Die Herausforderungen beim Heizen mit Holz liegen nicht nur im technischen Bereich, sondern auch darin, inwiefern sich Holz umweltschonend verfeuern und nachhaltig einsetzen lässt. Ausgehend vom Rohstoff wird im Idealfall maximal die Menge entnommen, die gleichzeitig nachwächst.
Verglichen mit Feuerungstechnologien anderer Energiearten wurde das Heizen mit Holz in den vergangenen 25 Jahre überproportional weiterentwickelt. Vor allem bei der Verbrennungsqualität (Wirkungsgrad, Emissionen, Umweltbelastung) und beim Bedienungskomfort sind erhebliche Innovationen und Optimierungen zu verzeichnen. Zudem stehen verschiedene Feuerungsanlagen zur Verfügung: Scheitholzanlagen, Pelletkessel und wasserführende Kaminöfen für Holz oder Pellets.
Scheitholzanlagen: Wärme Stück für Stück
Eine Scheitholzanlage muss nach wie vor von Hand befüllt werden (Bild 1). Doch eine richtig dimensionierte Anlage ermöglicht einen effizienten und komfortablen Betrieb bei einer minimalen Zahl an Befüllungen. Bei der Auslegung gibt es eine Besonderheit: Während Öl- oder Gas-Heizungen ihre Wärmeabgabe an die Wärmeabnahme des Systems anpassen können, lässt die Scheitholzanlage eine solche Betriebsweise nicht zu. Zwar ließe sich die fehlende Abschaltmöglichkeit der Scheitholzanlage kesseltechnisch mit einer sehr großen Modulationstiefe von idealerweise 0 bis 100 % Leistung umgehen. Allerdings zeigt die Praxis, dass diese Anforderung selbst hochentwickelte Kessel nicht schaffen und statt dessen eine untere Grenze von 50 bis 60 % ihrer Nennleistung aufweisen.
An dieser Stelle kommt der Pufferspeicher ins Spiel: 35 bis 75 l Speichervolumen je kW Kesselleistung sind rein rechnerisch sinnvoll. Die neue Bundes-Immissionsschutz-Verordnung (1. BImSchV) fordert übrigens ein spezifisches Mindestvolumen von 55 l je kW Nennwärmeleistung. Dies gilt übrigens auch, wenn ein Scheitholzvergaserkessel (im Bereich 15 bis 50 kW) über das Marktanreizprogramm förderfähig sein soll.
Per Pufferspeicher bleibt es länger warm
Für eine bedarfsgerechte Betriebsweise ist zu klären, wann und mit welcher Leistung der Kessel zu befeuern ist. Das hängt von mehreren Faktoren ab: Zunächst von der zeitlichen Reichweite, also davon, wie lange der Pufferspeicher eine ausreichende Versorgung mit Wärme gewährleisten kann. Dabei ist zu beachten, dass sich eine theoretische Pufferreichweite in der Praxis reduzieren kann, z.B. durch eine morgendliche Aufheizspitze oder eine nicht abgeglichene Anlage. Beispiel: Bei einem doppelten Leistungsbedarf am Morgen halbiert sich eine theoretische Pufferreichweite von 3,5 Stunden auf eine praktische von etwa 1,75 Stunden.
Ein weiterer Faktor ist, dass bei der Wärmeversorgung mit einem Holzkessel die Heizleistung nicht unmittelbar nach Feuerungsbeginn zur Verfügung steht. Unabhängig von seiner Konstruktion benötigt ein Kessel etwa 45 Minuten, um aus dem kalten Zustand heraus seine volle Leistung abzugeben. Dieser früher als „Vorheizphase“ bekannte Zeitraum lässt sich mit Hilfe eines Pufferspeichers einfach überbrücken: Wird dieser abends voll beladen, steht am nächsten Morgen die erforderliche Wärme zur Beheizung und Wiederaufheizung des Gebäudes sofort zur Verfügung.
