Solar-Heizkessel sind auch ohne Solaranlage die besten Heizkessel

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1 Solar-Heizkessel sind auch ohne Solaranlage die besten Heizkessel Vergleich der Jahresnutzungsgrade von solaroptimierten und herkömmlichen Heizungskesseln Dipl. Ing. Dagmar Jähnig, Dipl. Ing. Thomas Krause SOLVIS GmbH & Co. KG Grotrian-Steinweg-Str. 12, D Braunschweig Tel.: Internet: Einleitung Bei der Beurteilung von Heizkesseln wird fast ausschließlich der Normnutzungsgrad für Heizkessel betrachtet. Mit steigender Gebäudedämmung wird auch der Warmwasseranteil am Gesamtwärmebedarf größer. Damit ist auch der Nutzungsgrad für die Wassererwärmung von wachsendem Einfluß (beim Passivhaus bis zu Anteil am Gesamtwärmebedarf des Hauses). Im Folgenden wird die Abhängigkeit des Jahresnutzungsgrades der Heizungsanlage vom Anteil des Warmwasserenergiebedarfs am Gesamtwärmeenergiebedarf des Hauses detailliert dargestellt. Energieverbrauch [kwh/(m² a)] Warmwasser Raumheizung Warmwasseranteil 30% 20% 10% Warmwasseranteil [%] 0 Bestand WSVO1984 WSVO1995 EnEV 2002 PEH 0% Dämmstandard Abbildung 1: Anteile Energiebedarf für Heizung und Warmwasser für verschiedene Dämmstandards von Gebäuden Abbildung 1 zeigt die Entwicklungstendenz hin zu immer besser gedämmten Häusern, mit Warmwasseranteilen z.b. bei Passivhäusern von fast. Hierbei wird davon ausgegangen, daß der Warmwasserbedarf konstant bei 200 l/d und 35 K Temperaturerhöhung liegt.

2 Jahresnutzungsgrad und Normnutzungsgrad Der Jahresnutzungsgrad gibt den tatsächlichen Wirkungsgrad des Heizkessels als Jahresmittelwert an. Er kann experimentell an einer realen Anlage gemessen (die tatsächlichen Betriebszustände werden über ein Jahr erfaßt) oder durch Simulation (einer in Einzelbetriebspunkten vermessenen Anlage) bestimmt werden. Meistens wird der Jahresnutzungsgrad nach VDI 2067 ausgehend vom Kesselwirkungsgrad über eine Formel bestimmt, mit Hilfe einer Abschätzung der Betriebsbereitschaftsstunden, der Vollbenutzungsstunden und der Betriebsbereitschaftsverluste. Ein anderes Vorgehen zur Bestimmung des tatsächlichen Anlagenwirkungsgrades ist der Normnutzungsrad, wobei hier die Betriebsbedingungen festgelegt sind, und daher geprüft werden muß, inwieweit die in der Norm vorgegebenen Betriebsbedingungen mit den tatsächlich vorliegenden wirklich ü- bereinstimmen. Der Normnutzungsgrad nach DIN 4702 Teil 8 ist für drei Fälle definiert: Normnutzungsgrad für den reinen Heizbetrieb. Hier wird auch das Teillastverhalten berücksichtigt. Normnutzungsgrad für die Wassererwärmung ohne Heizbetrieb wird nur selten angegeben, obwohl dieser Betriebszustand typischerweise in den Sommermonaten auftritt. Bereitschaftsverluste, die während des Brennerstillstands durch Auskühlen des Kessels und des Speichers entstehen, sind besonders beim Warmwasserbetrieb hoch. kombinierter Normnutzungsgrad, der über eine Gleichung