Thermische Solaranlagen, Wärmepumpensysteme und Holzfeuerungen haben in den vergangenen Jahren auch in Objekten mit größerem Wärmebedarf Einzug gehalten. Sie helfen in Mehrfamilienhäusern, Hotels und Verwaltungsbauten, in Gewerbebetrieben sowie in Nahwärmenetzen die Betriebskosten der Wärmeversorgung zu senken und steigern den Wert der Immobilien.
Für den weitaus größten Teil der Anwendungen stehen auf dem Markt standardisierte Lösungen zur Verfügung. Für besondere Anforderungen können aber auch individuell geplante und gefertigte Anlagen geliefert werden.
Kesselbetrieb mit flüssiger oder gasförmiger Biomasse
Die Nutzung erneuerbarer Energien lässt sich in vielen Fällen bereits durch vergleichsweise einfache Maßnahmen ermöglichen. So zum Beispiel durch den Austausch des alten Wärmeerzeugers gegen einen neuen und effizienten Heißwasser- oder Dampferzeuger, der sich für den Betrieb mit Bioöl oder Biogas eignet. Insbesondere bei Großkesseln können oftmals schon durch den Einbau geeigneter Brenner sowie durch geringe Modifikationen am Kessel Bioöl oder Biogas genutzt werden, je nach Brennerart und Anlagenausstattung auch in reiner Form.
Für die Nutzung von Bioöl können beispielsweise Drehzerstäuber-Brenner zum Einsatz kommen. Drehzerstäuber (auch Rotationszerstäuber genannt) werden bevorzugt bei der Schwerölverbrennung eingesetzt. Sie sind auch geeignet für die Verbrennung von Öl-Fettgemischen, für Tierfette sowie Rapsöl bzw. Rapsmethylester (RME), der aus Rapsöl hergestellt wird.
In vielen Fällen ist auch die Verwendung von Biogas möglich, häufig auch in reiner Form ohne Erdgaszumischung. Zu beachten ist die Veränderung des Heizwertes bei Zumischungen. Je nach Zusammensetzung kann es erforderlich sein, eine Brenneranpassung vorzunehmen oder den Einsatz eines Sonderbrenners vorzusehen. Auch die Betriebsweise des Kessels muss gegebenenfalls den veränderten Anforderungen angepasst werden.
Generell sollte bei der Nutzung von Bioölen und Biogasen die chemische Zusammensetzung der Brennstoffe berücksichtigt werden, da gegebenenfalls besonders hochwertige Materialien wie Edelstahl für Armaturen und andere Anlagenbestandteile eingesetzt werden müssen.
Große Solaranlagen für die Modernisierung
Thermische Solaranlagen für die Warmwasserbereitung sind seit einigen Jahren über das Einsatzfeld der Ein- und Zweifamilienhäuser hinausgewachsen und werden zunehmend auch in größeren Gebäuden eingesetzt. Diese großen Solaranlagen mit mehr als 30 m² Kollektorfläche und Speichervolumen über 3000 Liter sind aus betriebswirtschaftlicher Sicht sehr interessant, da sie einerseits hohe Energieeinsparungen ermöglichen und andererseits mit steigender Anlagengröße die spezifischen Systemkosten pro m2 Kollektorfläche senken. Da hier allerdings kaum standardisierte Lösungen vorhanden sind, ist die Planung solcher Anlagen anspruchsvoller als bei Ein- und Zweifamilienhäusern.
Als eine Art Standardlösung für große Warmwasserbedarfe können Anlagen mit Heizwasser-Pufferspeicher und Vorwärmspeicher betrachtet werden. Dieser Typ ist im Fließbild dargestellt. Bei Untersuchungen im Forschungsprogramm „Solarthermie 2000“, die im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit an über 50 größeren Solaranlagen durchgeführt wurden, hat sich dieser Anlagentyp im Vergleich zu anderen Anlagenkonfigurationen als der zuverlässigste herausgestellt. Eine solche Anlage ist darüber hinaus einfach in ein vorhandenes Heizungssystem einzubinden.
