Effizienzbewertung von Heizkesselanlagen

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1 Effizienzbewertung von Heizkesselanlagen - Lösungen für den Baubestand - Messe Chemnitz Referent: Stefan Thieme-Czach

2 Jahresnutzungsgrade von Heizkesselanlagen in der Praxis 120,00% bis zu 110 % 100,00% bis zu 93 % Potential bis 40 % Jahresnu utzungsgrad 80,00% 60,00% 40,00% 70,00% Potential bis 23 % 20,00% 0,00% Jahresnutzunggrad von 140 T Bestandskesselanlagen 2003/2004; Quelle Techem AG Energiekennwerte erreichbare Nutzungsgrade von Niedertemperaturkesseln erreichbare Nutzungsgrade von Brennwertkesseln

3 Effizienz von Heizungsanlagen Nutzungsgrad Theorie: % Nutzungsgrad Praxis: i.d.r.<< 70 % T Heizkreis V? T R Verluste: Stillstandsverluste Abgasverluste Oberflächenverluste... Heizkessel Wärmeverluste? M? Verluste durch: Betriebsregime Betriebszeiten falsch Pumpen zu groß kein HA... Kosten? Wärmemengenzähler Endenergie/ Nutzenergie

4 Abhängigkeit Abgastemperatur/ Brennwertnutzung Brennwertnutzung = Nutzung Kondensationswärme Beginn der Brennwertnutzung: Kondensation Ölkessel < 48 C Kondensation Gaskessel < 56 C T RL << 48 C bzw. 56 C wesentlich ist die Rücklauftemperatur!!! wirtschaftlicher Nutzen = H O -H U ~ 10% Bsp. Erdgas (H): H O = 11,66 kwh/m³ H U = 10,50 kwh/m³

5 Überhöhte Systemtemperaturen Effizienz Wärmeerzeugung, z. B. Verringerung Brennwerteffekt (max. Nutzung bei 35 C) Verschlechterung JAZ Wärmepumpen (+1 K Temperaturhub= +3 % Strom) Verringerung Potentiale Solarthermie Allgemein höhere Abgas-, Abstrahl und Bereitschaftswärmeverluste ( Τ +10 K +20% ) Quelle: Klima-Innovativ e.v.

6 Effizienz von Heizungsanlagen allgemein P = P + ZU AB Effizienz Verluste η= P AB P ZU

7 Energieverbrauch- Bilanz Wärmeversorgung Q zu ηf ηk ηges Q AB Feuerungstechnischer Wirkungsgrad Nutzungsgrad Wärmeerzeugung η ges = Q Q AB ZU Nutzungsgrad Heizungsanlage

8 Verluste = unnütze Kosten!! Q V Q zu QAB Zugeführte Energie Kosten Anlagenverluste Q QV ZU = QAB Nutzenergie bzw. Bedarf

9 Wie ermittelt man die Energieeffizienz einer Anlage? Beispiel Gaskessel: Bilanzgrenze Wärmeerzeugungsanlage 30 kw zu Gas- Kessel η=? T V T R ab Qzu zugeführte Energiemenge Qab abgeführte Energiemenge η Wirkungsgrad VL Vorlauf RL Rücklauf

10 Wie ermittelt man die Energieeffizienz einer Anlage? Beispiel Gaskessel: Gaszähler zu 30 kw Gas- Kessel η=? T V T R ab Bestimmung Qzu: Gaszähler: Verbrauch: [m³] Rechnung: Brennwert: 11,282 [kwh/ m³] Q zu = kwh

11 Wie ermittelt man die Energieeffizienz einer Anlage? Beispiel Gaskessel: 30 kw Wärmemengenzähler Gaszähler zu Gas- Kessel η=? T V T R ab Bestimmung Q ab : Messung: Wärmemengenzähler Q ab = kwh

