Brennwertkessel
Ein Brennwertkessel ist ein Heizkessel für Warmwasserheizungen, der den Energieinhalt (Brennwert) des eingesetzten Brennstoffes nahezu vollständig nutzt. Mit Brennwertkesseln wird das Abgas weitestgehend abgekühlt und dadurch auch die Kondensationsenthalpie (umgangssprachlich auch latente Wärme genannt) des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes zur Wärmebereitstellung genutzt.
Je nach Brennstoffart, Verbrennungstemperatur, Sauerstoffanteil und sonstigen Faktoren entstehen bei einer Verbrennung unterschiedliche Substanzen.[1] Wird das Abgas unter den Taupunkt abgekühlt, beginnen dessen kondensierbare Stoffe zu kondensieren.
Herkunft des Wasserdampfes
Der Wasserdampf im Abgas hat zwei Quellen:
- Wasserstoffatome von Kohlenwasserstoffen und sonstigen organischen Verbindungen, die bei der Verbrennung mit Sauerstoff zu H2O reagieren;
- Produktfeuchte der Brennstoffe (beispielsweise rohes Biogas, Stückholz, Kohle, frisch gelöschter Koks, Getreide (siehe Getreideverbrennung), Altbrot, sonstige Biomasse, Abfälle), wobei derzeit im Kleinfeuerungsbereich vor allem nur Brennwertkessel für Gasheizungen, Ölheizungen und Pelletheizungen am Markt zu finden sind.
Je höher der Wasserstoffanteil eines Brennstoffes ist, desto höher ist die Menge an Wasserdampf, die nach der Verbrennung des Brennstoffes im Abgas enthalten ist. Brennwertkessel vermögen entsprechend ihrer Qualität und abhängig von den Betriebsbedingungen einen mehr oder weniger großen Anteil der Kondensationsenthalpiee zu nutzen.
Bei der Verbrennung von Methan entstehen aus einem Molekül CH4 ein Molekül CO2 und 2 Moleküle H2O, aus einem Mol (rund 16 g) CH4 entstehen somit zwei Mol (rund 36 g) H2O, also ungefähr die 2,25-fache Masse an Wasser(dampf). Bei der Umsetzung von C zu CO2 und von H zu H2O wird Energie frei. Die geringe Feuchte in Erdgas ist dabei vernachlässigbar, die Feuchte in festen Brennstoffen nicht. Die Hauptwassermenge entsteht durch die Oxidation der Wasserstoffatome des Brennstoffs. Bei der Verbrennung langkettigerer (meist flüssiger) Kohlenwasserstoffe (am Beispiel Oktan C8H18 ersichtlich) ist das Verhältnis der Wärmeenergie liefernden Kohlenstoffatome zu den Wasserdampf ergebenden Wasserstoffatomen erhöht, so dass entsprechend weniger Wasserdampf (pro Masse) entsteht.
Dies hat folgende Auswirkungen:
- Der Wasserdampftaupunkt in Rauchgas bei der Verbrennung von Erdgas liegt bei ca. 59 °C und bei der Verbrennung von Heizöl bei ca. 48 °C (genaue Angaben sind nicht möglich, da Erdgase und Heizöle variable Zusammensetzungen aufweisen). Der Taupunkt bei der Holzverbrennung liegt je nach Feuchtegehalt zwischen 20 und 60 °C.[2]
- Bei Erdgas-Brennwertkesseln ist die Brennwertnutzung bei höheren Vorlauftemperaturen möglich als bei Heizöl-Brennwertkesseln.
- Erdgas-Brennwertkessel erzeugen mehr Kondensat als Heizöl-Brennwertkessel (bei Abkühlung des Abgases beispielsweise auf 40 °C).
- Erdgas-Brennwertkessel liefern mehr Brennwerteffekt bezogen auf den Heizwert als Heizöl-Brennwertkessel.
- Die Verluste latenter Wärme liegen in konventionellen Heizkesseln beim Verbrennen von Brenngas bei maximal etwa 11 Prozent des Brennwertes, beim Verbrennen von Heizöl EL bei maximal etwa 6 Prozent.
- Im Brennstoff vorhandene Schwefelverbindungen verbrennen zu SO2 und SO3, die mit dem Wasserdampf im Abgas zu schwefliger Säure und Schwefelsäure weiterreagieren. Der Säuretaupunkt schwefelhaltiger Brennstoffe liegt im Bereich 120 bis 150 °C.[3] Je weiter der Taupunkt abgesenkt wird, desto mehr wird das saure Kondensat durch Kondenswasser aus dem Rauchgas verdünnt. Entsprechend dem Korrosionsverhalten der Kondensate können bei Wärmetauschern je nach Kondensationszone unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen. Ist die Nutzwassertemperatur („Vorlauf“) zu hoch eingestellt (um veraltete Radiatoren zur Gebäudeheizung zu verwenden), dann verlagert sich die Zone der Säurekondensation in jenen Bereich, wo bei (korrekter) niedrigerer Vorlauftemperatur an sich stärker verdünnte Säure kondensieren würde, und es können Korrosionsprobleme auftreten.
Geschichte
Die ersten Brennwertkessel wurden von Richard Vetter entwickelt (1982 für Gas serienreif, 1984 für Öl)[4] und sind mittlerweile Standard, wenn ein neuer Heizkessel eingebaut werden soll.
Die Gas-Voll-Brennwertkesseltechnik gilt seit Beginn der 1990er Jahre als Stand der Technik. Die Öl-Brennwerttechnik hat sich seit Mitte der 90er Jahre durchgesetzt. Dabei setzten zunächst kleinere Unternehmen wie Bomat oder ROTEX auf die Brennwerttechnik. Die Branchengrößen wie Viessmann und Buderus zogen erst nach, als am Markt immer mehr Öl-Brennwerttechnik verlangt wurde. Der erste serienmäßig hergestellte Gas-Brennwertkessel Serie FSM-RK wurde 1978 zugelassen. Der Leistungsbereich war 130–1000 kW. Der erste Brennwertkessel „mit Gasbrenner ohne Gebläse“ wurde 1980 von der Gasgerätegesellschaft (GGG) aus Bochum auf der Internationalen Sanitär- und Heizungsmesse (Frankfurt am Main) vorgestellt. Der Leistungsbereich war 8–20 kW.[5]
Das Problem bei der Zulassung des Vetter-Kessels durch den TÜV war der (durch seine Erfindung) veraltete "Stand der Technik", für Brennwertkessel die DIN 4702 Teil 6. Vetter kühlte die Rauchgase so weit ab, dass thermoplastische Kunststoffe zur Ableitung und im Abhitzewärmetauscher geeignet waren. Die bisherige Vorschrift verlangte aber hitzeresistente Materialien.