aus den Normnutzungsgraden berechnet wird. Diese Gleichung in DIN 4702 Teil 8 berücksichtigt jedoch auch nur einen Warmwasseranteil von etwa 5%, was wie in Abbildung 1 deutlich zu erkennen ist heutzutage allerhöchstens noch für Häuser im Bestand ohne Dämmung zutrifft. Letzterer kombinierter Normnutzungsgrad sollte idealerweise in etwa dem Jahresnutzungsgrad entsprechen. Nutzungsgrade aus der Literatur Feldversuch mit 7 Gas-Brennwertkesseln Eine der wenigen Veröffentlichungen zu diesem Thema [3] aus dem Jahre 1988 beschreibt 7 verschiedene Gas-Brennwertkessel, die in einem Feldversuch vermessen wurden. Der Jahresnutzungsgrad für den Heizbetrieb lag bei diesen Anlagen im Mittel bei 101,5%, der Jahresnutzungsgrad für Warmwassernutzung dagegen nur bei 58,7%. 110% Jahresnutzungsgrade 100% 90% 80% Bestand WSVO 1984 WSVO 1995 EnEV 2002 PEH 0% 20% 80% 100% Anteil Warmwasserbereitung am Gesamtenergiebedarf Jannemann Gas-Brennwert Abbildung 2: Einfluss des Warmwasseranteils auf den Jahresnutzungsgrad (Feldtest Jannemann [3])

3 Abbildung 2 zeigt die Jahresnutzungsgrade aufgetragen über dem prozentualen Anteil des Warmwasserbedarfs am Gesamtenergiebedarf. Das heißt, Punkte für reinen Warmwasserbetrieb sind am rechten Rand des Diagramms, Punkte für reinen Heizbetrieb dagegen auf der linken Seite. Dazwischen lassen sich Werte für verschiedene Lastfälle ablesen. Die Jahresnutzungsgrade der 7 Anlagen aus [3] wurden gemittelt. Die verschiedenen Dämmstandards sind als farbige Felder eingezeichnet. Für den kombinierten Betrieb wird bei Jannemann ein Jahresnutzungsgrad im Mittel von 99,4% angegeben. Das läßt, unter Annahme einer linearen Funktion, auf einen Anteil von nur etwa 5% des Warmwasserbedarfs am Gesamtheizbedarf des Gebäudes schließen, liegt also noch unterhalb der für Abbildung 1 für den Bestand angenommenen Werte, entspricht aber dem Wert der Norm. Wenn der Anteil des Warmwasserbedarfs so gering ist, fällt der schlechte Wirkungsgrad des Kessels im reinen Warmwasserbetrieb kaum ins Gewicht. Stiftung Warentest 1998 wurden Gas- und Öl-Heizkessel von der Stiftung Warentest [1] in den drei Kategorien Gas- Thermen mit Brennwertnutzung (8 Geräte), Gas-Thermen ohne Brennwertnutzung (6 Geräte) und Öl- Units ohne Brennwertnutzung (12 Geräte) getestet. Abbildung 3: Einfluß des Warmwasseranteils auf den Jahresnutzungsgrad (Literaturwerte) Für Gas-Thermen wurden im Mittel Normnutzungsgrade von 93% für Niedertemperaturkessel und 104% für Brennwertgeräte für den reinen Heizbetrieb festgestellt. Im Warmwasserbetrieb liegen diese Geräte aber nur bei 64 bzw. 65%. Bei den Öl-Units ohne Brennwertnutzung wurde ein mittlerer Normnutzungsgrad von 95% im Heizbetrieb und von 51% im Warmwasserbetrieb festgestellt. Die Standardabweichung der einzelnen Geräte untereinander im Test betrug bei den Heizungsnutzungsgraden maximal 2,5%. Bei den Warmwassernutzungsgraden waren es maximal 9%.