Da die Integration eines Pufferspeichers die hydraulischen Grundlagen verändert, sind ein hydraulischer Abgleich der Anlage und ggfs. die Begrenzung des maximalen Volumenstroms besonders wichtig. Wer dies beherzigt, erzielt mit einer modernen Holzkesselanlage sehr gute Betriebsergebnisse – vorausgesetzt, der Holzkessel ist richtig dimensioniert.
Wenn es auf die richtige Größe ankommt
Bei der Dimensionierung der Scheitholzkesselgröße ist der Anlagentyp zu berücksichtigen. Dabei sind Systeme mit autarker Betriebsweise von Anlagen zu unterscheiden, die bei Bedarf von anderen Wärmeerzeuger Unterstützung erhalten können (Bild 2). So ist bei Wechselbrand-Heizkessel-Kombinationen eine Überdimensionierung der Kesselgröße nicht erforderlich. Die beiden Faktoren „Kesselleistung“ und „Pufferspeichervolumen“ sollten jedoch aufeinander abgestimmt sein.
Wenn der Holzkessel bei Wärmeerzeugung und Trinkwassererwärmung nur unterstützend tätig sein soll, kann sogar eine Unterdimensionierung sinnvoll sein: Zum einen tritt der Anlagen-Auslegungsfall (z. B. –15 °C) nur äußerst selten ein. Zum anderen liegt der Betriebspunkt in unseren Breiten überwiegend zwischen 0 und 5 °C. Im Regelfall ausreichend sind Pufferspeichergrößen zwischen 500 und 1000 l.
Wird der Holzkessel als einziger Wärmeerzeuger verwendet, ist eine mögliche Überdimensionierung der Kesselgröße zu erwägen. In der Praxis ist es jedoch meist nicht ganz einfach, die tatsächlich benötigte Heizlast exakt zu ermitteln. Bei Bestandsanlagen lässt sich anhand von Praxiskennwerten die rechnerische Heizlast gegenprüfen.
Auch die Abbranddauer ist zu beachten
Um den minimalen Leistungsbedarf eines älteren durchschnittlichen Wohngebäudes in kW zu erhalten (in Anlehnung an Minergie-Berechnungsschritte), wird z.B. der bisherige Heizöl-Verbrauch in l durch 250 l/kW dividiert. Die daraus resultierende Leistung liegt oft deutlich unter der nach DIN EN 12831 rechnerisch ermittelten Norm-Heizlast.
Bei der Planung und Dimensionierung einer Scheitholzanlage ist die Abbranddauer, die mit einer vollen Kesselfüllung erreicht wird, maßgeblich. Diese hängt von der Füllraumgröße und der Kessel-Nennleistung ab. Üblich sind Kessel-Abbrandzeiten von drei bis sechs Stunden. So muss ein Kessel mit dreistündiger Abbranddauer acht Mal täglich befüllt werden, um 24 Stunden lang Nennleistung abgeben zu können. Bei einem Kessel mit sechsstündigem Abbrand reduziert sich das Befüllen auf vier Mal täglich. Aufgrund der Nachtruhe und auch wegen notwendiger Reinigungszeiten lässt sich kein Holzkessel rund um die Uhr befüllen. Die daraus resultierenden Wärmemengendefizite müssen in den Betriebszeiten zusätzlich ausgeglichen werden.
Einfaches Berechnungsbeispiel für die Kesselnennleistung
Eine gegebenenfalls erforderliche Überdimensionierung lässt sich einfach berechnen – entscheidend ist das Verhältnis der benötigten Befüllungen zu den tatsächlichen (gewünschten) Befüllungen. Die Berechnung des Leistungsbedarfs und damit die Heizkesseldimensionierung lässt sich an einem Beispiel veranschaulichen:
Gesucht wird die Kesselnennleistung für ein älteres Gebäude mit einer Wohnfläche von 200 m², einem bisherigen Ölverbrauch von rund 4250 l und täglich gewünschten maximal drei Befüllungen.
