Das Prinzip der Brennwerttechnik ist allgemein bekannt: Durch gezielte Kondensation des im Heizgas enthaltenen Wasserdampfs wird Wärme frei, die zusätzlich zur Reaktionswärme aus der Verbrennung zur Gebäudebeheizung genutzt werden kann (Bild 1). Aus diesem Funktionsprinzip ergibt sich nicht nur eine deutlich bessere Brennstoffausnutzung als bei herkömmlichen Heizkesseln. Es führt auch zu Norm-Nutzungsgraden, die physikalisch eigentlich nicht möglich sind. Darüber hinaus kann dieses Prinzip nur funktionieren, wenn seitens der Anlagenhydraulik sichergestellt ist, dass Rücklauftemperaturen unterhalb der Taupunkttemperatur des Wasserdampfs im Heizgas erreicht werden.
Wie kommt es zu einem Nutzungsgrad von über 100 %?
Gas-Brennwertgeräte erreichen heute Norm-Nutzungsgrade bis zu 109 %, bei Öl werden bis zu 104 % erzielt. Damit können moderne Brennwertsysteme den Energiegehalt der Brennstoffe bis nahe an das theoretisch mögliche Maximum in nutzbare Wärme umwandeln. Der Grund für die Nutzungsgrade von über 100 % ist die von der Norm vorgegebene Bezugsgröße.
Bezugsgrößen für den Norm-Nutzungsgrad
Der Norm-Nutzungsgrad nach DIN 4702 Teil 8 wurde eingeführt, um die Energieeffizienz der verschiedenen Wärmeerzeugerbauarten einheitlich vergleichen zu können (Bild 2). Er wird im Labor auf einem Prüfstand nach Normbedingungen ermittelt. Die für Deutschland typischen klimatischen Verhältnisse mit den daraus resultierenden Betriebsbedingungen werden dabei entsprechend berücksichtigt. Damit gibt der Norm-Nutzungsgrad den Energieanteil in % an, der repräsentativ über eine Heizperiode vom Heizkessel als nutzbare Heizwärme geliefert wird.
Als Bezugsgröße für die im Brennstoff enthaltene Energie wird in der DIN 4702-8 der „untere Heizwert“ Hu (heute international als Hi bezeichnet) festgelegt. Er bezeichnet die Wärmemenge, die bei einer vollständigen Verbrennung frei wird, wenn das dabei entstehende Wasser dampfförmig – und damit ungenutzt – abgeführt wird. Vor der Entwicklung der Brennwerttechnik war diese Bezugsgröße durchaus sinnvoll. Der Wasserdampf konnte in früheren Kesselkonstruktionen nicht genutzt werden, da seine Kondensation zur Korrosion im Kessel und zur Versottung des Schornsteins hätte führen können. In einem modernen Brennwertkessel (aus Edelstahl Rostfrei in Verbindung mit einem geeigneten Abgassystem) kann dieser Wasserdampf gefahrlos kondensieren, die frei gewordene Wärme wird nutzbar – der Norm-Nutzungsgrad übersteigt theoretisch die physikalisch vorgegebene Grenze.
Würde der Norm-Nutzungsgrad auf den „oberen Heizwert“ Ho (heute international als Brennwert Hs bezeichnet) bezogen, erhält man physikalisch korrekte Ergebnisse. Denn der Brennwert Hs berücksichtigt die bei vollständiger Verbrennung frei werdende Wärmemenge einschließlich der Kondensationswärme des Wasserdampfes.
Öl und Gas sind gleich effizient
In dem Bezug der Norm-Nutzungsgrade auf den Heizwert Hi liegt auch die Erklärung für die Differenz zwischen den Nutzungsgraden von Gas- und Öl-Brennwertkesseln. Bei der Verbrennung von Erdgas entsteht erheblich mehr Wasserdampf (ca. 140 g/kWh) als bei Heizöl (ca. 80 g/kWh). Damit sind die möglichen Kondensationsgewinne bei Öl geringer als bei Gas. Das bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass damit auch die Energieeffizienz von Öl- gegenüber Gas-Brennwertgeräten geringer ist.
