Brennwertkessel
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Brennwertkessel ist ein Heizkessel für Warmwasserheizungen, der den Energieinhalt des eingesetzten Brennstoffs nahezu vollständig nutzt. Der Unterschied zu konventionellen Kesseln besteht darin, dass Brennwertkessel auch die Kondensationswärme des Abgases weitgehend nutzen. So erreichen Brennwertkessel heizwertbezogene Wirkungs-/ Nutzungsgrade von über 100 Prozent. Diese physikalische Unmöglichkeit ist eine Folge einer Mogelei vor vielen Jahren: Damals hatten Heizkessel Wirkungsgrade um 70%. Das klingt schlecht und um den Kunden hohe Qualität vorzutäuschen, wurde festgesetzt, dass ein Heizkessel niemals mehr als 90% Wirkungsgrad haben kann. Bezogen auf diese „Schallgrenze“ hat dann ein 70%-Kessel den besser verkaufbaren Wert von 70/90*100% = 78%. Im Lauf der Zeit lernten die Kesselbauer dazu und irgendwann wurde ein physikalisch korrekt gemessener Wirkungsgrad von 85% erreicht, der - mit der gleichen Formel berechnet - als 94%-Kessel verkauft wurde. Als vor einigen Jahren die Brennwertkessel erfunden wurden, die auch noch die Kondensationswärme der Feuchtigkeit im Abgas ausnutzen, stieg der physikalisch korrekte Wirkungsgrad auf 95%. Nun hatten die Hersteller aber nicht den Mut, zu sagen, dass sie bisher mit den Wirkungsgraden gemogelt haben und verwendeten diese Formel weiter. Und diese lieferte 95/90*100% = 106%. Und damit wurde der Schwindel offenkundig.
Physikalisch sinnvoller ist jedoch der Bezug auf den Brennwert: Ein idealer Brennwertkessel ohne Verluste erreicht einen brennwertbezogenen Wirkungs-/ Nutzungsgrad von genau 100 Prozent.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Funktionsweise
Bei der Verbrennung der (kohlen-)wasserstoffhaltigen Brennstoffe entsteht wasserdampfhaltiges Abgas. In Brennwertkesseln kühlt man das Abgas soweit ab, sodass die Wasserdampfanteile des Abgases kondensieren. Durch die Nutzung der Kondensationswärme tritt eine deutliche Verbesserung des verbrennungstechnischen Wirkungsgrades ein. Ein zusätzlicher Gewinn in Bezug auf den Wirkungsgrad liegt in der Tatsache, dass die Abgastemperaturen und somit die Abgasverluste erheblich niedriger ausfallen als bei konventioneller Feuerung, bei der, um Kondensatbildung im Abzug zu verhindern, die Abgastemperatur rund 120 °C nicht unterschreiten sollte, während Brennwertfeuerungen mit 60 °C betrieben werden können.
Je höher der Wasserstoffanteil eines Brennstoffes ist, desto höher ist die Menge an Wasserdampf, die nach der Verbrennung des Brennstoffs im Abgas enthalten ist. Insbesondere bei Brennstoffen mit hohem Wasserstoffanteil ist es also wichtig, dass die im Abgas enthaltene Kondensationswärme genutzt wird. Brennwertkessel vermögen je nach energetischer Qualität und je nach Betriebsbedingungen einen mehr oder weniger großen Anteil der Kondensationswärme zu nutzen. In Nicht-Brennwertkesseln kann die Kondensationswärme nicht genutzt werden, dadurch entsteht ein sogenannter latenter Abgasverlust (bisher nicht im Schornsteinfegerprotokoll ausgewiesen) von ca. 6 Prozent bei Heizöl EL und ca. 11 Prozent bei Erdgas.