4 Jahres- / Normnutzungsgrad 110% 100% 90% 80% WSVO 1984 WSVO 1995 Bestand EnEV 2002 PEH 0% 20% 80% 100% Anteil Warmwasserbereitung am Gesamtenergiebedarf Stiftung Warentest Gas-Thermen NT Stiftung Warentest Öl-Units NT Stiftung Warentest Gas-Thermen Brennwert Jannemann Gas-Brennwert Abbildung 4: Einfluß des Warmwasseranteils auf den Jahresnutzungsgrad (Literaturwerte) Die von Stiftung Warentest ermittelten Normnutzungsgrade sind in Abbildung 4 im Vergleich mit den Jahresnutzungsgraden aus dem Feldtest von Jannemann [3] eingetragen. Die Ermittlung von Normnutzungsgraden setzt gewisse Annahmen bezüglich der Teillastanteile im Heizbetrieb und des Zapfprofils im Warmwasserbetrieb voraus, die natürlich bei den Feldversuchen von Jannemann [3] nicht genauso gegeben waren. Trotzdem ergibt sich das gleiche Bild mit Normnutzungsgraden für Warmwasserbetrieb, die deutlich unter denen für Heizungsbetrieb liegen. Die Hauptfaktoren, die zu einem niedrigen Nutzungsgrad im Warmwasserbetrieb führen, sind Auskühlung des Kessels im Stillstand und hohe Rücklauftemperaturen und damit wenig oder gar keine Brennwertnutzung. Aus diesen Gründen kann eine Solaranlage dazu dienen, durch Volldeckung im Sommer diese schlechten Nutzungsgrade zu verhindern. In den Solarspeicher integrierte Heizkessel Solar-Brennwertkessel (Gas) Im Vergleich zu den betrachteten externen Heizkesseln wird nun ein in den Speicher integriertes Gas- Brennwertgerät betrachtet (SolvisMax Gas). Es wurden Jahressimulationen mit dem Simulationsprogramm TRNSYS [4] für ein Gebäude mit 60 kwh/(m² a) Heizenergiebedarf und einen Warmwasserbedarf von 200 l/d bei 35 K Temperaturerhöhung durchgeführt. Die Simulation wurde ebenso für reinen Heizbetrieb und für reinen Warmwasserbetrieb durchgeführt. Der gemessene Normnutzungsgrad nach DIN 4702 Teil 8 für den SolvisMax Gas ist 108,8 %. Die Simulation für ein ganzes Jahr (ohne Warmwasserbetrieb) ergibt für den Solar-Heizkessel einschließlich Pufferspeicher (der des Gesamtvolumens ausmacht!) einen Jahresnutzungsgrad von 106%. Für reinen Warmwasserbetrieb ergibt sich ein Wirkungsgrad im Brennerbetrieb ohne Bereitschaftsverluste von 103,4%. Der entsprechende Jahresnutzungsgrad inklusive der Bereitschaftsverluste liegt immer noch bei 93%, allerdings für einen 350 l - Speicher (bei Stiftung Warentest hatten die Speicher nur etwa 160 l).

5 Eine Vermessung am ITW-Stuttgart [2] bestätigt das Simulationsergebnis. Dort wurde bei voller Kesselleistung und einer bis auf 90 C ansteigenden Speichertemperatur ein Wirkungsgrad von 102,6% gemessen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5 eingetragen (im Vergleich zu den Werten aus der Literatur). Solar-Heizkessel (NT-Öl) Der in den Speicher integrierte Niedertemperaturkessel SolvisMax Öl wurde am Gaswärme Institut e.v. Essen für die Zulassung geprüft [7]. Der Normnutzungsgrad erreichte bei einer Brennerleistung von 22 kw für den Heizbetrieb einen Wert von 96,6%. Für den reinen Warmwasserbetrieb wurde der Wirkungsgrad unter Berücksichtigung aller Wärmeverluste berechnet und ist mit 82% ebenfalls deutlich besser als die Werte aus der Literatur. Zusammenfassung Der deutlich höhere Jahresnutzungsgrad des SolvisMax im Warmwasserbetrieb im Vergleich zu externen Heizkesseln erklärt sich durch vier Merkmale: Die Restwärme des Kesselkörpers nach dem