Die Firma Fröling hat im Jahr 1978 ihre DIN-DVGW-Registrier NR. 86.01. bis 10.dB für die ersten Gas-Brennwertkessel Typ FSM-RK auf dieser Basis erworben. Als Erfinder der FSM-RK Brennwertkessel wurde bei der Patentanmeldung der Leiter der Entwicklung, Robert Kremer in Leverkusen, eingetragen.[6]
Öl-Brennwertkessel sind seit 1996 nach DIN 4708 Teil 7 genormt. Nach der letzten Energieeinsparverordnung von 2015 sind in Deutschland 30 Jahre alte Heizkessel (außer Niedertemperatur-Heizkessel oder Brennwertkessel) inzwischen durch Brennwertkessel zu ersetzen.
Grundlagen
Bei der Benennung des spezifischen Energiegehalts von Brennstoffen unterscheidet man die Begriffe Heizwert und Brennwert. Der Heizwert Hi (früher Hu) bezieht sich auf die bei vollständiger Verbrennung gewinnbare Wärme; darüber hinaus beinhaltet der Brennwert Hs (früher Ho) zusätzlich die Kondensationsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs. Die Wirkungsgrade von Heizkesseln beziehen sich auf den Heizwert Hi. Dadurch haben Brennwertgeräte i. d. R. einen Wirkungsgrad über 100 %.
Der maximal erreichbare Wirkungsgrad bezogen auf den Heizwert Hi ist vom Brennstoff abhängig. Erdgas ermöglicht einen theoretischen Wirkungsgrad von 111 % bezogen auf Hi, während Heizöl eine verhältnismäßig geringere (theoretische) Steigerung auf 106 % ermöglicht, weshalb bei Ölheizungen Änderungen der Auslegung des Brenners (Blaubrenner, durch erhöhte Luftzufuhr wird die Verbrennung im Vergleich zum konventionellen Gelbbrenner vollständiger) im Niedertemperaturkessel eine höhere Einsparung bieten.
Separat vom Heizkessel oder fest eingebaut wird hinter dem Brenner das Abgas durch einen Abgaswärmetauscher geleitet, der die Abgase ganz oder teilweise unter den Taupunkt kühlt. Hierdurch kondensiert sowohl das neben Kohlendioxid hauptsächlich anfallende Verbrennungsprodukt Wasser als auch sonstige Stoffe (siehe dazu den Artikel Kondensat (Heizungstechnik)). Beispielsweise Dämpfe von Säuren aus dem Abgas, vor allem Salpetersäure/salpetrige Säure aus der Verbrennung (Stickoxide NOx) und Schwefelsäure/schwefelige Säure aus den Anteilen von im Brennstoff enthaltenen Schwefel. Entschwefeltes Heizöl ist bei Verwendung von Brennwerttechnik daher empfehlenswert.
Die Nutzung der Kondensationsenthalpie der kondensierbaren Stoffe im Abgas verbessert den feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Das reduziert den Verbrauch der Brennstoffe (Stichwort Energiesparen) und damit den Ausstoß von CO2, aber auch den Ausstoß von säurebildenden Gasen und sonstigen kondensierbaren Verbindungen (s. u.). So wird neben der Brennwertnutzung noch zusätzlich verhindert, dass kondensierbare Verbindungen und mit dem Kondensat abscheidbare Stäube die Luft verschmutzen und die sauren Bestandteile in die Atmosphäre gelangen und als saurer Regen niedergehen.
Kondensat, das direkt in das Abwassersystem eingeleitet wird, muss gemäß den Bestimmungen der Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) behandelt werden.[7] Bei Heizöl und bei Einleitung in Kleinkläranlagen ist die Neutralisierung immer notwendig, bei Erdgas oder Flüssiggas erst ab einer Mindestgröße des Heizkessels; eine säureempfindliche Abwasserinstallation im Haus kann ebenfalls die Neutralisation notwendig machen. Hierzu wird das Kondensat in einer Neutralisationsbox durch Granulat geleitet; das verbleibende Wasser ist neutralisiert, verbrauchtes Granulat kann über den Müll entsorgt werden.[8]
Der tatsächlich erreichbare Wirkungsgrad einer Brennwertanlage hängt von der tiefstmöglichen Temperatur der Wärmetauschermedien ab (Heizungsrücklaufwasser oder kaltes Trinkwasser oder Zuluft), je niedriger diese ist, desto höher wird der Wirkungsgrad des Abgaswärmetauschers.
Blockheizkraftwerk
Neben konventionellen Heizkesseln können auch Blockheizkraftwerke, die über einen Motor/Generator Strom und über dessen Abwärme Wärme erzeugen (Kraft-Wärme-Kopplung), mit nachgeschalteten Abgaswärmetauschern in Brennwerttechnik betrieben werden.
Der Hersteller einer häufig verbauten Mini-KWK-Anlage gibt hierzu folgende Werte an:
Erdgas
Ottomotor Elektrisch 5,5 kW (27 %), thermisch 12,5 kW (61 %), Heizwert 20,5 kW – Gesamtwirkungsgrad 88 %
Annahmen: Abgastemperatur 150 °C, Erdgasverbrauch 2 m³/h, M Abgasausstoß 40,8 kg/h.
| Rücklauftemperatur | Abgastemperatur (ca.) | Kondensationsgrad | Wärmegewinn (ca.) | Wirkungsgrad |
|---|---|---|---|---|
| 20 °C | 40 °C | 80 % | 3,0 kW | 102,4 % |
| 35 °C | 55 °C | 50 % | 2,3 kW | 99 % |
| 50 °C | 75 °C | 5 % | 0,9 kW | 92,2 % |
| 60 °C | 85 °C | 0 % | 0,8 kW | 91,7 % |
Bei vollständiger Kondensation entstehen ca. 1,5 Liter Kondenswasser je m³ Erdgas (je Heiz-Kraft-Anlage (HKA) ca. 3 l/h).