Für die Effizienz zählt allein, wie viel vom gesamten Energieinhalt eines Brennstoffes als Heizwärme genutzt wird. Dabei ist es gleichgültig, ob die nutzbare Wärme aus dem sensiblen Anteil durch Abkühlung des Heizgases oder dem latenten Anteil aus der Kondensation des Wasserdampfes stammt. Bezogen auf den Brennwert Hs zeigt sich, dass die Brennwerttechnik für beide Brennstoffe gleich effizient ist (Bild 3).
Wie wird in der Praxis ein maximaler Brennwertnutzen erreicht?
Für eine möglichst effizient funktionierende Brennwertanlage sind zwei Grundvoraussetzungen von besonderer Bedeutung:
– ein brennwertgerecht konstruierter Heizkessel und
– die brennwertgerechte hydraulische Einbindung des Kessels.
Brennwertgerechte Kesselkonstruktion
Die brennwertgerechte Konstruktion des Kessels stellt sicher, dass zwischen dem Heizgas und der Heizfläche stets ein intensiver Kontakt stattfindet. So kann die Wärme des Heizgases effizient auf das Heizwasser übertragen werden. Damit die wirkungsvolle Wärmeübertragung auch dauerhaft gewährleistet ist, muss zudem das Kondenswasser ungehindert abfließen können. Würde sich Kondenswasser auf der Wärmetauscher-Oberfläche ansammeln können, so würde es mit der Zeit Ablagerungen bilden, die die Wärmeübertragung beeinträchtigen.
Brennwertgerechte Konstruktionen, wie z.B. der Inox-Radial-Wärmetauscher aus Edelstahl Rostfrei (Bild 4), bieten dem Kondenswasser keine Möglichkeit, sich anzusammeln. Statt dessen entsteht durch die senkrechten Flächen ein Selbstreinigungseffekt, da das ungehindert abfließende Kondenswasser die Heizflächen abspült und so sauber hält. Formgebung und gute Zugänglichkeit ermöglichen zudem eine einfache Reinigung. Eine ordnungsgemäße Wartung vorausgesetzt, behält diese Heizfläche ihre volle Wirksamkeit über die gesamte Nutzungsdauer des Brennwertkessels.
Ob im Einzelfall ein brennwertgerecht konstruierter Heizkessel zum Einsatz kommt, kann der Fachhandwerker nur durch die Wahl eines entsprechenden Produktes bestimmen. Wie groß der Brennwertnutzen bei einem gegebenem Kessel ist, wird dagegen ganz entscheidend von ihm selbst durch die fachgerechte hydraulische Einbindung des Brennwertkessels beeinflusst.
Brennwertgerechte Hydraulik
Der Brennwerteffekt ist dann besonders groß, wenn durch niedrige Rücklauftemperaturen der Wasserdampf im Heizgas vollständig kondensieren kann. Das ist dann der Fall, wenn die Taupunkttemperatur (ca. 57 °C bei Erdgas, ca. 47 °C bei Heizöl) im Rücklauf unterschritten wird. Eine brennwertgerechte hydraulische Einbindung sorgt deshalb dafür, dass Rücklauftemperaturen möglichst unter der Taupunkttemperatur erreicht werden. So ist der Einbau eines 4-Wege-Mischers zu vermeiden, da er die Rücklauftemperatur durch das Beimischen von heißem Vorlaufwasser anhebt. Die so angehobene Rücklauftemperatur kann dann zeitweise – oder je nach Kesselauslastung auch ständig – über der Taupunkttemperatur liegen und den Brennwerteffekt verhindern. Sind Mischeinrichtungen erforderlich, sollten 3-Wege-Mischer eingesetzt werden (Bild 5).
