Komfort nur bei Überdimensionierung

Während sich bei konventionellen Heizungsanlagen Wärmeabgabe und Wärmeabnahme noch verhältnismäßig einfach aneinander anpassen lassen, ist dies bei Holzfeuerungen eine anspruchsvollere Aufgabe. Kesseltechnisch könnte die fehlende Ausschaltmöglichkeit mit einer sehr großen Modulationstiefe von idealerweise 0 bis 100 % Leistung umgangen werden. Allerdings zeigt die Praxis, dass selbst hochentwickelte Kessel dies nicht schaffen und eine untere Leistungsgrenze von 50 bis 60 % der Nennleistung aufweisen. Daher brauchen Holzkesselanlagen einen Pufferspeicher. 35 bis 75 l Speichervolumen je Kilowatt Kesselleistung sind rein rechnerisch betrachtet sinnvoll. Die neue, ab 22.3.2010 in Kraft tretende Fassung der 1. BImSchV fordert ein spezifisches Volumen von 55 l je Kilowatt Kesselleistung. Deshalb wird bei den folgenden Betrachtungen dieser Wert als rechnerischer Minimalwert angenommen.

Der Nachfrageverlauf bestimmt die Puffergröße

Bei einer Holzkesselanlage wird Wärme vom Holzkessel und dem Pufferspeicher angeboten. Es stellt sich die Frage, wann der Kessel befeuert werden sollte – und mit welcher Leis­tung. Zunächst der Blick auf die Nachfrageseite, also die Wärmeanforderung einer Anlage in Abhängigkeit von der Uhrzeit. Betrachtet man nur den reinen Heizwärmebedarf und geht von gleichmäßiger, ununterbrochener Beheizung aus, dann wird sich die Wärmeanforderung – mit einer zeitlichen Verschiebung durch die so genannte Dämpfung des Gebäudes – ähnlich dem Außentemperaturverlauf verhalten (Bild 1).

Es sind jedoch weitere Aspekte zu beachten: Eine Anlage wird mit Absenkphasen betrieben und das Trinkwasser in der Regel über die Zentralheizung erwärmt. Das beispielhafte 24-Stunden-Belastungsprofil einer Anlage ist in Bild 2 dargestellt.

Am Morgen ist die Spitze der Leistungsanforderung deutlich zu sehen. Gerade bei Anlagen mit Pufferspeicher ist es besonders wichtig, die morgendliche Leistungsspitze zu kennen. Denn dabei treten häufig aufgrund fehlender hydraulischer Einregulierung sehr hohe Volumenströme auf.

Reicht der Pufferspeicher auch für den Bedarf am Morgen?

Aus Sicht des Wärmeangebotes stellt sich die Frage nach der zeitlichen Reichweite des Pufferspeichers. Diese ist von mehreren Faktoren abhängig. Bei einer idealisierten Nutzung des Pufferspeichers soll folgendes Beispiel zur Klärung beitragen:

• Gebäude mit einem maximalen Wärmebedarf von 17 kW
• Auslegungs-Außentemperatur von –12 °C
• Heizkörper-Auslegungstemperaturen 75/60 °C
• Beispielhafte Außentemperaturen von etwa 0–4 °C
• angeforderte Vorlauftemperatur 55 °C, rechnerische Rücklauftemperatur 47 °C
• Pufferspeicher mit ungefähr 1000 l Inhalt
• nutzbares Pufferspeicher-Temperatur­niveau etwa 30 K (Entladung von etwa 80 auf 50 °C)

Mit Wärmebilanzen kommt man durch mehrere Berechnungsschritte zu dem Ergebnis: Der Wärmeinhalt des Puffers reicht bei idealen Verhältnissen maximal 1 Stunde 45 Minuten.

Im realen Betrieb startet morgens zuerst die Trinkwassererwärmung, die zwischen 3 und 5 kWh zum Aufheizen des Warmwas­serspeichers auf Solltemperatur benötigt. Wird währenddessen Warmwasser verbraucht, kommt dieser Bedarf noch dazu, sodass in der Praxis häufig zwischen 5 und 10 kWh für die Warmwasserbereitung morgens aus dem Puffer entnommen werden. Dies und die nicht ideale Nutzung im realen Betrieb des Pufferspeichers reduziert die errechnete Zeit in der Praxis auf maximal 1 Stunde 15 Minuten.