Heizöl
Dieselmotor elektrisch 5,3 kW (30 %), thermisch 10,5 kW (59 %), Heizwert 17,9 kW – Gesamtwirkungsgrad 89 %
Annahmen: Abgastemperatur 150 °C, Heizölverbrauch 1,9 l/h, Abgasausstoß 42,9 kg/h.
| Rücklauftemperatur | Abgastemperatur (ca.) | Kondensationsgrad | Wärmegewinn (ca.) | Wirkungsgrad |
|---|---|---|---|---|
| 20 °C | 40 °C | 60 % | 2,0 kW | 99,4 % |
| 35 °C | 55 °C | 20 % | 1,4 kW | 96 % |
| 50 °C | 75 °C | 0 % | 0,8 kW | 92,7 % |
| 60 °C | 85 °C | 0 % | 0,7 kW | 92,2 % |
Bei vollständiger Kondensation entstehen ca. 0,8 Liter Kondenswasser je l Heizöl (bei 1 HKA ca. 1,5 l/h).
Bei einer Laufzeit der HKA (Heiz-Kraft-Anlage) von 5000 Stunden werden zusätzlich mit dem Kondenser ca. 3000 kg CO2 -Emissionen vermieden. Für den Wärmegewinn aus dem Abgas – die Wärme würde ohne Kondenser sonst in die Umgebung abgegeben – müssten ca. 20 m² Sonnenkollektoren installiert werden.[9] Bei hoher Rücklauftemperatur ist ein Abgaswärmetauscher nur interessant, um das Abgas zu kühlen und so für niedrigere Temperaturen ausgelegte Abgasführungen verwenden zu können.
Technik
Das bei der Verbrennung anfallende Kondensat ist sauer und greift deshalb unedle Werkstoffe an. Früher verwendete Kesselmaterialien und Kaminrohre waren hierfür nicht korrosionsfest genug. Durch die Kesselkonstruktion wurde die Kondensation im Kessel deshalb absichtlich verhindert, was nur mit hohen Kesselwassertemperaturen (>70 °C) möglich war. Eine nachfolgende Kondensation in langen Schornsteinen hätte Versottung bewirkt, darum war man bestrebt, eine Abgastemperatur von rund 120 °C nicht zu unterschreiten.
Da die abgekühlten Rauchgase aus Brennwertfeuerungen nicht mehr den Schornstein erwärmen, sondern deren kondensierbare Bestandteile am „kalten“ Kamin (der wie ein Durchlaufkühler wirkt) kondensieren, muss ein alter Kamin beim Einbau eines Brennwertkessels umgebaut werden. Dazu wird ein säurebeständiges Rohr mit nichtsaugender, nichtporöser Oberfläche (aus temperaturbeständigem Polypropylen-S bis 120 °C, PTFE bis 160 °C oder ein druckdichtes Edelstahlrohr) in den Kamin eingezogen, durch das die Abgase nach außen geleitet werden. Bei Neubauten werden auch Kaminrohre mit säurefester Keramikbeschichtung verwendet. Wird dieses Rohr bei alten Kaminen nicht eingebaut, durchfeuchtet der Schornstein. Das kann gravierende Schäden am Mauerwerk nach sich ziehen.[10]
An der Innenwand des dichten Rohres laufen die Kondensate des Abgases nach unten zurück und werden mitsamt dem Kondensat aus dem Wärmetauscher abgeleitet. Die enthaltene Säure kann durch geeignete Einrichtungen neutralisiert werden. Das gesamte Kondensat kann dann im Rahmen der gesetzlichen Vorschriften in die Kanalisation geleitet werden. Fehlt ein über eine Gefälleleitung erreichbarer Abwasseranschluss ist hierzu gegebenenfalls eine Kondensathebeanlage erforderlich.
Wird bei Heizsystemen mit höherer Rücklauftemperatur (Heizkörperanlagen) der Brennwerteffekt eines installierten Brennwertkessels nicht ausgenutzt, da der Heizungsrücklauf die Rauchgase nicht tief genug abkühlt, können verschiedene Lösungen eingesetzt werden:
- Mit einem Luft-Abgas-System (auch LAS-Rohr oder LAS-Kaminsystem genannt) wird die zur Verbrennung nötige, angesaugte Frischluft im Gegenstrom durch die ausströmenden Rauchgase erwärmt. Die warmen Abgase werden durch das innere Rohr eines Rohr-in-Rohr-Systems abgeführt, dabei wird Wärme an die kältere, durch das äußere Rohr des Luft-Abgas-Systems zum Brenner geführte Zuluft abgegeben. Den Abgasen wird hier durch Wärmeaustausch oder nach Kondensation des Wasserdampfs Energie entzogen. Dadurch kann noch bei Rücklauftemperaturen oberhalb des Rauchgastaupunktes des jeweiligen Brennstoffes Kondensationswärme genutzt und ein Brennwertbetrieb ermöglicht werden.
Das Abgas kann bei den o. g. Verfahren maximal so weit heruntergekühlt werden, wie es der Temperatur des kältesten Mediums im gesamten Wärmetauschprozess entspricht:
- Bei geringen Vorlauftemperaturen, etwa bei Niedertemperatur-Heizsystemen oder in der Übergangszeit (Frühling und Herbst), wenn die Heizung mit wenig Leistung oder geringen Vorlauftemperaturen in Teillast[11] betrieben wird, ist entweder der Heizungsrücklauf oder die Frischluft das kälteste Medium.
- Bei hohen Rücklauftemperaturen stellt mengenmäßig wesentlicher die kalte Frischluft das kältere Medium dar, weniger (wegen der im Vergleich zum Heizaufwand geringeren Heißwasserentnahme) der kalte Trinkwasserzulauf. Hohe Rücklauftemperaturen treten vor allem auf
- bei Hochtemperatur-Heizsystemen (Heizkörpern),
- im kalten Winter bei hohen Vorlauftemperaturen, um damit schnell Wärme in die rascher auskühlenden Räume zu bringen,
- bei geschlossenen Heizkörperventilen,
- bei ungenügendem hydraulischen Abgleich der Heizkörperanlage.
