Effiziente Wärmeversorgung im Gebäudebestand Brennwertnutzung in älteren Heizungssystemen. Rund zwei Millionen Wärmeerzeuger

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1 Effiziente Wärmeversorgung im Gebäudebestand Brennwertnutzung in älteren Heizungssystemen Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rogatty* Die Brennwerttechnik für Gas und Öl ist eine der effizientesten Arten der Wärmeerzeugung. Sie hat sich seit rund zwei Jahrzehnten erfolgreich bewährt und ist Stand der Technik. Bei der Modernisierung einer alten Heizungsanlage mit einem Brennwertkessel besteht allerdings häufig Unsicherheit bezüglich des Brennwertnutzens. Hohe Systemtemperaturen üblich für alte Heizungen müssen aber nicht grundsätzlich den gewünschten Brennwerteffekt und damit einen sparsamen Heizbetrieb verhindern. Rund zwei Millionen Wärmeerzeuger in Deutschland sind älter als 25 Jahre. Noch deutlich höher dürfte die Zahl der Heizkessel sein, die über 18 Jahre alt sind. Alle diese Wärmeerzeuger sind *) Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Rogatty, Viessmann Werke GmbH, Allendorf Bild 1: Sind kein Widerspruch: Moderne Brennwerttechnik und ein älteres Heizsystem mit hoher Systemtemperatur. technisch veraltet und verschwenden kostbares Öl bzw. Gas. Das Einsparpotenzial ist enorm, doch die dringend notwendige Modernisierung kommt nicht in Gang. Diskussionen zur Versorgungssicherheit, steigende Energiepreise, Parolen wie weg von Öl und Gas, aber auch ständig neue Gesetze und Verordnungen verunsichern die Verbraucher und führen zur Zurückhaltung bei Modernisierungsinvestitionen. Anlagenbetreiber, die trotz aller Verunsicherung eine Modernisierung erwägen z. B. weil das endgültige Aus für den alten Heizkessel bereits absehbar ist liebäugeln angesichts der aktuellen Energie- und Klimadebatten häufig mit der Anschaffung einer Wärmepumpe oder eines Pelletkessels (?). Sehr oft müssen sie dann aber feststellen, dass Systeme zur Nutzung der Regenerativen Energien in der Regel Investitionen in erheblicher Höhe verlangen. So sind für die Installation einer Sole/Wasser-Wärmepumpe oder eines Pelletkessels rund dreimal höhere Kosten zu veranschlagen als für ein Brennwertsystem. Außerdem können Wärmepumpen oder Pelletkessel auch aus praktischen Erwägungen nicht in jedem Modernisierungsfall eingesetzt werden: Wo ein Grundstück von ausreichender Größe für Erdsonden bzw. Erdkollektoren nicht zur Verfügung steht, fehlt bereits die Grundvoraussetzung für den Betrieb einer erdgekoppelten Wärmepumpe. Und Pelletkessel benötigen einen geeigneten Lagerraum für die Pellets, der groß genug ist, um die Jahresbrennstoffmenge einlagern zu können. Im Gegensatz zu diesen regenerativen Energiesystemen können moderne Öl- bzw. Gas-Brennwertkessel überall dort zur Heizungsmodernisierung eingesetzt werden, wo bisher ein herkömmlicher Heizkessel für die Wärmeerzeugung zuständig ist. Dabei bietet die Brennwerttechnik eine Reihe von Vorteilen: Der Austausch eines 20 oder 25 Jahre alten Heizkessels gegen einen modernen, energieeffizienten Öloder Gas-Brennwertkessel führt zu einer dauerhaften Brennstoffersparnis bis zu 30 %. Wird zusätzlich eine Solaranlage installiert, sind Einsparungen bis zu insgesamt 40 % möglich. Aufgrund der moderaten Anschaffungskosten amortisiert sich die Modernisierung mit Brennwerttechnik in der Regel bereits nach etwa fünf bis sieben Jah- 78 IKZ-Haustechnik Heft 7 /2008

