Regeneratives Wärme-Duo

Angesichts der aktuellen Klimaschutzdiskussion gewinnt das Heizen mit Holz bzw. Holzpellets wieder an Bedeutung: Bei der Verbrennung von Holz wird nur so viel CO2 freigesetzt, wie zuvor von der Pflanze bei ihrem Wachstum aus der Atmosphäre aufgenommen wurde. Holz- und Pelletkessel können so entscheidend dabei mithelfen, die von der Bundesregierung gesetzten ehrgeizigen Klimaschutzziele, insbesondere die Verringerung der CO2-Emissionen um 40 % bis 2020, zu erreichen. Aus diesem Grund und um die Verbreitung von Pelletkesseln zu forcieren, hat die Bundesregierung die finanzielle Förderung um 50 % erhöht. Pro Kilowatt Nennwärmeleistung erhält der Betreiber jetzt eine einmalige Unterstützung von 36 Euro, mindestens jedoch 1500 Euro pro Anlage.

Heizen mit Holz bietet Vorteile

Darüber hinaus bietet die Nutzung des nachwachsenden Rohstoffes Holz gegenüber anderen Arten der Wärmeerzeugung noch weitere Vorteile:

• Im Gegensatz zu anderen regenerativen Energiequellen (Sonnenenergie, Windkraft) ist Holz unabhängig von der Jahreszeit und vom Wetter ständig verfügbar.
• Ob Pellets, Scheitholz oder Hackschnitzel – der nachwachsende Energieträger kann mit geringem Aufwand dauerhaft gelagert und die darin gebundene Energie somit einfach gespeichert werden.
• Holz ist ein heimischer Energieträger, dessen Verwendung die Abhängigkeit von Öl- und Gaslieferungen aus dem Ausland verringert.

Holzpellets werden nach DINplus bzw. nach Önorm 7135 aus z.B. naturbelassenen Holzresten gepresst. Das Ausgangsmaterial fällt in Form von Hobel- oder Sägespänen quasi als Abfallprodukt der holzverarbeitenden Industrie in großen Mengen an und darf keine fremden Bestandteile wie Holzschutz- oder Bindemittel enthalten.

Festpreisgarantie für Holzpellets

Auch die Versorgungssicherheit mit Holzpellets ist inzwischen gewährleistet. Nachdem es aufgrund der unerwartet hohen Zahl neu installierter Pelletkessel zu einer sprunghaft gestiegenen Nachfrage nach diesem Brennstoff kam, traten in der Vergangenheit zunächst Lieferengpässe auf, die zeitweise steigende Brennstoffpreise zur Folge hatten. Mittlerweile haben die Hersteller ihre Produktionskapazitäten erheblich erhöht, es wurden neue Werke aufgebaut und die Preise haben wieder das niedrige Niveau von 2005 erreicht. So lag z.B. der Mittelwert für eine Lieferung von 5 t Holzpellets (im Umkreis von 50 km) im August 2007 bei rund 190 Euro (Quelle: https://www.carmen-ev.de/).

Darüber hinaus arbeitet z.B. Viessmann mit einem Pelletproduzenten zusammen und bietet beim Kauf eines Pelletkessels zugleich eine Festpreisgarantie für diesen Brennstoff über die Dauer von 24 Monaten nach Inbetriebnahme des Kessels.

Die mit einem modernen Pelletkessel erworbene Unabhängigkeit von Öl und Gas ist allerdings in der Regel mit Investitionskosten verbunden, die etwa doppelt so hoch sind wie bei einem Gas-Brennwertkessel. Dank geringer Investitionskosten und niedrigem Verbrauch amortisiert sich die Brennwerttechnik für Öl und Gas schon nach etwa fünf bis sieben Jahren. Demgegenüber ist die Amortisationszeit für einen Pelletkessel trotz der sehr viel niedrigeren Betriebskosten in der Regel deutlich länger.

Die komfortabelste Art mit Holz zu heizen

Als Gegenwert für seine Investition in einen Pelletkessel erhält der Anlagenbetreiber die komfortabelste Möglichkeit, um mit dem Brennstoff Holz zu heizen. Mit modernen, automatisch beschickten Pelletkesseln können sowohl Einfamilienhäuser als auch größere Gebäude, wie Mehrfamilienhäuser (Bild 2), mit Wärme versorgt werden, ohne dass der Kessel zum Anheizen oder zur Brennstoffversorgung aufgesucht werden muss.

Automatische Austragungssysteme befördern die Pellets vom Lagerort zum Vorratsbehälter neben dem Kessel. Von dort werden sie exakt dosiert der Brennkammer zugeführt. Die Zündung erfolgt selbsttätig mit elektrischen Heizelementen, sobald von der elektronischen Regelung eine Wärmeanforderung gemeldet wird. Lange, unterbrechungsfreie Betriebszeiten werden zudem durch eine vollautomatisch ablaufende Brennraum-Entaschung, Ascheaustragung und Heizflächenreinigung ermöglicht. Lediglich bei kleineren Pelletkesseln, wie sie in der Regel in Ein- und Zweifamilienhäuser zum Einsatz kommen, muss ­etwa ein- bis zweimal pro Heizsaison – abhängig von der Kesselauslastung – der Aschebehälter geleert werden (Bild 3).