Die Brennwertnutzung wird häufig dadurch erreicht, dass die Eintrittstemperatur des Heizungswassers in den Heizkessel („Rücklauftemperatur“) so weit abgesenkt wird, dass der Taupunkt des Abgases an den Wärmeübertragerflächen unterschritten wird. Dies kann je nach Konstruktion im Kessel selbst oder auch in einem separaten Wärmeübertrager geschehen. Problematisch ist dabei, dass die Kondensationsflüssigkeit oft sehr aggressive Stoffe (Schwefelsäure bei Heizöl) enthält, die den Wärmeübertrager zerstören können. Ein weiteres Prinzip der Brennwertnutzung ist die Verbrennungsluftvorwärmung. In diesem Fall tritt die Kondensation in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (Voll-Brennwerttechnik) und/oder im Luft-Abgas-System auf und sorgt für eine Vorwärmung der Verbrennungsluft.
[Bearbeiten] Historie
Das in Brennwertkesseln anfallende Kondensat greift auf Grund seines niedrigen pH-Werts unedle Werkstoffe an. Frühere Kesselmaterialien waren nicht korrosionsfest genug, um dem zu widerstehen. Daher wurde durch die verwendete Kesselkonstruktion und durch hohe Betriebstemperaturen (> 70 °C) eine Kondensation im Kessel bewusst verhindert. Die heute in Brennwertkesseln verwendeten Werkstoffe sind ausreichend gegen Korrosion durch saures Kondensat geschützt und ermöglichen so eine nahezu vollständige Nutzung der im Brennstoff enthaltenen Energie.
[Bearbeiten] Abgasanlage
Brennwertgeräte benötigen eine feuchte- und säureunempfindliche Abgasanlage. Dies kann relativ einfach und kostengünstig durch den Einbau eines Kunststoff- oder Edelstahlrohres in den vorhandenen Schornstein realisiert werden. Ferner sind wegen der niedrigen Abgastemperaturen und dem damit verbundenen geringen Auftrieb des Abgases bei atmosphärischen Brennern Abgasventilatoren nötig, um einen sicheren Abzug des Abgases zu gewährleisten. Zu empfehlen ist der Einbau eines sog. LAS-Rohrens, da dadurch der Brennwertnutzen weiter erhöht wird, man spricht dann von Vollbrennwert-Technik.
Durchfeuchtete Schornsteine, teilweise mit gravierenden Schäden am Mauerwerk, sind die häufigste Folge einer unsachgemäß durchgeführten Umrüstung auf Brennwerttechnik.
[Bearbeiten] Notwendige Änderungen/Voraussetzungen an der Heizungsanlage
Prinzipiell können Brennwertgeräte in jeder Heizungsanlage eingesetzt werden. Niedrige Rücklauftemperaturen erhöhen jedoch die Effektivität eines Brennwertkessels. Eine Kombination mit entsprechend groß dimensionierten Heizflächen, z. B. Fußbodenheizungen, ist daher sinnvoll, jedoch nicht zwingend notwendig. In der Regel sind die vorhandenen Heizkörper nach Modernisierungsmaßnahmen am Gebäude (z. B. Fensteraustausch) groß genug dimensioniert, um ausreichend geringe Rücklauftemperaturen aufzuweisen. Die Wärmeleistung, die ein Heizkörper an den Raum abgeben muss, sinkt zudem drastisch bei ansteigenden Außentemperaturen. Je mehr Heizwärme vom Heizkörper abgegeben werden muss, desto höher ist die Rücklauftemperatur des Heizkörpers. Wichtig ist es aber auch, in der Heizungsanlage einen [hydraulischer Abgleich|hydraulischen Abgleich]] durchzuführen. Hierbei wird die Durchlaufmenge des Heizwasser auf die Menge begrenzt, die zur Erreichung der Heizleistung für diesen Heizkörper notwendig ist (Heizlastberechnung muss vorliegen). Nur so ist sichergestellt, dass ein nah an der Heizungsanlage montierter Heizkörper nicht die Rücklauftemperatur anhebt und damit den Brennwerteffekt vernichtet. Während des größten Teils der Heizperiode ist die Rücklauftemperatur niedrig genug, um eine Kondensation und damit eine Nutzung des Brennwerteffekts zu ermöglichen. Bei Brennwertgeräten mit Verbrennungsluftvorwärmung kann auch noch bei Rücklauftemperaturen oberhalb des Taupunktes des jeweiligen Brennstoffs (bei Gas etwa 57 °C, bei Öl etwa 47 °C) Kondensationswärme genutzt werden, da hier die warmen Abgase zum Vorwärmen der Brennerzuluft genutzt werden. Dieser Effekt tritt prinzipiell bei Nutzung eines so genannten Luft-Abgas-Systems (LAS) ein, bei dem die warmen Abgase durch das innere Rohr eines Rohr-in-Rohr-Systems abgeführt werden und dabei Wärme an die kältere, durch das äußere Rohr des LAS-Systems zum Brenner geführte Zuluft abgeben.