- bei der Erwärmung eines Heißwasserspeicherkessels: Bei zu häufig auftretendem Nachheizen eines abgekühlten Pufferspeichers (bei geringer Temperaturspreizung) kann das zirkulierende Kesselwasser erhöhte Temperatur haben.
Dementsprechend kann der Brennwerteffekt nicht zu jeder Jahreszeit maximal genutzt werden, angepriesene optimale Einsparungseffekte sind daher zu relativieren.
Niedertemperatur-Heizsysteme (Fußbodenheizung, Wandheizung, Heizleisten etc.) bewirken von vornherein schon eine niedrigere Rücklauftemperatur, unterhalb der möglichen Taupunkte. Der Energiegewinn bei Aufrüstung von einem normalen Brennwertgerät auf ein Voll-Brennwertgerät oder Luft-Abgas-System ist daher bei diesen Heizsystemen geringer, da damit nur die geringen Energiegehalte des schon weit abgekühlten Abgases genutzt werden können. Die Wirtschaftlichkeit des Aufrüstens sollte daher für solche Anwendungen vom Hersteller nachgewiesen sein.
Abgasanlage
Wegen der niedrigen Abgastemperaturen ist der Kamineffekt im Abzug nur schwach. Deshalb haben viele Brennwertgeräte einen Ventilator eingebaut. Dieser soll den sicheren Abzug des Abgases gewährleisten.
Last- und rücklauftemperaturunabhängige Brennwertkessel
Vetter hatte die Idee, den im Abgas enthaltenen Wasserdampf in einem separaten Kunststoffwärmeübertrager kondensieren zu lassen. Voraussetzung dafür ist, dass die Abgase bereits auf rund 65 °C abgekühlt wurden (sonst verformt sich der Kunststoff).
Im Kunststoffwärmeübertrager werden dann die Abgase weiter abgekühlt und so für die Kondensation nötigen Temperaturen unterschritten.
Die für den Verbrennungsvorgang benötigte Frischluft kühlt auf ihrem Weg zum Brenner den Wärmetauscher und erwärmt sich. Die Wärmeenergie wird auf diese Weise im System zurückgehalten und geht nicht mit dem Abgas verloren. Je kälter die einströmende Frischluft ist (z. B. im Winter), desto besser wird der Wirkungsgrad, denn dann werden die Abgase stärker abgekühlt.
Da der Kunststoffwärmeübertrager unempfindlich gegenüber der im Kondensat enthaltenen Schwefelsäure ist, spielt der im Brennstoff enthaltene Schwefelanteil keine Rolle. Öl-Brennwertheizungen können deshalb schwefelhaltige Heizöle verfeuern.
Durch diese Anordnung ist bei diesen Kesseln der Brennwert weder last- noch rücklauftemperaturabhängig. Solche Kessel können eingesetzt werden, wo Vor- und Rücklauftemperaturen zwischen 90 °C und 60 °C liegen müssen. Man nennt sie Hochtemperatur-Brennwertkessel bzw. „Voll-Brennwertkessel“.
Last- und rücklauftemperaturabhängige Brennwertkessel
Andere Konstrukteure haben die Idee aufgegriffen, nutzen dazu aber andere Möglichkeiten. Bei ihnen wird mit den Abgasen nicht die zur Verbrennung benötigte Frischluft erwärmt. Stattdessen wird die aus der Kondensation zur Verfügung stehende Energie direkt dem Heizungswasser übertragen.
Die Brennwertnutzung wird dadurch erreicht, dass Rücklauftemperatur (= die Eintrittstemperatur des Heizungswassers in den Heizkessel) so weit abgesenkt wird, dass der Taupunkt des Abgases an den Wärmeübertragerflächen unterschritten wird.
Dies kann je nach Konstruktion im Kessel selbst oder in einem separaten und nachgeschalteten Wärmeübertrager geschehen. Der Kessel (bei interner Kondensation) bzw. der Wärmeübertrager (bei nachgeschalteter Kondensation) muss wegen des dabei entstehenden Kondensates säureresistent sein.
Durch diese Anordnung ist der Brennwert last- und rücklauftemperaturabhängig. Diese Geräte sollten deshalb in Anlagen eingesetzt werden, wo Rücklauftemperaturen niedrig sind, z. B. bei Fußbodenheizungen (< 30 °C) oder die Dauerkondensationstemperatur hoch ist. Im Regelfall findet hier nur eine Teilkondensation statt, da zwar die Rücklauftemperatur unter dem Taupunkt liegt, die Abgastemperatur aber darüber. Man spricht hier von einem Niedrigtemperatur-Brennwertkessel.
Notwendige Änderungen/Voraussetzungen an Heizungsanlagen
Prinzipiell können Brennwertgeräte in jeder Heizungsanlage eingesetzt werden. Allerdings muss die Ableitung des Kondensats sichergestellt sein, d. h. der Kessel muss mit dem Abwasser-Abfluss verbunden werden. Eine manuelle Entleerung ist aufgrund der anfallenden Wassermenge nicht praktikabel. Das Kondensat darf in den meisten Fällen ohne Neutralisation in den Abfluss geleitet werden.[12] Ob der Brennwerteffekt tatsächlich genutzt wird, kann durch Kontrolle der Kondensatmenge (mit Vergleich zum Brennstoffverbrauch) geprüft werden.
Bei den Hochtemperatur-Brennwertkesseln (siehe oben) ist der Brennwert nicht last- oder rücklauftemperaturabhängig. Es gibt hier deshalb keine Einschränkungen, weder für Fußboden- noch andere Heizungen.
Bei den Niedrigtemperatur-Brennwertkesseln ist der Brennwert last- und rücklauftemperaturabhängig; zu hohe Rücklauftemperaturen vernichten den Brennwerteffekt. Damit erhöhen niedrige Rücklauftemperaturen die Effektivität. Eine Kombination mit entsprechend groß dimensionierten Heizflächen, z. B. Fußbodenheizungen, ist daher sinnvoll, jedoch nicht zwingend. In der Regel sind die vorhandenen Heizkörper nach Modernisierungsmaßnahmen am Gebäude (z. B. Fensteraustausch) groß genug dimensioniert, dass sie ausreichend geringe Rücklauftemperaturen haben.