Hydraulische Weiche
In einigen Fällen kann auf eine hydraulische Weiche nicht verzichtet werden. Sie ist erforderlich, wenn die maximal zulässige Durchflussmenge durch den Brennwertkessel geringer ist als die Umlaufmenge im Heizkreis. Dies kann z.B. bei Wandgeräten in Kombination mit Fußbodenheizungen der Fall sein. Dann muss der größere Heizkreis-Volumenstrom gegenüber dem Kesselkreis-Volumenstrom über die hydraulische Weiche ausgeglichen werden. Dabei tritt keine Anhebung der Rücklauftemperatur ein.
Grundsätzlich erfolgt die Auslegung der hydraulischen Weiche (Bild 6) nach dem maximal möglichen Volumenstrom V·sekundär. Zum Ausgleich sind die Förderströme der Kesselkreis- und Heizkreispumpe so abzustimmen, dass im Heizkreis der größere Volumenstrom umgewälzt wird, um ein Beimischen von warmem Vorlaufwasser in den Rücklauf zuverlässig zu verhindern (anlagenseitiger Heizwasserbypass). Der kesselseitige Volumenstrom (V·primär) muss erfahrungsgemäß mindestens 10 bis 30 % niedriger sein als der anlagenseitige Volumenstrom (V·sekundär).
Einfluss von Förderstrom/Spreizung
Der Brennwertnutzen wird zusätzlich auch durch die Auslegung der Förderströme bzw. der Spreizung beeinflusst. Bild 7 verdeutlicht den Einfluss: Wird bei einer vorhandenen Anlage (Wärmestrom Q· = konst.) der Förderstrom (V·) halbiert, so nimmt die Spreizung (ΔT) zu, allerdings sinkt zunächst die mittlere Heizkörpertemperatur.
V· = Q· /ΔT
Wird nun die Vorlauftemperatur soweit angehoben, dass sich die ursprüngliche mittlere Heizkörpertemperatur wieder einstellt, so ergibt sich eine doppelt so große Spreizung, die Rücklauftemperatur sinkt entsprechend ab. So kann der Brennwerteffekt deutlich verbessert werden.
In der Umkehrung gilt, dass große Fördermengen die Spreizung verringern und damit einem Brennwerteffekt entgegenwirken können. Geringere Förderströme setzen allerdings einen noch sorgfältigeren Abgleich der Anlagenhydraulik voraus.
Sind Brennwertkessel auch bei hohen Temperaturen sinnvoll?
Die allgemeine Forderung nach niedrigen Rücklauftemperaturen hat das Vorurteil geschürt, dass Brennwertkessel für die Modernisierung alter Heizungsanlagen – mit in der Regel hohen Systemtemperaturen – kaum geeignet seien. Dabei wird übersehen, dass Rücklauftemperaturen unterhalb des Wasserdampf-Taupunktes zwar Voraussetzung für einen maximalen Brennwertnutzen sind, ein sinnvoller Brennwertbetrieb mit entsprechender Energieeinsparung aber auch bei höheren Systemtemperaturen möglich ist.
Systemtemperaturen mit 75/60 °C und 90/70 °C
So wird selbst bei einem Heizsystem der Auslegung 75/60 °C bis zu Auslastungen von mehr als 90 % bzw. Außentemperaturen bis herunter auf –11,5°C bei Erdgas die Taupunkttemperatur im Rücklauf so weit unterschritten, dass der Wasserdampf im Heizgas kondensieren kann. Damit wird die Anlage auch bei der hohen Auslegungstemperatur von 75/60 °C gemäß Bild 8 zu mehr als 90 % im Brennwertbereich betrieben.
Unter der Voraussetzung, dass die vorhandenen Heizkörper überdimensioniert sind, kann auch bei Heizungsanlagen mit hohen Systemtemperaturen ein Brennwertnutzen erzielt bzw. gesteigert werden. Vor allem in älteren Gebäuden sind die Heizkörper oft sehr großzügig dimensioniert. Im Rahmen von Modernisierungsmaßnahmen am Gebäude wurden zudem häufig Isolierglasfenster und Wärmedämmungen eingebaut, die den Heizwärmebedarf deutlich gesenkt haben. Die hohen Systemtemperaturen (z.B. 90/70 °C) sind deshalb gar nicht mehr erforderlich und können erheblich verringert werden.