Leistungsabgabe des Holzkessels in Abhängigkeit von der Zeit

Nach der Betrachtung der zeitlichen Wärmeanforderung der Anlage und des Leistungsvermögens eines Pufferspeichers rückt die zeitliche Leistungsabgabe eines Holzkessels in den Fokus. Diese steht – im Unterschied zu Öl- und Gaskesseln – nicht unmittelbar nach Feuerungsbeginn zur Verfügung. Das Abbrandverhalten und damit mittelbar auch die Leistung lassen sich über die Parameter Abgastemperatur, Kesselvor- und Rücklauftemperatur und die Pufferspeichertemperaturen nachvollziehen.

Bild 3 zeigt das relativ gleichmäßige Abbrandverhalten des modernen Holzvergaserkessels Logano S151 (Bild 4), der als so genannter Volllastkessel arbeitet. Naturzugkessel weisen im Vergleich dazu ein wesentlich ungleichmäßigeres Abbrandverhalten mit ausgeprägter Leistungsspitze auf.

Unabhängig von der Kesselkonstruktion benötigt eine Anlage etwa 45 Minuten, um aus dem kalten Zustand heraus ihre volle Leis­tung abzugeben. Durch die Einbindung eines Pufferspeichers lässt sich diese früher als Vorheizphase bekannte Zeit elegant überbrücken. Wer morgens höchsten Komfort wünscht, sollte den Pufferspeicher am Abend voll beladen. Dann steht die erforderliche Wärme zur Beheizung und Wiederaufheizung des Gebäudes sofort zur Verfügung. Weil die Integration eines Pufferspeichers die hydraulischen Grundlagen verändert, ist der hydraulische Abgleich einer Anlage und/oder die Begrenzung des maximalen Volumenstroms besonders wichtig. Unter Beachtung dieser Zusammenhänge erreicht eine moderne Holzkesselanlage sehr gute Betriebsergebnisse.

Wahl der Kesselgröße bei verschiedenen Anlagenvarianten

Somit bleibt noch die Frage, welche Größe ein Holzkessel haben sollte. Grundsätzlich gibt es zwei Anlagentypen: Holzkessel mit einer autarken Betriebsweise sowie Anlagen, die bei Bedarf die Unterstützung anderer, automatischer Wärmeerzeuger erhalten. Ein Beispiel hierfür ist in Bild 5 dargestellt.

Steht ein weiterer Wärmeerzeuger zur Verfügung, handelt es sich um eine so genannte Wechselbrand-Heizkessel-Kombination. Der Betrieb dieses Wärmeerzeugers wird dann toleriert oder sogar gewünscht, wenn der Holzkessel noch nicht ausreichend Wärme liefern kann. Eine Überdimensionierung des Holzkessels ist nicht unbedingt erforderlich. Die Größen Kesselleistung und Pufferspeichervolumen sollten dann jedoch aufeinander abgestimmt werden. Wenn der Holzkessel nur unterstützen soll, kann sogar eine Unterdimensionierung sinnvoll sein, weil der Anlagen-Auslegungsfall (zum Beispiel –15 °C) nur äußerst selten eintritt und der Betriebspunkt in unseren Breiten überwiegend zwischen 0 und 5 °C liegt.

Wann ist Überdimensionierung unbedingt erforderlich?

Sofern der Holzkessel als einziger Wärmeerzeuger eingebaut ist oder so betrieben werden soll, stellt sich dagegen die Frage nach der Überdimensionierung. Ausgehend von baulichen Gegebenheiten lassen sich gemäß DIN EN 12831 zusätzliche Aufheizlasten von 34–48 W/m² zugrunde legen. Für ältere Gebäude mit einem Heizlastbedarf von etwa 100 W/m² ergibt dies eine Überdimensionierung der Leistung von etwa 33 bis 50 % – nur aufgrund der Aufheizspitze, die für die Anlagen typisch ist, jedoch ohne die Merkmale zu berücksichtigen, die wiederum für Holzkessel typisch sind.

Nach Norm ist sogar ein Verzicht auf die zusätzliche Aufheizleistung möglich, wenn beispielsweise bei niedrigen Außentemperaturen die Nachtabsenkung entfällt und deshalb keine besondere Aufheizlast zu vermuten ist. Moderne Regelsysteme wie die Buderus Logamatic 4000 bieten solche Funktionen an. In Verbindung mit manuell betriebenen Holzkesseln und bei der Frage einer Überdimensionierung hilft dies jedoch nicht weiter.