Digitale Kesselregelungen und stufenlos ­arbeitende Saugzuggebläse ermöglichen darüber hinaus eine modulierende Betriebsweise. So ist die genaue Anpassung der Wärmeerzeugung an den momentanen Bedarf des Gebäudes möglich.

Die heute am Markt verfügbaren Pelletkessel eignen sich gut für die Kombination mit einer thermischen Solaranlage. Der Pelletkessel erzeugt immer dann Wärme, wenn das Energieangebot der Sonne allein nicht ausreicht, um warmes Wasser mit der erforderlichen Temperatur zu liefern. Die elektronische Regelung des Pelletkessels kommuniziert dazu über einen Datenbus mit der Solarregelung. So werden die unterschiedlichen Wärmequellen optimal aufeinander abgestimmt. Dabei wird der kostenlosen Sonnenenergie Priorität eingeräumt, um den Energieverbrauch des Heizkessels zu reduzieren.

In der Kombination mit einer Solaranlage wird nicht nur Brennstoff gespart, auch die Intervalle für das Wiederauffüllen des Pelletbehälters und das Entsorgen der Asche verlängern sich entsprechend der solaren Wärmegewinne.

Trinkwassererwärmung mit Solarthermie und Pelletkessel

Für den Betrieb thermischer Solaranlagen ist immer auch ein Speicher erforderlich, der die gewonnene solare Wärme für die spätere Nutzung speichert. Dieser Speicherbehälter stellt die Schnittstelle zwischen der Solar- und der Heizungsanlage dar. Der Pelletkessel ist so in die Gesamtanlage eingebunden, dass er einerseits als alleiniger Wärmeerzeuger die Beheizung der Wohnräume durchführt, andererseits bei Bedarf das solar vorerwärmte Trinkwasser im bivalenten Warmwasserspeicher über den oberen Wärmetauscher auf die gewünschte Temperatur nachheizen kann (Bild 4).

Überschreitet die Temperaturdifferenz zwischen dem Kollektor (7) und dem WW-Speicher (2) den voreingestellten Wert, wird die Umwälzpumpe (8) des Solarkreises eingeschaltet und der Speicherinhalt über den unteren Wärmetauscher erwärmt. Um bei ausreichender Sonneneinstrahlung ein unerwünschtes Nachheizen durch den Pellet­kessel zu verhindern, kommuniziert die Solarregelung mit der elektronischen Regelung des Pelletkessels über einen Datenbus.

Der Pelletkessel (1) wird automatisch in Betrieb genommen, sobald eine Anforderung für den WW-Speicher oder den Heizkreis (3) besteht. Bei einer Wärmeanforderung des Speichers wird dieser vorrangig versorgt: Die Heizkreispumpe (4) ist abgeschaltet, der Mischer (5) geschlossen und der WW-Speicher wird über die Umwälzpumpe (6) beheizt. Nach Erreichen der Speicher-Solltemperatur wird auf die Beheizung des Heizkreises umgeschaltet. Besteht vom WW-Speicher oder vom Heizkreis keine Anforderung mehr, schaltet sich der Pelletkessel aus.

Für die Planung einer Heizungsanlage aus einem Pelletkessel und einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung gelten grundsätzlich die gleichen Regeln wir bei anderen bivalenten Anlagen auch: Die Kollektorfläche sollte so bemessen werden, dass im Sommer kein Wärmeüberschuss produziert wird, um Stagnation zu vermeiden. Orientierungsgrundlage für die Dimensionierung ist bei Ein- und Zweifamilienhäusern eine Deckungsrate von 50 bis 60 %, bei größeren Anlagen (wie bei Mehrfamilienhäusern) ca. 30 bis 40 %. Die genaue Ermittlung der notwendigen Kollektorfläche und Speichergröße sollte allerdings unter Berücksichtigung der geographischen Lage und der Ausrichtung der Kollektoren sowie des voraussichtlichen Warmwasserbedarfs (zwischen 30 und 50 Liter pro Person und Tag) mit Hilfe eines Auslegungsprogramms erfolgen.

Heizungsunterstützung und WW-Bereitung mit Solar und Pellets

Genau wie bei der solaren Trinkwassererwärmung ist es in unseren Breiten nicht möglich, ein Wohnhaus ausschließlich mit Sonnenenergie zu beheizen. Jedoch kann eine Solar­anlage den Pelletkessel während der Heiz­periode unterstützen und so dessen Brennstoffverbrauch verringern. An kalten Tagen und abends, wenn üblicherweise eine Beheizung der Wohnräume gewünscht wird, steht dazu allerdings nicht genügend Sonnenenergie zur Verfügung. Deshalb muss zu Zeiten hoher Sonneneinstrahlung möglichst viel Wärme gespeichert werden.