Beispiel: Auslegung einer 90/70-Anlage
Um welchen Betrag eine auf 90/70 °C ausgelegte Anlage abgesenkt werden kann, wird mit Hilfe von Bild 9 ermittelt. Während der Heizperiode sollten alle Heizkörper abends geöffnet und am nächsten Nachmittag Vor- und Rücklauftemperaturen abgelesen werden. Voraussetzung ist, dass die Kessel- oder Mischerregelung so eingestellt ist, dass sich die Raumtemperaturen bei vollständig geöffneten Heizkörperventilen im gewünschten Bereich (20 bis 23 °C) bewegen. Aus der Vor- und Rücklauftemperatur wird die mittlere Heizwassertemperatur errechnet (Beispiel: 54 °C + 46 °C)/2 = 50 °C). Mit diesem Wert geht man in das Diagramm (1). Gleichzeitig muss die aktuelle Außentemperatur (hier: 0 °C) bekannt sein (2). Bringt man die Senkrechte von (1) mit der Kurve der mittleren Heizwassertemperatur zum Schnittpunkt, so kommt man auf (3). Von hier aus geht man waagerecht nach links, bis man die senkrechte Linie der Außentemperatur schneidet und erhält so Punkt (4). Von hier aus kann der so genannte Überdimensionierungsfaktor (im Beispiel 1,4) abgelesen werden. Die Heizflächen sind somit (im Beispiel) um 40 % überdimensioniert. Das heißt, bei der tiefsten angenommenen Außentemperatur (z.B. –15 °C), Punkt (5), würde die mittlere Heizwassertemperatur nicht, wie ausgelegt, 80 °C betragen müssen, sondern lediglich knapp über 65 °C (6). Die Taupunkttemperatur liegt bei der Erdgasverbrennung bei etwa 57 °C (7). Diesen Wert muss die Rücklauftemperatur unterschreiten, damit der Wasserdampf im Heizgas kondensieren kann und damit Brennwertnutzen erreicht wird. Im dargestellten Beispiel mit einer Überdimensionierung von 1,4 (8) wird diese Rücklauftemperatur bei Außentemperaturen bis zu –12,5 °C (9) unterschritten. Auf einen vollständigen oder teilweisen Brennwertnutzen muss also in diesem Fall nur an den Tagen verzichtet werden, an denen die Außentemperatur weniger als –12,5 °C beträgt.
Wie zukunftssicher ist die Öl- und Gas-Brennwerttechnik?
Die weltweit knapper werdenden fossilen Rohstoffe, Unterbrechungen der Öl- und Gas-Versorgung sowie steigende Preise sorgen für Verunsicherung. Viele Fachhandwerker und Planer fragen sich daher, ob sie ihren Kunden Brennwertsysteme für Öl bzw. Gas guten Gewissens anbieten können.
Wann versiegen die Öl- und Gasquellen?
Die Befürchtung, die Öl- und Gasquellen könnten versiegen, bevor ein neu angeschaffter Brennwertkessel seine kalkulierte Nutzungsdauer erreicht hat, besteht zu Unrecht. Nach heutigem Ermessen werden Erdöl und Erdgas noch für Jahrzehnte verfügbar sein. Für den Energiegipfel der Bundesregierung am 3. April 2006 haben das Bundeswirtschafts- und das Bundesumweltministerium gemeinsam den Statusbericht „Energieversorgung für Deutschland“ erarbeitet. Danach werden die globalen Vorkommen an fossilem Öl und Gas noch jeweils für ca. 145 Jahre reichen. Darüber hinaus werden auch immer noch neue Erdöl- und Erdgas-Felder entdeckt, die ein Ende der fossilen Vorräte weiter hinausschieben. Trotzdem gilt es – schon aus Verantwortung gegenüber zukünftigen Generationen – mit Öl und Gas möglichst sparsam umzugehen. Der möglichst breite Einsatz der Brennwerttechnik ist dazu eine sehr wirksame Maßnahme, denn sie ist eine der effizientesten Technologien zur Wärmeerzeugung.