So genannte Überströmventile, die oft direkt nach der Umwälzpumpe zwischen Vor- und Rücklauf (bei Wandgeräten auch in das Gerät integriert) eingebaut sind, öffnen sich im Teillastbetrieb (d. h., wenn aufgrund schließender Thermostatventile der Kesselvolumenstrom kleiner ist als der Auslegungsvolumenstrom) zum Druckabbau, um die Pumpe zu entlasten oder um eine vom Kessel benötigte Mindest-Umlaufwassermenge sicherzustellen, und heben dabei die Rücklauftemperatur an. Letzteres gilt auch für 4-Wege-Mischer. Sowohl Überströmventile als auch 4-Wege-Mischer sollten bei Einsatz von Brennwertkesseln stillgelegt oder ausgebaut werden, damit die Rücklauftemperatur am Kessel so niedrig wie möglich ist. Insbesondere Wandgeräte weisen aber oft so geringe Kesselwasserinhalte auf, dass zum Schutz der Wärmeübertragerflächen vor einer thermischen Überbelastung eine gewisse Mindestumlaufwassermenge durch Überströmventile sichergestellt werden muss. Diese Probleme entfallen beim Anschluss des Kessels über eine hydraulische Weiche. Ein Ausbau der vorgenannten Bauteile (Überströmventile usw.)ist aber nur die halbe Miete. Ein Austausch einer Standardumwälzpumpe gegen eine selbstregelnde Umwälzpumpe verbessert die Konstanz des Volumenstroms und man hat zusätzlich eine Stromeinsparung (die Pumpe regelt Ihre elektr. Leistung ja nach Bedarf selbst) und es kommt zu keinerlei Pfeiffgeräuschen an den Ventilen durch einen zu hohen Volumenstrom.
[Bearbeiten] Einleitung von Kondensat aus Brennwertkesseln
Das anfallende Kondensat kann laut Empfehlung des im August 2003 novellierten DWA-Arbeitsblatts ATV-DVKW-A 251 bei Brennwertgeräten bis 200 kW Feuerungsleistung, die mit schwefelarmem Heizöl oder Erdgas betrieben werden, in der Regel ohne Neutralisation zusammen mit dem häuslichen Abwasser in die Kanalisation eingeleitet werden. Das Kondensat aus Brennwertkesseln gilt laut Definition des Arbeitsblattes ATV-DVWK-A 251 als Teil des häuslichen Abwassers. Lediglich das Kondensat von mit Standard-Heizöl betriebenen Brennwertkesseln muss laut der Empfehlung der ATV vor der Einleitung neutralisiert werden. Das Kondensat aus Nasskaminen muss nicht neutralisiert werden. Das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251 stellt eine Empfehlung dar, nach der sich viele Abwassernetzbetreiber richten. Im Zweifelsfall gilt die Regelung des lokalen Abwassernetzbetreibers bzw. der unteren Wasserbehörde.