2 ren. Demgegenüber sind wegen der sehr viel höheren Anschaffungskosten die Amortisationszeiten für Wärmepumpen und Pelletkessel mindestens doppelt so lang. Wird im Rahmen einer Heizungsmodernisierung von der herkömmlichen Heiztechnik auf Brennwerttechnik umgerüstet, so sind in der Regel keine Änderungen an den sonstigen Systemen (Heizöltank, Pumpen, Rohrleitungen, Raumheizflächen usw.) erforderlich, sofern der ursprüngliche Energieträger Heizöl bzw. Erdgas beibehalten wird. Aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen können die Abgase aus Brennwertkesseln durch einfache und kostengünstige Abgasleitungen, z. B. aus Kunststoff, abgeführt Diese Abgasleitungen können normalerweise in vorhandene Schornsteine eingezogen So kann auf die im Rahmen einer Modernisierung oftmals notwendige Sanierung des Schornsteins verzichtet Darüber hinaus ist die moderne Brennwerttechnik auf die Zumischung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, vorbereitet. Bioöl und Biogas können in Zukunft die herkömmlichen Brennstoffe schrittweise ergänzen und tragen so zu einer größeren Unabhängigkeit von den fossilen Brennstoffen bei. Innovative Verbrennungsregelungen in der Gas-Brennwerttechnik und Kesselkonstruktionen, die auch die effiziente und umweltschonende Verbrennung von standardisierten Heizöl-Bioöl-Gemischen in Öl-Brennwertkesseln erlauben, werden heute bereits auf dem Markt angeboten (Bild 2). Damit ermöglicht die moderne Brennwerttechnik für Öl und Gas auch in Zukunft ein sicheres und wirtschaftliches Heizen. Brennwertnutzen in älteren Heizungssystemen Während bei Niedertemperatur-Heizkesseln ein Kondensieren der Heizgase und damit ein Feuchtwerden der Heizflächen vermieden werden muss, sieht dies bei der Brennwerttechnik anders aus: Hier ist ein Kondensieren der Heizgase ausdrücklich erwünscht, um die im Wasserdampf enthaltene latente (versteckte) Wärme zusätzlich zur Wärme aus dem Verbrennungsprozess nutzbar zu machen. Dazu wird das Heizgas in eigens dafür konstruierten, aus besonders korrosionsbeständigen Werkstoffen wie z. B. Edelstahl hergestellten Heizflächen abgekühlt. Sinkt die Temperatur auf den Wandungen der Heizflächen auf der Heizgasseite unter Wasserdampf-Taupunkttemperatur ab (ca. 57 C bei Erdgas, ca. 47 C bei Heizöl), entsteht aus dem Wasserdampf Kondenswasser (Bild 3). Erreicht werden diese Temperaturen durch ein entsprechend niedriges Temperaturniveau im Heizungsrücklauf. Bei Neubauten sind niedrige Rücklauftemperaturen kein Problem. Großzügig ausgelegte Heizkörper und Fußbodenheizungen erlauben niedrige Systemtemperaturen. Eine korrekte Auslegung und Ausführung des Heizungssystems vorausgesetzt, liegen dann auch an besonders kalten Tagen die Rücklauftemperaturen unter der jeweiligen Taupunkttemperatur, sodass die Heizgase kondensieren können. Doch auch in älteren Heizungsanlagen mit höheren Systemtemperaturen ist ein sinnvoller, d. h. effizienter Heft 7 /2008 IKZ-Haustechnik

3 es kälter als -10 C ist, bewegen sich die Temperaturen im Vor- und Rücklauf die weitaus meiste Zeit weit unterhalb der Auslegungstemperatur. Damit wird eine Anlage auch bei der hohen Auslegungstemperatur von 75/60 C zu mehr als 90 % (Brennstoff Erdgas) bzw. zu deutlich über 60 % (Brennstoff Heizöl) der Zeit im Brennwertbereich betrieben. Überdimensionierung erlaubt Temperaturabsenkung Unter der Voraussetzung, dass die vorhandenen Heizkörper überdimensioniert sind, kann auch bei Heizungsanlagen mit hohen Systemtemperaturen der Brennwertnutzen gesteigert 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 Um welchen Betrag z. B. eine auf 90/70 C ausgelegte Anlage abgesenkt werden kann, wird mithilfe von Bild 5 ermittelt. Während der Heizperiode sollten alle Heizkörper abends geöffnet und am nächsten Nachmittag Vorund Rücklauftemperaturen abgelesen 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, z. B. (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 Bild 2: Moderne Öl-Brennwertkessel, im Bild der Vitoladens 300-C von Viessmann, können neben herkömmlichem Heizöl auch mit standardisierten Gemischen aus Bioöl und Heizöl betrieben Brennwertbetrieb über einen großen Zeitraum während der Heizperiode möglich. Brennwertkessel werden mit gleitend abgesenkter Kesselwassertemperatur betrieben, die jeweils dem aktuellen Bedarf, bzw. der aktuellen Außentemperatur angepasst wird. Dementsprechend stellen sich die Vor- und Rücklauftemperaturen ein und nur bei den niedrigsten Außentemperaturen wird die Auslegungstemperatur des Heizsystems wirklich erreicht. So wird selbst bei einem Heizsystem der Auslegung 75/60 C bei Außentemperaturen bis herunter zu -11,5 C bei Erdgas und bis zu 0 C bei Heizöl die Taupunkttemperatur im Rücklauf so weit unterschritten, dass der Wasserdampf im Heizgas kondensieren kann (Bild 4). Da über das Jahr betrachtet über 60 % der Heizarbeit bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes und durchschnittlich nur etwa 6 % auf Tage entfallen, an denen Bild 3: Niedrige Rücklauftemperaturen sorgen dafür, dass der Wasserdampf auf der Heizgasseite kondensieren kann. Bild 4: Vorlauf-/Rücklauftemperatur und Brennwertnutzen in Abhängigkeit von der Außentemperatur. 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 sogenannte Überdimensionierungsfaktor (im Beispiel 1,4) abgelesen Die Heizflächen sind somit 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). 80 IKZ-Haustechnik Heft 7 /2008