Brennstoff aus nachwachsenden Rohstoffen
Im Übrigen zeichnet sich immer deutlicher ab, dass flüssige und gasförmige Brennstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen fossiles Öl und Gas ergänzen und zum Teil ersetzen werden. Schon heute wird Biogas dem Erdgas im Verteilungsnetz beigemischt. Im Rahmen des Energiegipfels wurde der Bundesregierung vorgeschlagen, dem Heizöl bis zu 5 % Bioöl beizumischen und den Anteil des Biogases im Verteilungsnetz auf 10 % zu erhöhen. Schrittweise sollen später diese Anteile noch weiter erhöht werden. Moderne Gas-Brennwertkessel sind mit Verbrennungsregelungen wie Lambda Pro Control bereits heute darauf vorbereitet (Bild 10). Die Beimischung von biogenen Bestandteilen zum Heizöl ist zwar noch nicht durch Vorschriften und Normen (DIN 51603) geregelt, entsprechende Änderungen an den Regelwerken sind aber in naher Zukunft zu erwarten.
Brennstoff aus synthetischen Rohstoffen
Für die Zukunft besonders Erfolg versprechend sind synthetisches Biogas und synthetisches Bioöl, die vergleichbare Eigenschaften aufweisen werden wie fossiles Erdgas und Heizöl. Diese Biobrennstoffe der so genannten „zweiten Generation“ sind derzeit noch in der Entwicklung, erste Erprobungen wurden aber bereits vorgenommen. Synthetischen Biobrennstoffe können aus praktisch allen nachwachsenden Rohstoffen (vollständige Pflanzen, Restholz, organische Stoffwechselprodukte usw.) erzeugt werden, wodurch der Ertrag deutlich höher sein wird als bei den heute verfügbaren konventionellen Biobrennstoffen. Sie lassen sich mit der vorhandenen Infrastruktur (Heizöltanks, Gasnetze usw.) problemlos nutzen und können deshalb in erheblich größerem Umfang zum Einsatz gelangen als die heute verfügbaren Biobrennstoffe.
Die innovative Brennwerttechnik kann auch diese wertvollen Biobrennstoffe besonders effizient nutzen und so mit verminderter Abhängigkeit von fossilen Ressourcen Wärme erzeugen. Was nichts anderes heißt als: Der Einbau eines Öl- oder Gas-Brennwertkessels ist keine verlorene Investition, sondern eine sichere Entscheidung.
Welche regenerativen Energiesysteme lassen sich einbinden?
Vor allem wegen der hohen Öl- und Gaspreise, aber auch um die Abhängigkeit von den fossilen Brennstoffen zu verringern, wächst das Interesse der Endkunden, Brennwertkessel mit Systemen zur Nutzung der regenerativen Energien zu kombinieren. Immer öfter entstehen so modernen Heizungsanlagen, wo Brennwertkessel zusammen mit Solaranlagen, Festbrennstoffkesseln oder Wärmepumpen betrieben werden. Darüber hinaus können mechanische Wohnungslüftungen mit Wärmerückgewinnung das Gesamtsystem ergänzen.
Kombination mit Solaranlage
Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung – als Ergänzung zum Brennwertsystem – sind weit verbreitet. Denn mit ihrer Hilfe können in Ein- und Zweifamilienhäusern übers Jahr gerechnet bis zu 60 % der für die Warmwasserbereitung benötigten Energie durch kostenlose Wärme von der Sonne bereitgestellt werden. Sie sind meist einfach zu realisieren und es stehen Komplett- und Paketlösungen zur Verfügung.