Kombispeicher mit Schichtladeeinrichtung

Eine preisattraktive und platzsparende Lösung für diese Aufgabe bieten Kombispeicher mit Schichtladeeinrichtung (Bild 5). Kombispeicher bevorraten ein großes Volumen an Heizwasser für die Heizungsunterstützung, das zusätzlich über einen Edelstahl-Wärmetauscher innerhalb des Speicherbehälters das Trinkwasser im Durchlauf erwärmt. Die Schichtladeeinrichtung sorgt für die temperaturabhängige Einschichtung der Solar­energie, dadurch ist solar erwärmtes Trinkwasser schnell verfügbar. Den hydraulischen Aufbau einer solchen Anlage mit Schichtlade-Kombispeicher zeigt Bild 6: Durch die Solaranlage (1) wird der Schichtlade-Kombispeicher (2) aufgeheizt. Reicht die Aufheizung durch die Solaranlage aus, bleibt der Pelletkessel (3) ausgeschaltet. Reicht die Temperatur des so vorgewärmten Speicherwassers nicht aus, erhält die Regelung des Heizkessels vom Puffertemperatursensor (4) ein entsprechendes Signal. Aufgrund dieser Anforderung geht der Pelletkessel in Betrieb, bis die eingestellte Solltemperatur im Kombispeicher erreicht ist.

Das Trinkwasser wird in einem Kombispeicher im Durchlaufprinzip erwärmt. Bei Zapfbeginn steht sofort das in der Edelstahl-Wellrohrspirale (5) stehende, erwärmte Trinkwasser zur Verfügung. Nachlaufendes kaltes Wasser wird beim Durchlauf durch das Edelstahl-Wellrohr vom umgebenden Pufferspeicherwasser erwärmt. Die Temperatur des Trinkwassers bleibt dabei über lange Zeit nahe­zu konstant. Genügt die solar gewonnene Energie nicht zur vollständigen Erwärmung des Trinkwassers oder kühlt sich das Pufferspeicherwasser durch hohen Warmwasserverbrauch ab, wird über ein Signal des Speichertemperatursensors (6) der Pelletkessel in Betrieb gesetzt und das 3-Wege-Umschaltventil (7) in Richtung AB-A geschaltet. Das Trinkwasser wird nun nahe der Entnahmestelle vom Pelletkessel auf die gewünschte Temperatur erwärmt.

Höhere Anforderungen an die Planung

Grundsätzlich sind sowohl Flach- als auch ­Vakuum-Röhrenkollektoren für Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung geeignet. Bei der Planung und Realisierung von Anlagen zur solaren Heizungsunterstützung ist zu berücksichtigen, dass diese an die Planung etwas höhere Anforderungen stellen, als Anlagen zur ausschließlichen Trinkwassererwärmung. Die auf den gesamten Wärmebedarf (Heizung und Warmwasserbereitung) bezogenen Deckungsraten liegen bei modernen Niedrigenergiehäusern (Wärmebedarf kleiner 50 kWh/(m² a)) zwischen 25 und 35 %. Bei älteren Gebäuden mit in der Regel schlechterer Wärmedämmung und daraus resultierendem höheren Wärmebedarf fallen die Deckungsraten entsprechend niedriger aus.

Um eine sinnvolle Unterstützung der Raumbeheizung zu realisieren, muss die Kollektorfläche größer als bei einer alleinigen Trinkwassererwärmung bemessen werden. Der Anlagenplaner kann zunächst von einer Kollektorfläche ausgehen, die höchstens zwei bis zweieinhalb mal so groß sein sollte wie für die Trinkwassererwärmung. Die Praxis hat gezeigt, dass diese Anlagengröße in der Regel sowohl einen technisch unproblematischen als auch wirtschaftlichen Betrieb der Anlage erlaubt. Diese Faustregel ersetzt allerdings keine genaue Simulationberechnung. Da Anlagenstillstände – so genannte Stagnationsphasen – bei größeren Kollektorflächen immer auftreten können, müssen Solaranlagen entsprechend den einschlägigen Regeln stillstandssicher ausgeführt werden.

Heiztechnik soll wirtschaftlich, zukunftssicher und umweltschonend sein. Pelletkessel und Solaranlage erfüllen diesen Anspruch. Mit ihnen können Wohnraumbeheizung und Trinkwasser­erwärmung vollständig auf Basis regenerativer Quellen vorgenommen werden. Das ist angesichts stetig steigender Preise für Öl und Gas eine auf lange Sicht wirtschaftliche, umweltschonende und damit auch zukunfts­sichere Art zu heizen.

Unser Autor Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty hat nach Stu­dium und Ingenieur-Tätigkeit eine Weiterbildung zum Fachzeitschriftenredakteur absolviert. Bei Viessmann ist er als technischer Redakteur im Bereich Presse- und Öffentlichkeitsarbeit tätig; 35107 Allendorf, Telefon (0 64 52) 70-0, Telefax (0 64 52) 70-27 80, https://www.viessmann.de/