Vereinfachte Abschätzung der Heizlast für die Praxis

Die Ermittlung der tatsächlich benötigten Heizlast ist in der Praxis oft schwierig. Bei Bestandsanlagen kann man mit Praxiskennwerten die rechnerische Heizlast durch Vergleiche prüfen. Dies ist besonders wichtig bei Wärmeerzeugern wie zum Beispiel Wärmepumpen, bei denen die benötigte Leistungsgröße des Wärmeerzeugers entscheidenden Einfluss auf die richtige Produktdimensionierung und -auswahl hat. Dividiert man den bisherigen Verbrauch an Öl in Litern oder Gas in Kubikmetern durch 250 l/kW, erhält man überschlägig den minimalen Leistungsbedarf eines älteren Gebäudes in kW (in Anlehnung an die Minergie-Berechnungsschritte). Die daraus resultierende Leistung liegt oftmals deutlich unter der nach EN 12831 rechnerisch ermittelten Heizlast.

Außer der allgemein gültigen Aufheizlast müssen für Holzkessel typische Eigenarten berücksichtigt werden. So hat jede Kesselkonstruktion bei einer konstruktiv gegebenen Füllraumgröße und der festgelegten Kessel-Nennleistung eine gewisse Abbranddauer, die mit einer vollen Kesselfüllung maximal erreicht wird. Üblich sind Kessel-Abbrandzeiten von drei bis sechs Stunden. Das bedeutet, dass ein Kessel mit dreistündiger Abbranddauer acht Mal täglich befüllt werden müsste, um 24 Stunden lang Nennleistung abgeben zu können. Ein Kessel mit sechsstündigem Abbrand (Bild 6) müsste hingegen vier Mal täglich befüllt werden.

Schon wegen der notwendigen Reinigungszeiten, vor allem jedoch durch die Nachtruhezeiten, wird kein Holzkessel rund um die Uhr beschickt. Daraus ergeben sich Wärmemengendefizite, die in den Betriebszeiten zusätzlich ausgeglichen werden müssen.

Berechnung der erforderlichen Überdimensionierung

Der Faktor für die Überdimensionierung ergibt sich aus der Division der erforderlichen Zahl der Beschickungen mit den tatsächlichen Beschickungen. Dieser Zusammenhang ist mathematisch leicht zu berechnen, es gilt:

Dabei gilt, dass die erforderliche Zahl der Beschickungen je Tag (24 Stunden) sich durch den reziproken Wert der Kessel-Abbranddauer ergibt:

Die Kesselleistung ergibt sich dann aus der einfachen Multiplikation der minimal erforderlichen Wärmeleistung (Heizlast) mit dem Überdimensionierungsfaktor für den manuellen Betrieb:

Beispielhaft wird auf Grundlage dieser Erkenntnisse eine Anlage für ein älteres Gebäude ausgelegt. Die Berechnung ist im Kasten „Auslegungsbeispiel“ ausgeführt.

Gesetzliche Vorgaben sind nicht immer optimale Führungsgrößen

Als Ergebnis der verschiedenen Berechnungsmethoden lässt sich festhalten, dass das Pufferspeichervolumen bedarfsabhängig zu dimensionieren ist. Gesetzliche Vorgaben dazu muss man zwar einhalten, sie sind jedoch nicht immer die optimale Führungsgröße. Für beide hier betrachteten Varianten ist eine Pufferspeicher-Anlage mit 2000 l Inhalt eine wirtschaftlich und technisch empfehlenswerte Ausstattung.

Häufig wird von den Betreibern eine Anlage gewünscht, die nur zweimal täglich beschickt werden soll. Das schaffen hochwertige und leistungsstarke Holzkessel mit einer Abbranddauer von bis zu sechs Stunden. Aus Bild 7 ergibt sich eine Überdimensionierung von 100 %. Legt man das Gebäude mit 17 kW Heizlast zu Grunde, wäre ein Kessel mit 34 kW bei sechs Stunden Abbranddauer nötig. Der Pufferspeicher müsste dann über ein Volumen von 3000 l verfügen.