Der Anteil der Solaranlagen, die zusätzlich zur Trinkwassererwärmung auch die Heizung unterstützen, wächst kontinuierlich. Solche Anlagen versorgen die Nutzer im Sommer mit warmem Wasser und unterstützen in der Übergangszeit und im Winter die Heizung. Kombispeicher bevorraten Heizwasser und erwärmen zugleich auch das Trinkwasser.
Kombination mit Festbrennstoffkessel
Holz als Brennstoff erlebt seit einiger Zeit eine Renaissance. Der nachwachsende Brennstoff wird im eigenen Land erzeugt, steht in ausreichend großen Mengen zur Verfügung und ist im Preis – im Vergleich zu Öl und Gas – nur gering gestiegen. Deshalb wird auch die Kombination eines Festbrennstoffkessels (Pellets-, Holzvergaser- oder Scheitholzkessel) mit einem Brennwertgerät nachgefragt (Bild 11). In solchen bivalenten Anlagen sorgt der Brennwertkessel im Sommer für die komfortable Trinkwassererwärmung und deckt in der Übergangszeit den Wärmebedarf für die Wohnraumbeheizung. Im Winter kann dann der Festbrennstoffkessel parallel zum Öl-/Gas-Heizkessel betrieben werden und hilft so, den Verbrauch des fossilen Brennstoffs deutlich zu senken. Zugleich sorgt der Brennwertkessel für den gewohnten Komfort: So kühlen z.B. auch bei längerer Abwesenheit der Bewohner die Räume nicht aus, weil kein Brennholz nachgelegt wurde.
Kombination mit Wärmepumpe
Insbesondere bei größeren Heizungsanlagen können auch Wärmepumpen zur Abdeckung der Grundlast und Brennwertgeräte als Spitzenlastkessel zum Einsatz kommen. Den größten Teil des Jahres kann die Wärmepumpe die benötigte Wärme bereitstellen und senkt so die Verbrauchs- und Betriebskosten. Nur an besonders kalten Tagen, oder wenn größere Warmwassermengen benötigt werden, springt der Brennwertkessel ein, um den erhöhten Wärmebedarf zu decken.
Kombination mit Wohnungslüftung
Mechanische Wohnungslüftungen mit Wärmerückgewinnung stellen vor allem bei luftdichten Neubauten eine wichtige Ergänzung zum Heizsystem dar. Über ein Kanalsystem wird Luft aus feuchte- und geruchsbelasteten Räumen (Küche, Bad) abgesaugt und die darin enthaltene Wärme über einen Wärmetauscher an die angesaugte Außenluft übertragen. So können bis zu 90 % der Wärme zurückgewonnen werden. Moderne Wohnungslüftungen mit Wärmerückgewinnung sparen in Verbindung mit der heute in Neubauten üblichen luftdichten Bauweise etwa 10 kWh/(m² a) Heizenergie.
Wegen der globalen Energiesituation und der damit verbundenen Preissteigerungen für Öl und Gas wird immer häufiger angefragt, ob dem Anlagenbetreiber die Investition in einen Brennwertkessel noch empfohlen werden kann. Dabei wird übersehen, dass zum einen die weltweiten Öl- und Gas-Vorräte noch für Jahrzehnte verfügbar sein werden. Zum anderen geht die Brennwerttechnik besonders sparsam mit den Brennstoffen um.
Auch bedeutet die Entscheidung für die Öl- oder Gas-Brennwerttechnik nicht, von fossilen Brennstoffen für immer abhängig zu sein. Neue Bio-Brennstoffe werden die fossilen Energieträger ergänzen oder sogar ersetzen. Die Kombination mit Solaranlage, Festbrennstoffkessel oder Wärmepumpe bietet weitere Möglichkeiten, die Abhängigkeit beträchtlich zu verringern.
Somit ist die Brennwerttechnik eine Technologie, mit der auch in Zukunft zuverlässig, sicher und wirtschaftlich Wärme erzeugt werden kann.
Weitere Informationen
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, Fax (0 64 52) 70-27 80, https://www.viessmann.de/