Um die Kesselnennleistung (QK) zu erhalten, wird die minimal erforderliche Leistung in kW (Qmin) mit dem Faktor zur Kesseldimensionierung (f) multipliziert (QK = Qmin x f) (Bild 3).
Der minimale Leistungsbedarf (Qmin) des Gebäudes beträgt rund 17 kW (4250 l/250 l/kW; siehe oben). Anhand des Berechnungsbeispiels in Bild 4 ergibt sich für einen Buderus-Holzvergaserkessel Logano S241 mit einer Abbranddauer von sechs Stunden ein Kesseldimensionierungsfaktor von rund 1,33. Damit ist eine Überdimensionierung von rund 33 % erforderlich (17 kW x 1,33): also 23 kW Kesselleistung.
Bei einem Buderus-Holzheizkessel Logano S151 mit einer Abbranddauer von vier Stunden wäre im gleichen Fall eine bis zu 100 %-ige Überdimensionierung (17 kW x 2) nötig: also 34 kW Kesselleistung.
Berechnungsgang im Detail
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:
fÜ = nerforderlich /nSoll
fÜ = Faktor zur Überdimensionierung
nerforderlich = Anzahl erforderlicher Beschickungen je Tag
nSoll = Anzahl der gewünschten Beschickungen je Tag
Die erforderliche Zahl der Beschickungen je Tag (24 Stunden) ergibt sich durch den reziproken Wert der Kessel-Abbranddauer:
nerforderlich = 24/bK
bK = Kesselspezifische Abbranddauer bei Volllast
Die Kesselleistung ergibt sich dann aus der einfachen Multiplikation der minimal erforderlichen Wärmeleistung (Heizlast) mit dem Überdimensionierungsfaktor für den manuellen Betrieb:
QK = Qerforderlich x fÜ
Ermittlung des Pufferspeichervolumens
Im nächsten Schritt ist das Pufferspeichervolumen zu ermitteln, wofür unterschiedliche Berechnungs-Varianten zur Verfügung stehen bzw. beachtet werden müssen. Das minimal erforderliche Volumen ergibt sich aus drei Anforderungen:
- Sicherheit: Der Pufferspeicher muss die Wärmemenge einer kompletten Abbrandperiode (vollgefüllter Kesselfüllraum) aufnehmen können (statische Dimensionierung).
- Niedrige Emissionen: Kessel muss in der Praxis im Volllastbetrieb arbeiten können. Der Pufferspeicher dient als Lastausgleich (1. BImSchV: mind. 55 l/kW).
- Komfort: Pufferspeicher soll den individuell gewünschten Komfort sicherstellen (dynamische Dimensionierung, zum Beispiel Bevorratung der Wärmemenge zum Ausgleich des thermischen Defizits durch eine Nachtabschaltung).
Aus den genannten Anforderungen ergibt sich, dass für beide Anlagenkonstellationen eine Pufferspeicheranlage mit 2 x 1000 l gut geeignet ist.
Die Berechnungs-Beispiele zeigen, dass sich fast alle Komfortwünsche über die richtige Dimensionierung der Scheitholzanlage erfüllen lassen. Allerdings ist für Endkunden, die beim Heizen mit Holz auf tägliche Befüllungen verzichten möchten, eventuell eine Pelletanlage die bessere Wahl.
Pelletanlagen: Vollautomatisch und modulierend
Pellet-Heizkessel arbeiten vollautomatisch und modulierend in einem großen Leistungsbereich von etwa 30 bis 100 % der Nennleistung. Gerade im kleinen Leistungsbereich bis 30 kW sind diese Pelletfeuerungen eine attraktive Wahl. Dies gilt auch für den Brennstoff Pellets, die über einen Heizwert von etwa 5 kWh/kg bei gleichzeitig niedrigen Wasseranteil verfügen (Bild 4).