Die Wärmeleistung, die ein Heizkörper an den Raum abgeben muss, sinkt allerdings bei ansteigenden Außentemperaturen stark. Je weniger Heizwärme vom Heizkörper abgegeben werden muss, desto höher ist die Rücklauftemperatur des Heizkörpers. Deswegen ist bei Brennwertgeräten der Einbau differenzdruckgeregelter Umwälzpumpen ein Muss: nur dann kann sichergestellt werden, dass der Volumenstrom des Heizkreislaufes stets der abgefragten Heizleistung angepasst ist und die Rücklauftemperatur optimal niedrig ist. Dies bedingt allerdings auch die (einmalige) Anpassung des Differenzdruckes der Umwälzpumpe an die Gegebenheiten der jeweiligen Heizanlage. Dies ist bei solchen Pumpen in der Regel durch ein an der Pumpe angebrachtes Potentiometer möglich.
Einflüsse auf die Rücklauftemperatur
Sogenannte Überströmventile, die oft direkt nach der Umwälzpumpe zwischen Vor- und Rücklauf (bei Wandgeräten auch in das Gerät integriert) eingebaut sind, öffnen sich im Teillastbetrieb zum Druckabbau. Das passiert, wenn aufgrund schließender Thermostatventile zu wenig Wasser durch das Heizsystem gepumpt wird und in der Folge im Heizkessel zu wenig Wärme abgeführt wird und sich der Kessel überhitzt (der Kesselvolumenstrom kleiner ist als der Auslegungsvolumenstrom). Diese Überströmventile öffnen sich dann, um die Pumpe zu entlasten oder um eine vom Kessel benötigte Mindestumlaufwassermenge sicherzustellen, und heben dabei die Rücklauftemperatur an (Rücklaufanhebung). Letzteres gilt auch für 4-Wege-Mischer.
Sowohl Überströmventile als auch 4-Wege-Mischer sollten bei Einsatz von Brennwertkesseln stillgelegt oder ausgebaut werden, damit die Rücklauftemperatur am Kessel so niedrig wie möglich ist. Insbesondere Wandgeräte weisen aber oft so geringe Kesselwasserinhalte auf, dass zum Schutz der Wärmeübertragerflächen vor einer thermischen Überbelastung eine gewisse Mindestumlaufwassermenge durch Überströmventile sichergestellt werden muss. Die Mindestumlaufwassermenge soll möglichst klein sein.[13]
Manche Hersteller verstehen unter Anhebung der Rücklauftemperatur, dass nur die Temperatur des Kesselwassers im heißesten Teil des Wärmetauschers angehoben wird, damit (wenn nach einem Brennerstillstand der wasserdurchflossene Wärmetauscher auf die zu kalte Rücklauftemperatur abgekühlt wird) in diesem Teilstück keine Wasserdampfkondensation stattfindet (die zu Korrosion, erheblicher Glanzrußbildung an den Tauscherflächen und zum Totalschaden am Wärmetauscher führen könnte) und in diesem Teilbereich des Wärmetauschers nur Abkühlung oberhalb des Taupunkts stattfindet, für die Abkühlung unter den Taupunkt ist dann ein „nachgeschalteter“ korrosionsfesterer Abschnitt des Wärmetauschers vorgesehen.
Die Probleme mit Überströmventilen entfallen beim Anschluss des Kessels über eine hydraulische Weiche. Beim Einsatz einer hydraulischen Weiche ist darauf zu achten, dass der kesselseitige Volumenstrom den heizkreisseitigen Volumenstrom in der hydraulischen Weiche nicht überschreitet. Andernfalls würde heißes Vorlaufwasser dem Rücklauf zum Kessel wieder beigemischt werden und dessen Temperatur anheben, was den Brennwerteffekt verringern oder sogar zunichtemachen würde. Der kesselseitige Volumenstrom sollte daher 10 bis 30 % niedriger als der heizkreisseitige Volumenstrom eingestellt werden. Die hydraulische Weiche erhöht oft die Verbrauchskosten.
Wird ein Brennwertkessel „unsachgemäß betrieben“ (beispielsweise durch Anschluss an ein Nicht-Niedertemperaturheizsystem oder wenn die Rücklauftemperatur immer zu hoch ist), können Schäden auftreten. Bei Pellet-Brennwertkesseln besteht der Feinstaub neben Ruß aus mineralischen Salzen,[14] die sich im Wärmetauscher abscheiden und dort vom zugleich auftretenden Wasserdampfkondensat abgewaschen werden; tritt wegen zu hoher Rücklauftemperaturen keine Dampfkondensation ein, so verbacken diese Salze, vermindern den Wärmeübergang in den Wärmetauscher und verstopfen die Abgaskanäle.
Brennwertkessel mit Modulation der Leistung
Moderne Brennwertkessel passen Brenner- und Pumpenleistung an die gerade nötige Heizlast an. Dies reduziert eine Taktung des Geräts. Ein- und Ausschaltvorgänge nutzen den Kessel ab und führen zu Auskühlverlusten in den Pausen zwischen den Betriebsphasen.
Wirkungsgrad und Nutzungsgrad des Brennwertkessels
Der Wirkungsgrad eines Gerätes sagt aus, welcher Teil der eingesetzten Leistung genutzt werden kann. Wirkungsgrade stellen stets eine Momentaufnahme dar (z. B. Messung im Beharrungszustand bei 70 °C Kesselwassertemperatur und Nennleistung) und beziehen sich auf das Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Leistung. Für die energetische Bewertung eines Kessels reicht dies jedoch nicht aus, da die Bereitschaftswärmeverluste nicht berücksichtigt werden. D. h., es werden lediglich die Verluste berücksichtigt, die bei laufendem Brenner anfallen.