Abschalten wird an das Speicherwasser abgegeben und geht somit nicht verloren. Der Speicher ist als Solarspeicher konzipiert und daher sehr gut isoliert, so daß die Wärmeverluste im Vergleich zu externen (häufig unisolierten) Heizkesseln sehr gering sind. Um einen optimalen Wirkungsgrad der Solaranlage zu gewährleisten, wird der untere Bereich des Speichers möglichst kalt gehalten. Dies wird durch die Auslegung des externen Plattenwärmetauschers zur Warmwasserbereitung erreicht, die zu Rücklauftemperaturen in den Speicher von 8 bis maximal 15 K über der Kaltwassertemperatur führt. Durch die Anordnung der Brennkammer im Speicher können so die Abgastemperaturen minimiert werden und es wird eine maximale Brennwertausnutzung erreicht. Die Feldversuche des DBU Projekts Optimierte Wärmezentrale [6], in der zwei SolvisMax Gas Anlagen vermessen wurden, bestätigen dies. Dort lagen bei beiden Anlagen die Abgastemperaturen auch im Warmwasserbetrieb nicht über 51 C, das bedeutet noch unterhalb des Taupunkts des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes von rund C. Brennwertnutzung war also zu jeder Zeit gegeben. Bei externen Kesseln steigt die Rücklauftemperatur zum Kessel im Warmwasserbetrieb (beim Beladen des Warmwasserspeichers) häufig so stark an, daß keine Brennwertnutzung mehr möglich ist. Jahres- / Normnutzungsgrad 110% 100% 90% 80% Bestand WSVO 1984 WSVO 1995 EnEV 2002 PEH 0% 20% 80% 100% Anteil Warmwasserbereitung am Gesamtenergiebedarf Vorteil beim SolvisMax Gas: (93% - 65% = 28%) Vorteil beim SolvisMax Öl: (83% - 51% = 32%) SolvisMax Gas Stiftung Warentest Gas-Thermen Brennwert SolvisMax Öl Stiftung Warentest Öl-Units NT Abbildung 5: Einfluß des Warmwasseranteils auf den Jahresnutzungsgrad

6 Beim Vergleich von Nutzungsgraden oder Wirkungsgraden von Kesseln sollte gerade bei Neubauten mit einem hohen Anteil des Warmwasserbedarfs am Gesamtenergiebedarf unbedingt der Warmwasser- Nutzungsgrad betrachtet werden, denn hier sind die größten Unterschiede zwischen den Geräten zu finden. Abbildung 6: Jahresnutzungsgrade auf einem Blick So ergeben sich zum Beispiel für den SolvisMax Gas folgende Unterschiede zu den marktüblichen Brennwertgeräten: 28-32% besserer Nutzungsgrad im reinen Sommerbetrieb 10% besserer Jahresnutzungsgrad bei einem Neubau nach EnEV mit 30% WW-Anteil am Gesamtenergiebedarf (siehe Abbildung 6) Literatur 1) N.N.: Heizzentrale an der Wand, Für mehr Behaglichkeit, Stiftung Warentest Spezial Energie, ) Müller-Steinhagen, H.: Prüfbericht Speicher zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung mit integriertem Brennwertgerät (Prüfbericht Nr.: 99STO76), Universität Stuttgart, Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Stuttgart ) Jannemann, Theo: Brennwertkessel im Feldversuch: Praxiserfahrungen über 4 Heizperioden, gas, Heft 2/88 Bd. 39 (1988), S ) Klein et al.: TRNSYS, A transient simulation program, University of Wisconsin Madison, Solar Energy Laboratory, Version ) Feist, Wolfgang: Passivhaus Projektierungs Paket 99, Fachinformation PHI-1999/1, Passiv Haus Institut, 3. überarbeitete Auflage, Januar ) Kühl, Lars et al.: Meßtechnische Begleitung und Auswertung des Feldversuchs der Optimierten Wärmezentrale (OWZ), Abschlußbericht Projekt DBU Az 12684, Braunschweig ) Gaswärme Institut e.v. Essen: Zulassungsprüfung SolvisMax Öl, August 2001.