12 Wie ermittelt man die Energieeffizienz einer Anlage? Beispiel Gaskessel: 30 kw Wärmemengenzähler Gaszähler zu Gas- Kessel η=? T V T R ab Q Q AB kwh η = = = 0,60 = 60 % Verlust: ca. 40% kwh ZU Ist-Zustand bekannt => nun ist der Vergleich mit einer alternativen Variante möglich! ca. 240 /a (bei Gas)

13 Vergleich verschiedener Wärmeerzeuger

14 Heizkesselanlagen - Gründe für ineffizienten Betrieb 1. Heizkessel zu groß dimensioniert kürzere Laufzeiten des Brenners höhere Abgasverluste größere Betriebs- und Stillstandswärmeverluste 2. Vorlauftemperaturen zu hoch höhere Rohrleitungswärmeverluste höhere Rücklauftemperaturen kürzere Brennerlaufzeiten (s.o.)

15 Heizkesselanlagen - Gründe für ineffizienten Betrieb 3. Regelung nicht oder falsch eingestellt Versorgung nicht bedarfsgerecht (z.b. keine Heizzeiten, keine Absenkzeiten, keine Absenktemperaturen, etc.) 4. hydraulischer Abgleich mangelhaft über- und unterversorgte Bereiche höhere Rohrleitungswärmeverluste höhere Rücklauftemperaturen kürzere Brennerlaufzeiten (s.o.) 5. Wärmedämmung mangelhaft

16 Auslegung von Heizungsanlagen Berechnung eines thermischen Gleichgewichtszustandes 1. Ermittlung der Normheizlast nach DIN EN (Als Norm-Wärmebedarf eines Raumes wird die Wärmeleistung bezeichnet, die dem Raum unter Norm-Witterungsbedingungen zugeführt werden muss, damit sich die geforderten Norminnenbedingungen einstellen.) 10ºC -24ºC (je nach Nutzung) -14ºC (Dresden) φ HL, Raum = Q& Heizkörper Heizkörper statisches Berechnungsverfahren da nur der stationäre Zustand berechnet wird es erfolgt eine Auslegung auf den Extremfall die Möglichkeiten der Definition von Aufheizzeiten werden aus Kostengründen (größere Heizflächen) kaum genutzt.

17 Flussbild Heizung Heizkessel Heizungsnetz Heizkörper Raumheizlast

18 Hydraulischer Abgleich Mittel zur Energieeffizienzverbesserung - warum? Die Heizungspumpe transportiert die Wärmeenergie vom Heizkessel zum Heizkörper Wo ist das Problem??? 70 C HK 2073 W 55 C Heizkessel M Beispielrechnung: Massestrom 170 l/h bei 2973 Watt Heizkörperleistung.

19 Weil die Realität eben oft nicht so einfach ist 70 C TV HK C 70 C TV HK 02 TV HK 03???? W??? C??? W??? W??? C??? C Heizkessel 70 C M??? C??? l/h m 1 +m 2 +m 3 m 2 +m 3 m 3 Beispiel : HK 1 kürzester Weg größter Massestrom HK 2 weiterer Weg als bei HK 1 geringerer Massestrom als bei HK 1 geringere Leistung HK 3 weitester Weg höchster Druckverlust geringster Massestrom geringste Leistung

20 Beispiel - Anlage nicht abgeglichen Heizkessel 70 C TV überheizt 70 C 55,8 C M 176 l/h HK W 70 C 70 C TV HK 02 TV HK 03 59,3 C 991 W 869 W 55,0 C m 1 +m 2 +m 3 m 2 +m 3 m 3 Beispiel Anlage nicht abgeglichen: Raum 1 überheizt Raum 3 unterheizt Massestrom zu hoch Rücklauftemperatur zu hoch Geringere Effizienz der Kesselanlage Höhere Leistungsaufnahme der Pumpe unterheizt 48,09 C

21 Eine bestimmungsgemäßer Betrieb einer Heizungsanlage unter Auslegungsbedingungen ist nur möglich, wenn die Masseströme im gesamten hydraulischen Netz bedarfsgerecht abgeglichen sind. Hydraulischer Abgleich! Die hierfür infrage kommenden Bauteile bauen i.d.r. Drucküberschüsse ab!