4 Bild 5: Ermittlung der Heizflächen-Überdimensionierung (System 90/70 C). Bild 6: Vier-Wege-Mischer heben die Rücklauftemperatur an und sind deshalb in Anlagen mit Brennwertkesseln ungünstig. 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. Hinweis: Bei einer anderen Auslegungstemperatur als 90/70 C (z. B. 80/60 C) liegen die drei Temperaturkurven Heizwasser-Rücklauftemperatur, Heizwasser-Vorlauftemperatur und Mittlere Heizwassertemperatur entsprechend dem Temperaturpaar. Hydraulische Einbindung von Brennwertkesseln Wie groß der Brennwertnutzen ist, hängt aber nicht nur von der Auslegungstemperatur des Heizsystems bzw. den Außentemperaturen ab, auch die Anlagenhydraulik spielt eine wichtige Rolle. Bild 7: Funktionsprinzip der hydraulischen Weiche. Grundsätzlich ist die Einbindung eines Brennwertkessels in eine vorhandene Heizungsanlage einfach und unproblematisch. Brennwertkessel verlangen keine Mindestkesselwassertemperatur, keine Mindestabgastemperatur und keine Maßnahmen zur Kondensatvermeidung im Kessel und im Abgassystem. Jedoch sollten alle hydraulischen Einrichtungen, die zu einer Anhebung der Rücklauftemperaturen führen z. B. durch Zumischen von heißem Wasser aus dem Vorlauf vermieden Dazu zählen insbesondere Vier-Wege-Mischer. Sind Mischeinrichtungen erforderlich, so sollten Drei- Wege-Mischer eingesetzt werden (Bild 6). In einigen Fällen kann auf eine hydraulische Weiche nicht verzichtet 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 Heizkreisvolumenstrom gegenüber dem Kesselkreisvolumenstrom über die hydraulische Weiche ausgeglichen Dabei tritt keine Anhebung der Rücklauftemperatur ein. Grundsätzlich erfolgt die Auslegung der hydraulischen Weiche (Bild 7) nach dem maximal möglichen Volumenstrom. Zum Ausgleich sind die Förderströ- V sekundär me 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 ) muss erfahrungsgemäß mindestens 10 bis 30 % (V primär niedriger sein als der anlagenseitige Volumenstrom (V sekundär ). Der Brennwertnutzen wird auch durch die Auslegung der Förderströme bzw. der Spreizung zwischen Vor- und Rücklauftemperatur beeinflusst. Bild 8 verdeutlicht den Einfluss: Wird bei einer vorhandenen Anlage der Förderstrom halbiert, so nimmt die Spreizung zu, allerdings sinkt Heft 7 /2008 IKZ-Haustechnik 81

5 H e i z u n g s t e c h n i k zunächst die mittlere Heizkörpertemperatur. 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 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. Bild 8: Halbierter Förderstrom und entsprechend angehobene Vorlauftemperatur verdoppeln die Spreizung und senken die Rücklauftemperatur. Zusammenfassung Anlagenbetreiber, die von den widersprüchlichen Meldungen über unsere Energieversorgung und den drohenden Klimawandel verunsichert sind und eine dringend notwendige Modernisierung ihrer alten Heizung hinauszögern, belasten unnötig ihren Geldbeutel. Auch wer auf Wärmepumpen oder Pelletkessel als Lösung für die Heizungsmodernisierung hofft, muss oftmals enttäuscht werden, denn im Gebäudebestand fehlen häufig die Voraussetzungen für den sinnvollen Einsatz solcher Systeme. Die Brennwerttechnik für Öl oder Gas kann hingegen überall dort zur Modernisierung eingesetzt werden, wo bisher ein herkömmlicher Heizkessel Wärme erzeugt. Die Besonderheiten des Gebäudebestandes vor allem die oftmals hohen Systemtemperaturen stellen dabei kein grundsätzliches Hindernis dar: Trotz hoher Systemtemperaturen kann die überwiegende Zeit des Jahres ein Brennwertnutzen erzielt Werden darüber hinaus alle Einbauten vermieden, die zu einer Anhebung der Rücklauftemperatur führen, so ist auch in älteren Heizungsanlagen eine energieeffiziente und wirtschaftliche Wärmeversorgung mit Brennwerttechnik möglich. B i l d e r : Viessmann Werke GmbH, Internetinformationen: 82 IKZ-Haustechnik Heft 7 /2008