Die Hydraulik dieses Anlagentyps kann in drei jeweils über Wärmetauscher miteinander verbundene Kreise unterteilt werden.
- <b>Beladekreis:</b> Die von der Kollektoranlage (A) in nutzbare Wärme umgewandelte Sonnenenergie wird über den Plattenwärmetauscher (B) an den Heizwasser-Pufferspeicher (C) abgegeben.
- <b>Pufferkreis:</b> Im Pufferkreis wird die vom Beladekreis gelieferte Wärme zwischengespeichert. Im Schema ist nur ein Heizwasser-Pufferspeicher dargestellt. Bei schwierigen Bedingungen für die Einbringung eines großen Speicherbehälters können genauso gut mehrere kleinere, in Reihe geschaltete Pufferspeicher verwendet werden.
- <b>Entladekreis:</b> Vor den Speicher-Wassererwärmer (F) ist ein Vorwärmspeicher (E) geschaltet, in den das Trinkwasser eintritt. In diesem Vorwärmspeicher werden die Schwankungen des Warmwasserverbrauchs gepuffert. Abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Puffer- und Vorwärmspeicher wird die solare Wärme über den Plattenwärmetauscher (D) auf das Trinkwasser im Vorwärmspeicher übertragen. Steht nicht genügend solare Wärme zur Verfügung, kann das Trinkwasser im Speicher-Wassererwärmer über einen zentralen Wärmeerzeuger (G) nachbeheizt werden.
Die bei Solaranlagen dieser Größenordnung üblichen großen Kollektorflächen müssen gründlich geplant werden. Sie bestehen in der Regel aus mehreren Teilfeldern. Optimale Anlagen setzen sich aus gleich großen Teilfeldern zusammen, die nach Tichelmann angeschlossen sind. Dabei ist die Summe der Vor- und Rücklaufleitungslängen an jeder Stelle des Rohrsystems annähernd gleich groß. Ist der Aufbau gleich großer Felder nicht möglich, müssen Abgleicheinrichtungen eingesetzt werden, die einer thermischen Belastung bis zur Stagnationstemperatur der Kollektoren standhalten.
Der Aufwand für die Planung großer Solaranlagen kann in einem moderaten Rahmen gehalten werden, wenn deren Systemkomponenten entsprechend aufeinander abgestimmt sind. Deshalb werden komplett konfektionierte Sets für Belade- und Entladekreise angeboten, die auch die passend dimensionierten Plattenwärmetauscher enthalten. Um alle Leistungsbereiche und Installationsbedingungen abdecken zu können, sind solche Sets in verschiedenen Größen erhältlich. Aus diesem Angebot können zeitsparend die jeweils passenden Komponenten zusammengestellt werden.
Neben der hier näher erläuterten Anwendung zur Trinkwassererwärmung können große Solaranlagen auch zur Heizungsunterstützung und Gebäudekühlung sowie in Industrie und Gewerbe auch zur Erzeugung von Prozesswärme eingesetzt werden. Eine Vielzahl solcher Anlagen wurden bereits für Mehrfamilienhäuser, Verwaltungsbauten und Gewerbebetriebe realisiert und hat sich seitdem bewährt.
Naturwärme im Gebäudebestand nutzen
Auch zur Nutzung von Naturwärme (Erdreich, Außenluft, Grund- und Seewasser) im größeren Leistungsbereich sind heute Lösungen verfügbar, die zur Heizungsmodernisierung eingesetzt werden können. Auf dem Markt werden Wärmepumpen mit Leistungen bis hin zu mehreren MW angeboten, die sich zur wirtschaftlichen Beheizung von Mehrfamilienhäusern, Hotels und Gewerbebetrieben sowie zur Nahwärmeversorgung eignen.
Die Sole/Wasser-Wärmepumpe Vitocal 300-G ist ein gutes Beispiel für die vielfältigen Möglichkeiten, die moderne Wärmepumpen bieten. Als Einzelgerät steht diese Wärmepumpe derzeit mit Nenn-Wärmeleistungen bis 42,8 kW (als Wasser/Wasser-Wärmepumpe bis 58,9 kW) zur Verfügung. Mit Vorlauftemperaturen bis 60 °C eignet sie sich auch für die Modernisierung von Heizungssystemen mit Radiatoren. In allen Ausführungen kommt der Compliant Scroll-Verdichter zusammen mit einem elektronischen Expansionsventil und dem RCD-System (Refrigerant Cycle Diagnostic) zum Einsatz. Das RCD-System überwacht und regelt permanent den Kältemittelkreislauf. So ist in jedem Betriebspunkt der Wärmepumpe eine optimale Betriebsweise gewährleistet. Dabei bilanziert das RCD-System auch die Energieaufnahme aus dem Stromnetz und die Wärmeabgabe an Heizung und Trinkwasser.
Kaskaden mit bis zu zehn Wärmepumpen
Um in Objekten mit höheren Heizlasten entsprechend größere Leistungen zu erzielen, können zwei dieser Wärmepumpen nach dem Master/Slave-Prinzip miteinander gekoppelt werden. Dann sind Leistungen bis 85,6 kW (Sole/Wasser) bzw. bis 117,8 kW (Wasser/Wasser) möglich. Das modulare Master/Slave-Prinzip besteht aus einer Master-Wärmepumpe, die auch allein betrieben werden kann, und einer sogenannten Slave-Wärmepumpe, die vom Master-Modul aus geregelt wird. Da Module unterschiedlicher Leistung miteinander kombiniert werden können, lässt sich die Wärmepumpenanlage exakt an den individuellen Wärmebedarf des Gebäudes anpassen. Ein weiterer Vorteil dieses Konzepts besteht in der einfacheren Einbringung der einzelnen Module gegenüber einer einzigen Wärmepumpe mit vergleichbarer Gesamtleistung – besonders dann, wenn die Einbringung über enge Treppenhäuser und durch schmale Flure erfolgen muss.
Sind noch höhere Leistungen gefordert, so können auch bis zu zehn Vitocal 300-G zu einer Kaskade – vergleichbar einer Mehrkesselanlage aus konventionellen Wärmeerzeugern – zusammengeschaltet werden. Dann werden bis zu 428 kW bei der Nutzung von Erdwärme und bis zu 589 kW bei Grundwasser erreicht. Wie bei allen Anlagen mit mehreren Wärmeerzeugern, ist auch hierbei die deutlich erhöhte Betriebssicherheit der Wärmeversorgung ein besonderer Vorteil.
Großwärmepumpen bieten Heizleistungen im Megawattbereich. Dabei handelt es sich oft um Wärmeerzeuger, die eigens für die jeweilige Anwendung konzipiert und hergestellt werden. So werden genau auf den individuellen Modernisierungsfall zugeschnittene Lösungen verwirklicht. Komplettanbieter unterstützen ihre Kunden bei diesen objektbezogenen Wärmepumpen umfassend bei der Anlagenplanung, Installation und Inbetriebnahme und liefern dazu auf Wunsch auch die gesamte Systemtechnik wie Speicher, Regelungstechnik sowie Erdwärmesonden inklusive der benötigten Bohrungen.
Automatische Holzheizsysteme für höhere Heizlasten
Die Vorteile des Brennstoffs Holz (siehe Teil 1 dieses Beitrags in der SBZ, Ausgabe 6/2011) sowie die Verfügbarkeit moderner Feuerungsanlagen haben dazu geführt, dass der nachwachsende Energieträger zunehmend auch in Mehrfamilienhäusern, Hotels, Gewerbebetrieben sowie für die Nahwärmeversorgung genutzt wird. Aus wirtschaftlichen Gründen kommen die Holzfeuerungen dabei häufig als Grundlastkessel zum Einsatz und erreichen so lange Laufzeiten im Jahr, während ein öl- oder gasbetriebener Heizkessel die Spitzenlasten abdeckt.
Während der Betreiber eines Scheitholzkessels im Einfamilienhaus noch dazu bereit ist, während der Heizperiode mehrmals am Tag Brennstoff von Hand nachzulegen, so ist bei Holzfeuerungen größerer Leistung der automatische Anlagenbetrieb notwendig. Angesichts des höheren Brennstoffbedarfs dieser Anlagen wäre eine manuelle Beschickung weder praktikabel noch wirtschaftlich. Der automatische Betrieb einer Feuerungsanlage setzt deshalb voraus, dass der Brennstoff maschinell in der aktuell benötigten Dosierung vom Ort seiner Lagerung zur Feuerstätte transportiert werden kann. Bei den Holzbrennstoffen haben sich dazu besonders die rieselfähigen Pellets und Hackschnitzel bewährt. Vereinzelt werden aber auch Sägespäne, Mischungen aus Holzhackschnitzeln und Sägespänen sowie Holzstaub genutzt. Welcher dieser Brennstoffe im konkreten Fall zum Einsatz kommt, hängt jeweils von der Verfügbarkeit ab.
Für die Wärmeerzeugung mit Pellets und Hackschnitzel bietet der Markt heute moderne Holzfeuerungen an, die mit hoher Zuverlässigkeit und Effizienz den Brennstoff in nutzbare Wärme umwandeln. Die folgenden Beispiele verdeutlichen den Stand der Technik.
Der Pyromat DYN (35 bis 100 kW) ist für die automatische Beschickung mit Pellets, Hackschnitzeln, Holzbriketts sowie losen Holzresten geeignet. Zündung des Brennstoffs, Heizflächenreinigung und optional auch die Entaschung erfolgen ebenfalls automatisch. Als Besonderheit kann dieser Kessel auch manuell mit Scheitholz beschickt werden. Die Umstellung auf Scheitholzbetrieb erfolgt einfach per Knopfdruck. Aufgrund der vielfältigen Brennstoffe, die solche Wärmeerzeuger nutzen können, sowie der Wahlmöglichkeit zwischen automatischer und manueller Beschickung, bietet sich neben Ein- und Mehrfamilienhäusern auch der Einsatz in holzverarbeitenden Betrieben (z. B. Schreinereien, Möbelbau) und in der Landwirtschaft an, wo zuweilen unterschiedliches Rest- und Abfallholz anfällt.
Heizleistungen mit Biomasse bis in den Megawatt-Bereich
Im Leistungsbereich bis etwa 500 kW steht mit der Rotationsfeuerung eine besonders innovative Technologie zur Verfügung, die für hohe Wirkungsgrade und sehr geringe Emissionen sorgt. Eine Einschubschnecke führt den Brennstoff (Pellets oder Hackschnitzel) kontinuierlich auf einen bewegten Rost, auf dem er unter genau gesteuerter Zufuhr von Primärluft vergast. Die Brenngase steigen von dort in den Rotationsfeuerraum auf, wo sie mit Sekundärluft vermischt werden, die von einem Rotationsgebläse in eine Drehbewegung versetzt wurde. Dadurch wird eine vollständige Verbrennung gewährleistet. Eine exakte Abbrandregelung erfolgt mit Lambdasonde und Temperatursensor. Die Verbrennungstechnik erzielt ähnliche Emissionswerte wie eine moderne Gasfeuerungsanlage und hält brennstoffabhängig die Abgabe von CO, NOx und Staubpartikeln auf ein Minimum.
Für Leistungen von etwa 100 bis weit über 10000 kW – und damit auch für die Beheizung von sehr großen Objekten sowie für die Nahwärmeversorgung – stehen moderne, automatische Holzheizsysteme mit Rostfeuerung zur Verfügung. Rostfeuerungen wie beispielsweise der Flachschubrost bieten als wesentliche Vorteile die Verwendbarkeit verschiedener Brennstoffe (Holzpellets, Hackschnitzel, Spanplatten, Restholz) sowie, bedingt durch das ruhende Brennstoffbett, einen niedrigen Staubgehalt im Rauchgas.
Eine moderne Flachschubrostfeuerung ist der Pyroflex. Die Flachschubrostfeuerungen werden individuell nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung konzipiert. Kesselanlagen sind für große Leistungen bis zu 13MW möglich. In der Regel wird jede Modernisierung mit einem Pyroflex Kessel individuell geplant und auf die speziellen Bedürfnisse des Anlagenbetreibers abgestimmt. Dazu zählen auch umfangreiche Dienstleistungen wie die Konzepterstellung, Service- und Montageorganisation.
Zusatzeinrichtungen für die Holzfeuerung
Für den automatischen, zuverlässigen und wartungsarmen Betrieb einer Holzfeuerungsanlage sind neben dem Wärmeerzeuger weitere Einrichtungen erforderlich. Hierzu zählen insbesondere:
- Lager- und Zufuhrsysteme für den Brennstoff
- Reinigungssysteme für die Heizflächen
- Einrichtungen zur Entaschung des Kessels
- Regelungen für ein umfassendes Energiemanagement
Dazu sind im Markt eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme verfügbar. So zum Beispiel Pellet-Saugsysteme mit Förderleistungen von bis zu 300 kg pro Stunde für Holzfeuerungen bis 1250 kW, Schubbodenaustragungen und Federkernaustragungen für Hackschnitzel, pneumatische Reinigungssysteme für die Heizflächen, die mit periodisch erfolgenden Druckstößen die Asche aus dem Wärmetauscher entfernt, und Austragungsschnecken sowie spezielle Behälter für die Entsorgung der Asche. Moderne Kesselregelungen überwachen den Abbrand und steuern die Zufuhr des Brennstoffs und die Ascheaustragung. Insbesondere bei größeren Anlagen werden bei der Ausstattung der Regelung kundenspezifische Wünsche wie eine Kaskadenregelung für mehrere Heizkessel und die Einbindung von Wärmeerzeugern zur Nutzung anderer Energieträger (Öl, Gas, solare Wärme) berücksichtigt. Standardisierte Schnittstellen zu einer übergeordneten Gebäudeleittechnik sind ebenso erhältlich wie Internet-gestützte Einrichtungen zur Fernüberwachung und Fernparametrierung der Anlagen. Komplettanbieter haben die gesamte Systemtechnik im Programm. So ist gewährleistet, dass die verschiedenen Komponenten zueinander passen und reibungslos miteinander funktionieren.
Systeme zur Nutzung der erneuerbaren Energien erhöhen die Unabhängigkeit von den fossilen Energieträgern. Ihr Einsatz hilft, die laufenden Betriebskosten von Heizungsanlagen zu reduzieren. Regenerative Energiesysteme haben aus diesen Gründen ein gutes Image, weshalb viele Modernisierer zu entsprechenden Investitionen bereit sind.
Der Markt bietet dazu heute für alle Anwendungen, für Ein- und Mehrfamilienhäuser, für Gewerbebetriebe und Nahwärmenetze, eine Vielzahl von Lösungen an. Damit kann praktisch jede regenerative Energieform – Sonnenenergie, Naturwärme aus dem Erdreich, dem Grundwasser und der Luft sowie feste, flüssige und gasförmige Biomasse – eingesetzt werden.
Autor
Dipl.-Ing. Wolfgang Rogatty ist bei den Viessmann-Werken als technischer Redakteur im Bereich der Presse- und Öffentlichkeitsarbeit tätig, 35108 Allendorf (Eder), Telefon (0 64 52) 70-0, rgw@viessmann.com, https://www.viessmann.de/