22 Beispiel Anlage abgeglichen überheizt 70 C TV HK C 70 C TV HK 02 TV HK 03 unterheizt 991 W 55 C 991 W 991 W 55 C 55 C Heizkessel 70 C M 55 C C 170 l/h m 1 +m 2 +m 3 m 2 +m 3 m 3 Bauteile zu hydraulischen Abgleich: Voreinstellbare Ventileinsätze stellen jedem HK den bestimmungsgemäßen Massenstrom zur Verfügung Drehzahlgeregelte differenzdruckgesteuerte Pumpen reagieren auf den veränderlichen Bedarf bei größeren Netzen sind weitere Bauteile zur Regulierung auf die Berechnungsmasseströme erforderlich

23 hygienische Rahmenbedingungen bei der Warmwasserbereitung Warmwasserbereitung WW ZW; bis zu 50 % Verlust! 100 % Wärmeeinsatz messtechnisch ermitteln Heizkessel Kaltwasserzähler KW Bedarf messen!!!! Randbedingungen Warmwasserbereitungsanlagen DVGW Arbeitsblatt W 551 techn. Maßnahmen zur Verhinderung des Legionellenwachstums Kleinanlagen < 400 Liter Speichervolumen < 3 Liter Leitungsinhalt WW Großanlagen > 400 Liter Speichervolumen > 3 Liter Leitungsinhalt WW

24 DVGW Arbeitsblatt W 551 Vorgaben; Zwangspunkte Kleinanlagen Empfehlung 60 C Warmwassertemperatur am Warmwasseraustritt des Trinkwassererwärmers Betriebstemperaturen < 50 C sollen vermieden werden im Zirkulationsnetz dürfen die Temperaturen max. 5K niedriger sein, als am Speicheraustritt Großanlagen Forderung mind. 60 C Warmwassertemperatur am Warmwasseraustritt des Trinkwassererwärmers im gesamten Zirkulationsnetz dürfen die Temperaturen 55 C nicht unterschreiten Bei hygienisch einwandfreien Verhältnissen dürfen die Zirkulationssysteme max. 8h in 24 h abgeschaltet werden.

25 häufige Gründe für geringe Effizienz der Warmwasserbereitung 1. Behältervolumen deutlich größer als Bedarf häufig keine Kenntnis über den eigentlichen Warmwasserbedarf 2. i.d.r. keinerlei Informationen über den Wärmeeinsatz für die Warmwasserbereitung 3. mangelhaft ausgeführte Behälter- und Leitungsdämmung 4. bei geringem Warmwasserbedarf außerhalb der Heizperiode sinken die Nutzungsgrade von Heizkesseln dramatisch

26 Effizienzkriterien bei der Warmwasserbereitung Beispiel - Einfluss hoher Schaltzyklenzahlen auf den Nutzungsgrad 450,00kWh 400,00kWh 350,00kWh 300,00kWh 250,00kWh 200,00kWh 150,00kWh 100,00kWh 50,00kWh 0,00kWh 9 % Energieinput WW 91 % Verlust!! Heizungsanlage: Gaskessel 200 kw Niedertemperatur; Alter >15 Jahre; zentrale Warmwasserbereitung; nur Waschtische Für diesen Fall bringt selbst die Umstellung auf direktelektrischen Betrieb noch ca. 400 Erlös pro Jahr! Endnergie-verbrauch gemessen in kwh kumuliert Nutzenergieverbrauch in kwh kumuliert Messung SAENA 2011: Verwaltungsgebäude - Nutzungsgrad Warmwasserbereitung Sommer

27 Studie zur EnEV 2016 SAENA Neubau nach EnEV 2016 Auswirkungen auf den baulichen Wärmeschutz und die Heiztechnologie RechenbeispielEFH: Allgemeine Daten: EFH mit EG+OG, Keller unbeheizt, freistehend, Südausrichtung WoFl = 163 m², A N = 184,5 m², Ve = 576,6 m³ Berechnung nach: DIN / Tabellenverfahren Software: ENVISYS EVEBI Planung und Visualisierung des Gebäudes mit E-Cad Programm