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad, der im Schornsteinfegerprotokoll ausgewiesen wird, gibt an, welcher Anteil der in Form von Brennstoff dem Kessel zugeführten Leistung nach Abzug der trockenen (oder auch sensiblen) Abgasverluste übrig bleibt. Von diesem Anteil müsste nun korrekterweise noch der latente Abgasverlust abgezogen werden, der aufgrund der nicht oder nicht vollständig genutzten Kondensationswärme des Abgases entsteht.
Eine vollständige energetische Bewertung von Kesseln kann nur mit Hilfe des Kessel-Nutzungsgrades erfolgen. Der Kessel-Nutzungsgrad ist das Verhältnis aus der in einem bestimmten Zeitraum in Form von Brennstoff zugeführten Energiemenge und der vom Kessel an das nachgeschaltete Heizungsnetz bzw. an den Warmwasserspeicher abgegebenen Nutzenergie. Die Angabe des Kessel-Nutzungsgrades berücksichtigt im Gegensatz zur Kessel-Wirkungsgradangabe auch die im Betrieb anfallenden Bereitschaftwärmeverluste des Kessels, die beispielsweise durch die Abgabe von Strahlungswärme an den Aufstellraum während des Brennerstillstands erfolgen.
Bei Wirkungs- und Nutzungsgradangaben ist stets anzugeben, ob diese sich auf den Heizwert Hi (früher Hu) des eingesetzten Brennstoffes oder auf den Brennwert Hs (früher Ho) beziehen. Um die Wirkungs- und Nutzungsgrade von Kesseln, die mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, vergleichen zu können, eignen sich lediglich brennwertbezogene Angaben, da nur diese die gesamte im Brennstoff enthaltene Energie nennen. Die theoretisch erreichbaren Wirkungs- und Nutzungsgrade liegen bei Öl-Brennwertkesseln bei 100 %, wenn mit Hs, und 106 %, wenn mit Hi gerechnet wurde. Bei Gas-Brennwertkesseln werden maximal 100 % mit Hs und maximal 111 % mit Hi berechnet erreicht.
Die heizwertbezogene Betrachtung ignoriert die latenten Wärmeverluste (Kondensationsenthalpie).
Auch der Stromverbrauch einer Heizung ist zu berücksichtigen.
Einen besseren Wirkungsgrad als Brennwertkessel bieten nur gasbetriebene Wärmepumpen und gasbetriebene Blockheizkraftwerke, die nur zur Beheizung größerer Häuser angeboten werden.
Bei der Beurteilung eines Brennwertkessels sollten neben dem Wirkungsgrad bei der Wärmeerzeugung auch Bereitstellungsverluste berücksichtigt werden, die durch Wärmeabstrahlung der Geräte (Kessel, Speicher, Leitungen) bei schlechter Wärmedämmung hervorgerufen werden. Bereitstellungsverluste werden in Datenblättern angegeben in Prozent (der maximalen Kesselleistung, nicht des Jahresenergieverbrauchs) und liegen bei modernen Geräten in der Größenordnung von etwa 0,5–1 %. Reduktionen der Bereitstellungsverluste können beispielsweise durch Abschaltung in der Nacht (Heizungs-Solltemperatur 3 °C) anstelle von Temperaturabsenkung um zwei Grad und durch zusätzliche Wärmedämmung von Pufferspeichern und Rohrleitungen erreicht werden. Die Bereitschaftsverluste treten nur auf, wenn das Gerät in Betrieb ist oder danach abkühlt, eine Hochrechnung auf 365 × 24 = 8760 Stunden Bereitschaft resultiert noch aus Zeiten, als kleine Zündflammen „Bereitschaft hielten“ und führt zu überhöhten Werten. Das Takten eines Heizkessels beim Heizen und daraus resultierende Abkühlverluste können erhebliche Wärmeverluste verursachen, die die Einprozentmarke der Bereitschaftsverluste bei weitem übersteigen (siehe dazu Erfassung und Vermeidung von unnötig hohen Energieverbräuchen bei Heizkesseln).
Mit einem Brennwertkessel kann bei Ansaugung der Zuluft aus dem Heizraum (im Keller) sonstige gebundene latente Wärme (aus der Austrocknung der Baufeuchte, wenn der Heizraum zur Wäschetrocknung genutzt wird, Badezimmer- und Saunaabluft aus der kontrollierten Wohnraumlüftung) durch Kondensationsersparnis genutzt werden (siehe dazu Rauchgaskondensation#Energieeffizienz).
Hinweise
50 % der maximalen Heizleistung nach DIN 4701 würden häufig genügen, um 90 % des Heizenergiebedarfs abzudecken. Um die restlichen 10 % abzudecken, werden viele (Brennwert)Heizkessel überdimensioniert und führen so zu hohen Bereitschaftsverlusten.[15]
Bestimmung der Brennwertnutzung
Über die Kondensatmenge kann kontrolliert werden, wie gut der Brennwertkessel die Energie des eingesetzten Brennstoffes nutzt. Unter bestimmten Bedingungen lassen sich sogar Rückschlüsse auf den gesamten Anlagennutzungsgrad ziehen. Das Messverfahren über die Kondensatmenge ist integrierend und vermeidet Fehler bei Momentanwerten und Differenzbildungen aus viel größeren Zahlen.
Im Rahmen einer (begrenzten) Feldstudie untersuchte die Verbraucherzentrale, wie effizient die Brennwerttechnik in der Praxis tatsächlich arbeitet. Das Kondensat war hierbei wichtigste Messgröße.[16] 88 % der Brennwertkessel wurden mit Erdgas, 9 % mit Heizöl EL und 3 % mit Flüssiggas befeuert. Die Überprüfung von 996 Brennwertkesseln in privaten Wohngebäuden zeigte, dass „das Potenzial der Gerätetechnik in den realisierten Gesamtanlagen oft vertan wird“. Der Brennwertnutzen war bei rund einem Drittel der Geräte akzeptabel, bei einem weiteren Drittel war Optimierungsbedarf gegeben und beim letzten Drittel war der Brennwertnutzen ungenügend. Schwachstellen ortete die Untersuchung auch bei der Wärmedämmung von Heizungsrohren (25 % wiesen keine Wärmedämmung auf), 25 % der Anlagen waren mit einem für die Brennwertnutzung kontraproduktiven Überströmventil ausgerüstet, bei 78 % der Anlagen fehlte der hydraulische Abgleich, was bei diesen Anlagen zur Verschlechterung der Ergebnisse beitrug.[17]
Bei Öl-Brennwertkesseln fallen nach dem Forschungsbericht 601 der DGMK von 2002 ein Liter Kondensat pro verbranntem Liter Heizöl an (also 0,1 l/kWh), wobei technisch und praktisch nur eine Kondensationsrate von 50 bis 70 % möglich ist. Bei gleich effizienten Gas-Brennwertkesseln (d. h. gleicher brennwertbezogener Kessel-Nutzungsgrad) ca. 1,5 Liter pro m³ Erdgas. Die unterschiedliche Kondensatmenge bei Öl und Gas ergibt sich aus der unterschiedlichen Brennstoffzusammensetzung. Im Erdgas ist mehr Wasserstoff enthalten, damit entsteht bei der Verbrennung mehr Wasserdampf. Wird im praktischen Betrieb aufgrund höherer Vorlauf-/Rücklauftemperaturen (z. B. bei der Warmwasserbereitung) keine vollständige Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes erreicht, weisen Gas-Brennwertkessel aufgrund der höheren latenten Wärmeverluste (max. 11 Prozent) eine geringere Effizienz (Brennwertbezug) auf als Öl-Brennwertkessel (max. 6 Prozent latenter Wärmeverlust).
Überprüfung durch den Schornsteinfeger (Deutschland)/Kostenvorteile
Das Prüfintervall bei gasbefeuerten Brennwertgeräten liegt in Deutschland bei zwei Jahren (Bei den meisten Heizwertgeräten beträgt das Prüfintervall ein Jahr). Es wird bei einem Brennwertgerät keine Tätigkeit nach BImSchV (Abgasverlustbestimmung), sondern eine wiederkehrende Tätigkeit nach Kehr- und Überprüfungsordnung durchgeführt. Diese Überprüfung umfasst die Bestimmung des CO-Gehaltes im Abgas (Abgasmessung) und eine Abgaswegeprüfung.
Dies bedeutet einen nicht unerheblichen Kostenvorteil für Brennwertgeräte.
Brennwertkessel und Thermostatventile an den Heizkörpern
Die Verwendung von Thermostatventilen bei Heizkörpern oder Brennwert-Wandgeräte mit geringerem Wasserinhalt kann dazu führen, dass das Rücklaufwasser zu heiß zurückfließt und deshalb die Nutzung des Brennwerts unterbleibt oder der Brenner taktet (und damit verbunden die Bereitschaftsverluste steigen).[18] Abhilfe dagegen schaffen
- ein hydraulischer Abgleich aller Heizkörper
- modulierende Öl- oder Gasbrenner, die möglichst weit heruntermodulieren (Stand der Technik 2012 ist als Minimum 1 kW bei Thision)
- sowie zwischengeschaltete Pufferspeicher mit Schichtladetechnik.
Hilfestellung durch Hausautomatisierung
Manche Hausautomatisierungssysteme können Zustände und Messwerte aufzeichnen und auswerten. Das ermöglicht eine deutliche Optimierung des Heizungsbetriebs. Das gilt vor allem dann, wenn bestimmte Betriebsweisen erreicht werden sollen. Beispiele:
- Einstellen der Kennlinie des Außenthermometers
- Mit Zugriff auf die Stellungen der Stellantriebe an den Heizkörpern kann man Grundniveau und Steigung dieser Kennlinie leicht optimieren. So lässt sich z. B. die Rücklauftemperatur minimieren. Vor ein paar Jahren zeigte eine Untersuchung, dass bei der Mehrheit der Brennwertkessel diese Kennlinie im Auslieferungszustand war. In der Praxis wird der Heizungstechniker hier nur drehen, wenn der Kunde wegen zu niedriger Temperaturen klagt: Der Techniker hat keine Kriterien für eine sinnvolle Einstellung.
- Abschalten der kompletten Heizanlage, wenn keine Wärme benötigt wird
- Auch hier sind die Zustände der Stellantriebe wieder entscheidend: Wenn in den wesentlichen Räumen (Wohnzimmer, Küche, WC, Schlafzimmer) die Stellantriebe mehr oder weniger geschlossen sind, kann man die Heizung auch komplett abschalten. Selbst bei Temperaturen um den Gefrierpunkt und einem 40 Jahre alten Haus ohne Vollwärmeschutz können die Bewohner durchaus 3–5 Stunden in der Nacht ohne Heizung auskommen, wobei dann höchstens Nebenräume auskühlen. Sobald es in den wesentlichen Räumen zu kühl wird, springt die Heizung sofort wieder an.
Der Markt der Hausautomatisierung ist noch nicht ausgereift. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme, die sich häufig nur mit ausreichenden Kenntnissen von Physik, IT und Elektronik sinnvoll nutzen lassen.
Brennwertkessel oder Niedertemperaturkessel?
Beim Kauf einer neuen oder beim Austausch einer alten Heizung beeindruckt zunächst der höhere Normnutzungsgrad der Brennwerttechnik gegenüber der Heizwerttechnik. Dabei sind jedoch Einschränkungen zu beachten:
- Die Brennwerttechnik ist in der Anschaffung teurer. Das betrifft den Kessel/die Therme selbst, eventuell größere Heizkörper und die notwendige Änderung des Schornsteins (Rohreinzug). Ist kein Abwasseranschluss in der Nähe vorhanden, muss er geschaffen werden.
- In der praktischen Nutzung kann ein Brennwertgerät schnell ungewollt in einen quasi-Heizwertbetrieb zurückfallen, so dass der Wirkungsgrad sinkt. Ursache dafür ist meist eine zu hohe Rücklauftemperatur des Heizungswassers, die z. B. durch abgeregelte Thermostatventile an den Raumheizkörpern oder durch Raumheizkörper mit zu geringer Oberfläche entsteht, d. h. Überdimensionierung des Heizkessels oder Unterdimensionierung der Wärmeverbraucher. Dies ist jedoch kein Problem wenn das Heizsystem über eine Differenzdruck-geregelte Umwälzpumpe verfügt, da bei geschlossenen Thermostatventilen bzw. weniger abgefragter Heizleistung der Volumenstrom des Heizkreises entsprechend zurückgefahren wird. Jedoch selbst wenn ein Brennwertkessel den Brennwert nicht immer nutzt, so kommen doch die Abgase mit niedrigeren Temperaturen (im Bereich 60–80 °C) aus dem Heizkessel, als bei konventionellen Niedertemperaturkesseln (120 °C)[19]
- Bei Verwendung gleicher Hocheffizienzpumpen verbrauchen Brennwertanlagen im Betrieb ca. 30–40 % mehr Strom als Heizwertanlagen, weil die relativ kühlen Abgase nicht passiv im Schornstein aufsteigen und deshalb aktiv abgeblasen werden müssen. Allerdings wurde in einer Studie der Stromverbrauch mit 3 % bezogen auf den Brennstoffverbrauch gemessen, wovon zwei Drittel von der Umwälzpumpe und ein Drittel von Brenner, Ventilator und Regelung verbraucht wurden. Der zusätzliche Stromverbrauch, hervorgerufen durch Druckabfall im Abgasvolumenstrom aufgrund zusätzlicher Wärmetauscherflächen, belief sich dabei auf knapp 0,3 % und das Verhältnis aus Mehrertrag zu Aufwand – auf Primärenergieniveau – lag bei knapp 7.[20] Bei Betrachtung der Energiekosten kommt wiederum der Strompreis ins Spiel.
- Die in den Abgasen enthaltene Restwärme wird in der Regel als Totalverlust verbucht. Das stimmt nur für die relativ kühlen Abgase der Brennwerttechnik, die aktiv in einem säurefesten separaten Rohr mit nur geringem weiteren Wärmetausch durch den Schornstein abgeblasen werden. Für die wärmeren Abgase einer Heizwertanlage gilt das nur teilweise, weil diese beim Aufsteigen im Schornsteinzug abkühlen und dabei Wärme an das Mauerwerk abgegeben wird (wobei das Mauerwerk ein schlechter Wärmeleiter ist und der Wärmeübergang daher geringer ist als bei einem Wärmetauscher aus einem metallischen Werkstoff). Diese Wärme trägt zum Heizen der anliegenden Räume bei und ist nicht als Verlust anzusehen.
Weblinks
- Grundlagen der Brennwerttechnik. (PDF; 452 kB) ASUE
- In der Praxis gemessene Wirkungsgrade
- Brennwerttechnik mit Verbrennungsluftvorwärmung
- Aktion Brennwertcheck der Verbraucherzentrale Energieberatung
- Brennwerttechnik bei heiz-tipp.de
Einzelnachweise
- Hans Hartmann, Paul Roßmann, Heiner Link, Alexander Marks: Erprobung der Brennwerttechnik bei häuslichen Holzhackschnitzelfeuerungen mit Sekundärwärmetauscher. (PDF; 1003 kB) Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe und Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Straubing, 2004; abgerufen am 7. Februar 2012.
- neutrale Firmenwebpräsentation (PDF; 1,2 MB)
- Helmut Effenberger: Dampferzeugung. Springer, Berlin Heidelberg New York 2000, ISBN 3-540-64175-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Die Vetter-Story.
- Robert Kremer: Brennwertnutzung gehört zum Stand der Technik. Gas-Wärme international Band 30 (1981), Heft 11, Seite 558, Vulkan-Verlag, Essen 1.
- Robert Kremer, Jürgen Selbach: Brennwertkessel nach 30 Jahren Stand der Technik. Teil 1 in HLH, Band 60, 2009, Nr. 1, S. 19–25, Teil 2 in HLH, Band 60, 2009, Nr. 2, Springer VDI Verlag, Düsseldorf.
- Arbeitsblatt DWA-A 251 "Kondensate aus Brennwertkesseln", ISBN 978-3-941897-89-2
- Frank Sprenger: Kondenswasser aus Heizkesseln und dessen Neutralisation (PDF; 813 kB) buderus
- senertec-service.de (Memento vom 28. März 2016 im Internet Archive; PDF)
- Grundlagen der Schornsteintechnik – schiedel.de (PDF; 1,6 MB)
- Qualitätssicherungsmaßnahmen für Wärmeerzeuger (PDF; 127 kB)
- Brennwertkessel-Heizungen: "Die meisten Kommunen richten sich nach dem Merkblatt 251 der Abwassertechnischen Vereinigung ATV. Bei Gas-Brennwertkesseln bis 25 kW Leistung ist danach eine Neutralisation nicht erforderlich. Der Heizungsfachbetrieb weiß, welche Anforderungen in der jeweiligen Gemeinde gelten."
- Nach welchen Kriterien wählt man ein Brennwertheizgerät aus? Bei: heiz-tipp.de.
- Nicolas Bukowiecki: Feinstaubimmissionen von Holzfeuerungen: Untersuchungen zum Verhalten der Schadstoffe in der Atmosphäre. Paul Scherrer Institut PSI, BAFU-Cercl’Air Fachtagung, 8. und 9. November 2011, Ittigen bei Bern, bei bafu.admin.ch downloadbar.
- Gerhard Hausladen: Vorlesungsscript Heiztechnik, Universität Gesamthochschule Kassel, 1992; delta-q.de (PDF; 2,1 MB) abgerufen im Oktober 2012.
- Aktion Brennwertcheck der Verbraucherzentrale Energieberatung (Memento des Originals vom 18. Juli 2011 im Internet Archive) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis..
- Endbericht zur „Aktion Brennwertcheck“ der Verbraucherzentralen, Juli 2011, verbraucherzentrale-energieberatung.de (Memento des Originals vom 10. März 2014 im Internet Archive; PDF) Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis..
- Heike Stock, Dieter Wolff: Entwicklungstendenzen in der Regelungstechnik von Heizanlagen. (PDF; 168 kB)
- Kati Jagnow, Dieter Wolff: Brennwert ist Mehrwert – Worauf man bei der Kesselauswahl achten sollte. (PDF) abgerufen im Oktober 2012.
- Markus Erb: Feldanalyse von kondensierenden Gas- und Ölfeuerungsanlagen im Sanierungsbereich. (Memento vom 10. November 2013 im Internet Archive; PDF) Liestal (CH), 2004.