Die Bestimmung der erforderlichen Leis­tung eines Holzkessels sollte immer kunden- und anlagenspezifisch vorgenommen werden. Die Überlegungen zeigen, dass eine Überdimensionierung von 100 % durchaus Sinn machen kann.

Der hydraulische Abgleich ist unbedingt erforderlich

Der Einsatz eines Pufferspeichers ist bei Stückholzfeuerungen unerlässlich. Das minimal erforderliche Volumen ergibt sich aus drei Anforderungen: Sicherheit, niedrige Emissionen und Komfort. Zu einem mehr als zufriedenstellenden Betrieb ist bei Anlagen mit Pufferspeichern ein hydraulischer Abgleich nicht nur Pflicht, sondern zwingende Voraussetzung. Für einen komfortablen und automatischen Betrieb inklusive Nachtabsenkung muss der Pufferspeicher auch am Morgen noch ein ausreichendes Temperaturniveau aufweisen. Dies bedeutet üblicherweise, dass der Holzkessel abends noch einmal befeuert werden sollte.

Bei der Dimensionierung der Holzkesselleistung kommt es auf den jeweiligen Einsatzzweck an. Für Anlagen, bei denen der Holzkessel alleine die Versorgung gewährleisten soll, ist eine Überdimensionierung von 50 bis 100 % auf die tatsächlich benötigte Heizlast nicht fahrlässig, sondern technisch richtig.

Bestimmung des Pufferspeichervolumens

Der Beispielrechnung für einen Altbau liegen als Eckdaten 4250 l Ölverbrauch und 200 m² Wohnfläche zu Grunde. Die Holzkesselanlage soll mit täglich maximal drei Befüllungen auskommen. Der Leistungsbedarf beträgt näherungsweise 4250 l/250 l/kW = 17 kW

1. Logano S241 mit 6 h Abbranddauer: Aus der Formel mit f_ü ergibt sich eine erforderliche Überdimensionierung um 33 % und somit 23 kW Kesselleistung.

2. Logano S151 mit 4 h Abbranddauer: Aus der Formel mit f_ü ergibt sich eine erforderliche Überdimensionierung um 100 % und somit 34 kW Kesselleistung

Nun soll das Pufferspeichervolumen berechnet werden. Es gibt unterschiedliche Varianten zur Auslegung. Zunächst wird gemäß der BImSchV mit 55 l je kW dimensioniert.

1. 23 kW x 55 l/kW = 1265 l

2. 34 kW x 55 l/kW = 1870 l

Als zweite Auslegungsvariante soll im Sommer der Kessel die Wärmeleistung einer kompletten Kesselbefüllung an den Puffer abgeben können. Es gilt ähnlich EN 303-5 der Zusammenhang: V = 13,5 x Q_K x b_K

1. 13,5 x 23 x 6 = 1865 l

2. 13,5 x 34 x 4 = 1836 l

Als dritte Auslegungsvariante soll der Pufferspeicher den Wärmebedarf der Nachtabsenkphase beziehungsweise der Nicht-Betriebsphasen abdecken können. Im Fall des ersten Kessels sind sechs Stunden ohne Betrieb (in der Absenkphase) zu überbrücken. Bei voller Beheizung würde dies einer Wärmemenge von 17 kW x 6 h = 102 kWh entsprechen. Berücksichtigen muss man jedoch wesentlich verminderte nächtliche Lüftungsverluste, niedrigere Innentemperaturen und damit niedrigere Transmissionsverluste. Daher kann in einer ersten und vereinfachten Näherung von vielleicht 50 % der vollen Wärmemenge ausgegangen werden. Es ergeben sich dann etwa 50 kWh Bedarf zur Deckung der Auskühlverluste der Absenkphase. Daraus würden etwa 1400 l Pufferspeichervolumen bei 30 K möglicher Heizwasser-Auskühlung resultieren. Im zweiten Fall sind die vollen acht Stunden Nachtabsenkung zu überbrücken. Daraus resultiert ein Bedarf von rund 65 kWh, der mit ungefähr 1900 l Pufferspeichervolumen zu decken wäre.

Das in Bild 7 dargestellte Diagramm finden Sie in größerer Darstellung zum Herunterladen unter https://www.sbz-online.de/tags/extras-zum-heft

Matthias Stroh ist Produktmanager Buderus Deutschland der Bosch Thermotechnik GmbH, Wetzlar.