Pelletanlagen ermöglichen hohe Nutzungsgrade und erzeugen nur sehr niedrige Emissionswerte. Lediglich bei Start und bei Stopp läuft die Verbrennung nicht optimal, sodass die Emissionen hier kurzfristig höher sind. Die Kessel zünden automatisch, allerdings ist immer elektrische Energie für den Betrieb eines Heißluftgebläses oder Zündstabes notwendig. Werden die Betriebsstarts auf ein Minimum reduziert, sinken die Emissionen und der Stromverbrauch. Zudem wird die Zündeinrichtung geschont.
Wichtig für die Auslegung: Die Überdimensionierung eines Pelletkessels ist im Allgemeinen zu vermeiden.
Ein Pufferspeicher kann auch hier sinnvoll sein
Generell ist bei Pelletsanlagen ein Pufferspeicher nicht zwingend erforderlich. Bei Gebäuden mit sehr niedriger Heizlast kann er jedoch sehr sinnvoll sein oder sogar zur Pflicht werden. Denn dort würde ein Pelletkessel über lange Heizphasen nur zwischen minimaler Leistung und Aus-Betrieb takten. Auch zeitlich auftretende Leistungsspitzen, etwa durch die Trinkwassererwärmung, werden mit einem Pufferspeicher abgefedert und müssen bei der Leistungsdimensionierung nicht mehr unbedingt gesondert berücksichtigt werden (Bild 5).
Die Dimensionierung eines Pufferspeichers für eine Pelletsanlage unterscheidet sich von der für eine Scheitholzanlage. In der 1. BImSchV legt der Gesetzgeber die Größe zwar mit 30 l/kW Nennleistung fest. Weil im Teillastbetrieb jedoch viele Pelletfeuerungen hervorragende Emissionswerte aufweisen, sind auch Ausnahmen möglich.
Bei kleinen Leistungsgrößen ist ein Pufferspeicher mit rund 500 l Fassungsvermögen ausreichend – damit sind bei gut funktionierenden Anlagen täglich nur noch etwa zwei bis drei Betriebsstarts nötig. Grundsätzlich gilt: Je größer das Speichervolumen, umso länger sind die Laufzeiten und umso weniger Start- und Stoppvorgänge sind nötig. Demgegenüber stehen geringfügig höhere Investitionskosten und Strahlungsverluste.
Wasserführende Kaminöfen: Behaglich trifft nützlich
Der holzbefeuerte Kaminofen sorgt sowohl für eine komfortable Wärmeversorgung als auch für ein behagliches Wohnumfeld. Alternativ zum reinen Kaminofen gibt es auch wasserführende Modelle zur Heizungsunterstützung und Trinkwassererwärmung. Weil die Leistung eines wasserführenden Kaminofens in der Regel nicht zur Deckung der gesamten Heizlast ausreicht, empfiehlt sich eine serielle Einbindung: Der Kaminofen unterstützt in diesem Fall einen konventionellen Wärmeerzeuger oder Pelletkessel (Bild 6). Erst bei Bedarf geht zusätzlich der konventionelle Wärmeerzeuger in Betrieb. In Neubauten werden mittlerweile auch wasserführende Pelletkaminöfen als alleinige Wärmeerzeuger eingesetzt. Zur Trinkwassererwärmung im Sommer ist dann jedoch eine Solaranlage nötig, weil andernfalls der Kaminofen den Wohnraum unerwünscht aufheizen würde.
Um einen wasserführenden Kaminofen optimal zu nutzen, ist ebenfalls ein Puffer- oder Kombispeicher nötig – in der Regel genügt ein Speichervolumen von 500 l. Damit lässt sich der Kaminofen unter Volllastbedingungen mit höchstem Wirkungsgrad und niedrigsten Emissionswerten betreiben.