28 Studie zur EnEV2016 SAENA Studie betrachtet drei Ausgangszustände für die bauliche Hülle H T 100 % H T 70 % (KfW-Effizienzhaus 55) H T 55 % (KfW-Effizienzhaus 40), und 5 Anlagen-Grundvariantenvarianten Öl-Brennwert Gas-Brennwert Holzpellet Luft-Wasser WP Sole-Wasser WP, Insgesamt 255 Varianten mit möglichen Zusatzmaßnahmen bzw. Kombinationen Solaranlage klein 6,0 m² (WW, Erfüllung EEWärmeG) Solaranlage groß 30,0 m² (WW und 50 % Heizung) PV-Anlage klein 5,0 kwp PV-Anlage groß 10,0 kwp Lüftungsanlage mit 90% WRG Kaminofen wasserführend.

29 Ergebnisse: Studie zur EnEV 2016 SAENA 100,00 90,00 Heizungsgrundvarianten - Gebäudehülle H T 100 % 87,95 Jahres-Primärenergiebedarf QP Ist [kwh/(m²a)] 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 76,12 72,84 45,25 QP max EnEV 2014 = 75,25 kwh/(m²a) QP max EnEV 2016 = 54,79kWh/(m²a) 39,72 29,35 25,00 16,89 0,00 Gas-BW_freie Lüftung Gas-BW_Solar 6m²_Abluft Gas-BW_Solar 6m²_freie Lüftung Luft-WP_freie Lüftung Sole-WP_freie Lüftung Pellet_freie Lüftung Telefon Luft-WP_PV 5 kwp_freie uwe.kluge@saena.de Lüftung Internet Luft-WP_PV 10 kwp_freie Lüftung

30 Ergebnisse: Studie zur EnEV 2016 SAENA 90,00 Variante: Gas-Brennwert - Gebäudehülle H T 100 % 82,06 82,06 Jahres-Primärenergiebeda arf QP Ist [kwh/(m²a)] 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 76,12 72,84 58,32 QP max EnEV 2014 (75,25) 55,30 QP max EnEV 2016 (54,79) 32,95 62,87 0,00 Solar 6m²_Abluft Solar 6m²_freie Lüftung Solar 6m²_WRG Lüftung Solar 6m²_WRG Lüftung_Ofen 10% Sächsische Energieagentur Solar - SAENA 30 m²_wrg GmbH, Pirnaische Lüftung Straße 9, Dresden Referent: Uwe PV-Anlage Kluge 5,0 kwp_freie Lüftung Telefon PV-Anlage uwe.kluge@saena.de 10,0 kwp_freie Lüftung Internet PV-Anlage 10,0 kw_wrg_lüftung_ofen

31 Gesamtfazit der Berechnungen: Neubauten können ab dem noch mit Öl- oder Gas- Brennwerttechnik ausgestattet werden, wenn Erneuerbare Energien noch mehr zur Wärmeerzeugung beitragen oder der Wärmeschutz der baulichen Hülle verbessert wird sämtliche Lösungen mit Wärmepumpen als Heizsystem ob monovalent oder als Hybridsystem führen zur Erreichung der EneV Vorgaben schnelles Erreichen der EnEV- bzw. KfW Anforderungen z.b. mit einer Wärmepumpentechnologie in Verbindung mit einer PV-Anlage

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die Sächsische Energieagentur - SAENA GmbH: Energieeffizienz - Unternehmen Energieeffizienz - Gebäude Energieeffizienz - Verkehr Energieeffizienz - Kommunen/Landkreise Zukunftsfähige Energieversorgung Projekte im schulischen Bereich Beratung Weiterbildung Öffentlichkeitsarbeit Sprechen Sie uns an! Beratertelefon: