor dem Brennen auch durch Prägen - weiter zu verformen.
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Die weiter oben erwähnten Kanäle für die Aufnahme von Armierung elementen
können natürlich beim Strangpressen mit eingebracht werden.
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Insoweit als die Formkörper für die Aufnahme von Rohrkrümmungen gekrümmte
Nuten aufweisen, wird nach Möglichkeit darauf
geachtet, auch in
diesen gekrümmten Nuten die flächige Berührung der Rohre mit den Begrenzungsflächen
zu erhalten.
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Es hat sich gezeigt, daß mit den verhältnismäßig wenigen Formkörpern
verschiedener Form eine ausreichende Zahl von in der Praxis vorkommenden Verlegemustern
beherrschen kann.
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Es hat sich gezeigt, daß die Höhe einer erfindungsgemäßen Fußbodenkonstruktion
gemessen von der Unterseite der Formkörper bis zur Oberseite des Plattenbelags kleiner
als 65 mm, vorzugsweise kleiner als 55 mm sein kann, wodurch den Erfordernissen
der Praxis auch in Altbauten in aller Regel Rechnung getragen ist. Dabei wird davon
ausgegange., daß' der Außendurchmesser der Kunststoffrohre ca. 18 mm, die Höhe der
Formkörper ca. 35 bis 40 mm und die Höhe der Platten 10 bis 20, vorzugsweise 12
bis 18 mm beträgt.
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Innerhalb der unter sonstigen Gesichtspunkten in Frage kommenden Formkörpern
und Platten werden bevorzugt diejenigen ausgewählt, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzen.
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Es sind dies insbesondere diejenigen Formkörper und Platten die einen
hohen Anteil an kristalliner Phase haben.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion kann auf beliebigen Unterkonstruktionen
verlegt werden, z.B. aus Beton oder auch aus Holz (wie es in Altbauten häufig anzutreffen
ist)lwobei die untere Zwischenschicht an die jeweiligen Verhältnisse der Unterkonstruktion
anzupassen sein wird und auch an die Forderungen der Wärme- und Schall-, insbesondere
Trittschallisolierung.
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Nur beispielsweise seien untere Zwischenschichten in Form von SandaufSchtttungen
(zum Ausgleich von Unebenheiten) und in Form von Dämatten oder Platten (zur Isolierunq)
erwähnt, wobei selbstverständlich auch Kombinationen denkbar sind.
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Die beiliegenden Figuren erläutern die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen.
Es stellen dar: Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße -ußbodenkonstruktion,
Fig. 2 bis 5 Schnitte ensprechend demjenigen der Fig. 1 bei unterschiedlicher Gestaltung
der Formkörper und der Zwischenschichten und Fig. 6 ein Beispiel eines Verlegemusters.
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In Fig. 1 ist eine Unterkonstruktion ganz allgemein mit 10 bezeichnet.
Sie besteht aus Holz mit kreuzweise verlaufenden ;Latten 12 und Dielen 14. Auf dieser
Unterkonstruktion 10 liegt eine untere Zwischenschicht 18 auf, die ihrerseits aus
einer Sandschicht 20 und Dämmplatten 22 besteht. Auf die untere Zwischenschicht
18 folgt eine Lage von keramischen Formkörpern 24, in welchen Kunststoffrohre 26
verlegt sind.
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Über den Formkörpern 24 folgt eine obere Zwischenschicht 28 und über
dieser ein Belag von keramischen Platten 30.
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In Fig. 2 erkannt man folgendes: In die Formkörper 24 sind Nuten 32
eingelassen,die durch parallele ebene Seitenflächen und durch einen halbkreisförmigen
Nutengrund definiert sind. Die Kunststoffrohre 26 haben ebenfalls Kreisquerschnitt
und liegen über einen Halbkreis vollflächig am Nutengrund an. Die obere Zwischenschicht
28 füllt auch die von den Kunststoffrohren 26 frei gelassenen Teilräume in den Nuten
32. In der oberen Zwischenschicht 28 ist eine Armierung 34 verlegt. Die Stöße der
Formkörper 24 und der Platten 30 sind wie am linken Ende der Fig. 2 erkennbar gegeneinander
versetzt. Parallel zu den Nuten 32 verlaufen
Kanäle 36, welche
Armierungsdrähte 38 aufnehmen.
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In Fig. 3 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen,
jeweils vermehrt um die Zahl 100.
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Man erkennt, daß bei dieser Ausführungsform die Kunststoffrohre 126
oben flach gedrückt sind und deshalb eben an den Platten 130 anliegen. Weiterhin
umschließen die Nuten 132 die Kunststoffrohre 126 über mehr als 1800 und die Kanten
der Nuten 132 weisen Abschrägungen 140 auf, die einen konvergent-divergenten oberen
Nutenausqang bilden.
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In Fig. 4 sind analoge Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen,
wie in Fig. 3 weiter vermehrt um die Zahl 100.
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Der Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 3 liegt: nur darin,
daß das Rohr 226 mit seinem unverformten Scheitel an der Unterseite der Platten
230 anliegt.
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In der Ausführungsform nach Fig. 5 sind analoge Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen, wie in Fig. 2, jeweils vermehrt um die Zahl 300. In dieser
Ausführungsform ist unter Verzicht auf eine Armierung die Nut 332 nach oben mit
einem konvergent-divergentem Ausgang versehen, wobei der Scheitel der Rohre 326
unterhalb der Oberseite der Formkörper 324 liegt. Die Formkörper 324 sind mit formschlüssig
ineinander eJreifenden Randprofilen 3;l2, 3d4 versehen, zwischen denen ein Kleber
oder DünnbeLLtttörtol liegen kann.
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Die Randprofile 342,344 verlaufen parallel zu den Nuten 332 und zu
den Kanälen 336.
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In der Fig. 6 erkennt man verschiedene Arten von Formkörpern 24a,24b,24c,24d
usw. und'die darain verlegten Kunststoffrohre.
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Für die Art der zur Anwendung kommenden Kunststoffrohre ist noch folgendes
nachæutragen:
Es ist auch möglich, solche Kunststoffrohre zur Anwencung
zu bringen, die aufgrund von Orientierungsvorgängen bei ihrer Herstellung dazu neigen,
bei Anlegen erhöhter Temperatur ihren Durchmesser bleibend zu vergrößern, so daß
sie, obgleich zunächst nicht vollflächig anliegend, nach einer erstmaligen Durchleitung
von heißem WärmeüSertragungs-=dium nachträglich in enge flächenhafte Berührung mit
der Nutbegrenzungsfläche treten. Je nachdem, bei welchen Temperaturen diese Durchmesservergrößerung
eintritt, ist es möglich als Teil der Montaqe vor der Inbetriebnahme ein Wärmeübertragungsmittel
mit einer die normale Betriebstemperatur übersteigenden Temperatur durch die Rohre
zu le-iten.
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Für die Herstellung der Rohre kommen die veschiedensten Arten thermoplastischer
Kunststoffe in Frage. Als Beispiele seien die Polyolefine genannt und hier insbesondere
Polyäthylen, Polypropylen und Polybuten.
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Weiter nachzutragen ist noch, daX für die Wärmeleitfähigkeit der keramischen
Formkörper und/oder Platten neben dem Anteil an kristalliner Phase auch die Dichte
verantwortlich ist; mit steigender Dichte steigt die Wärmeleitfähigkeit, so daß
man eine hohe Dichte anstrebt.
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L e e r s e i t e