Noch mehr Effizienz mit einer Solaranlage
Egal ob Scheitholzanlage, Pelletanlage oder wasserführender Kaminofen: Die Effizienz lässt sich noch deutlich steigern, wenn zusätzlich eine Solaranlage ins Heizsystem integriert wird. Denn grundsätzlich sind beim Heizen mit Holz die Wirkungsgrade und die Emissionswerte im Teillastbetrieb im Vergleich zum Volllastbetrieb schlechter – was vor allem in den Sommermonaten der Fall ist, wenn nicht die volle Leistung der Anlage benötigt wird. Eine Solaranlage eignet sich hier neben der Trinkwassererwärmung auch zur Heizungsunterstützung. Das lohnt sich nicht nur aus energetischen Gründen, sondern gleich doppelt für den Geldbeutel: Einerseits ist dann der für eine Solaranlage benötigte Wärme-/Pufferspeicher ohnehin schon vorhanden, was die Investitionskosten senkt. Zudem verringert die Nutzung der Sonnenkraft auch die Brennstoffkosten.
Tipp
Fördergeld für Biomassekessel
Nachfolgend ein Kurzüberblick/Auszug aus dem Marktanreizprogramm zur Förderung von Anlagen zur Verbrennung fester Biomasse.
Basisförderung
Wichtiger Hinweis vorab: Für Anlagen in Neubauten (Bauantrag ab dem 1.1.2009) verringern sich die genannten Basisförderbeträge um 25 %.
Pelletkessel (5 bis 100 kW Nennwärmeleistung): 36 Euro je kW
Mindestförderbeträge:
– für Pelletöfen mit Wassertasche: 1000 Euro
– für Pelletkessel: 2000 Euro
– für Pelletkessel mit neuem Pufferspeicher mit mind. 30 l/kW: 2500 Euro.
Holzhackschnitzelkessel (5 bis 100 kW): pauschal 1000 Euro je Anlage (Voraussetzung: Pufferspeicher mit mind. 30 l/kW)
Scheitholzvergaserkessel (15 bis 50 kW): pauschal 1125 Euro je Anlage (Voraussetzung: Pufferspeicher mit mind. 55 l/kW)
Bonusförderung
Zur Basisförderung hinzu kommen können z.B. noch ein Kombinationsbonus von 750 Euro für eine Solaranlage (zusätzlich zur Solar-Basisförderung) und ein Bonus für besonders effiziente Umwälzpumpen von 200 Euro.
Checkliste
Die kundengerechte Holzfeuerung wählen
Scheitholzanlagen, Pelletanlagen und wasserführende Kaminöfen lohnen sich nicht nur aus ökologischen, sondern auch aus ökonomischen Gründen. Und auch der Kundenwunsch nach Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen wird angesichts steigender Energiepreise künftig noch stärker an Bedeutung gewinnen.
Wärmeerzeuger zur Holzverbrennung sind flexibel und lassen sich problemlos mit konventionellen Wärmeerzeugern wie Öl- oder Gas-Brennwertkesseln kombinieren. Wichtig ist hierbei die richtige Einbindung in das Heizungssystem.
Holzvergaser- und Holzpellet-Heizkessel können auch die Wärmeversorgung komplett übernehmen. Beim Holzkessel muss dann aber fachgerecht berechnet werden, ob und welche Überdimensionierung der Kesselgröße erforderlich ist.
Endkunden, die die tägliche manuelle Befüllung vermeiden möchten oder nicht sicherstellen können, sollten alternativ eine Pelletanlage auswählen. In Verbindung mit einem modernen Regelsystem und ausreichend großer Pufferspeicherkapazität lassen sich mit die Energiekosten bei niedrigen Emissionswerten dauerhaft senken.
Wem die Behaglichkeit und die Optik eines Kaminofens im Wohnraum wichtig ist, für den ist ein wasserführendes Gerät die richtige Wahl.
Die Effizienz jedes mit Holz befeuerten Heizsystems lässt sich – vor allem in den Sommermonaten – zusätzlich mit einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung steigern.
Autor
Dipl.-Ing. Matthias Stroh ist Produktmanager Festbrennstoffkessel und Heizkörper bei Buderus Deutschland
Bosch Thermotechnik GmbH, Wetzlar.