[Bearbeiten] Wirkungsgrad und Nutzungsgrad des Brennwertkessels
Der Wirkungsgrad eines Gerätes sagt aus, welcher Teil der eingesetzten Leistung genutzt werden kann. Wirkungsgrade stellen stets eine Momentaufnahme dar (z. B. Messung im Beharrungszustand bei 70 °C Kesselwassertemperatur und Nennleistung) und beziehen sich auf das Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Leistung. Für die energetische Bewertung eines Kessels reicht dies jedoch nicht aus, da die so genannten Bereitschaftswärmeverluste nicht berücksichtigt werden, d. h., es wird lediglich der Teil der Verluste berücksichtigt, der bei laufendem Brenner anfällt, die Strahlungsverluste bei Brennerstillstand gehen beispielsweise nicht mit ein. Diese werden lediglich bei der Ermittlung des Kessel-Nutzungsgrads miteinbezogen.
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad, der im Schornsteinfegerprotokoll ausgewiesen wird, gibt beispielsweise an, welcher Anteil der in Form von Brennstoff dem Kessel zugeführten Leistung nach Abzug der trockenen (oder auch sensiblen) Abgasverluste übrig bleibt. Von diesem Anteil müsste nun korrekterweise noch der latente Abgasverlust abgezogen werden, der aufgrund der nicht oder nicht vollständig genutzten Kondensationswärme des Abgases entsteht.
Eine vollständige energetische Bewertung von Kesseln kann nur mit Hilfe des Kessel-Nutzungsgrades erfolgen. Der Kessel-Nutzungsgrad ist das Verhältnis aus der in einem bestimmten Zeitraum in Form von Brennstoff zugeführten Energiemenge, wahlweise bezogen auf den Heizwert oder Brennwert, und der vom Kessel an das nachgeschaltete Heizungsnetz bzw. an den Warmwasserspeicher abgegebenen Nutzenergie. Die Angabe des Kessel-Nutzungsgrads berücksichtigt im Gegensatz zur Kessel-Wirkungsgradangabe auch die im Betrieb anfallenden Bereitschaftwärmeverluste des Kessels, die beispielsweise durch die Abgabe von Strahlungswärme an den Aufstellraum während des Brennerstillstands erfolgen.
Bei Wirkungs- und Nutzungsgradangaben ist stets anzugeben, ob diese sich auf den Heizwert Hi (früher Hu) des eingesetzten Brennstoffs oder auf den Brennwert Hs (früher Ho) beziehen. Um die Wirkungs- und Nutzungsgrade von Kesseln, die mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, vergleichen zu können, eignen sich lediglich brennwertbezogene Angaben, da nur diese die gesamte im Brennstoff enthaltene Energie berücksichtigen. Die theoretisch erreichbaren Wirkungs- und Nutzungsgrade liegen bei Öl-Brennwertkesseln bei 100 % Hs und 106 % Hi, bei Gas-Brennwertkesseln bei 100 % Hs und 111 % Hi. Bei der heizwertbezogenen Betrachtung werden die latenten Wärmeverluste (Kondensationswärme) nicht mitbetrachtet.Der elektrische Stromverbrauch ist mit zu berücksichtigen.
[Bearbeiten] Tipps
[Bearbeiten] Bestimmung der Brennwertnutzung
Über die Kondensatmenge kann kontrolliert werden, wie gut der Brennwertkessel die Energie des eingesetzten Brennstoffs nutzt. Bei Öl-Brennwertkesseln fallen im Idealfall ca. 0,8 Liter Kondensat pro verbrannten Liter Heizöl an, bei gleich effizienten Gas-Brennwertkesseln (d. h. gleicher brennwertbezogener Kessel-Nutzungsgrad) ca. 1,5 Liter pro m³ Erdgas. Die unterschiedliche Kondensatmenge bei Öl und Gas ergibt sich aus der unterschiedlichen Brennstoffzusammensetzung. Im Erdgas ist mehr Wasserstoff enthalten, damit entsteht bei der Verbrennung mehr Wasserdampf. Wird im praktischen Betrieb aufgrund höherer Vorlauf-/Rücklauftemperaturen (z. B. bei der Warmwasserbereitung) keine vollständige Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes erreicht, weisen Gas-Brennwertkessel aufgrund der höheren latenten Wärmeverluste (max. 11 Prozent) eine geringere Effizienz (Brennwertbezug) auf als Öl-Brennwertkessel (max. 6 Prozent latenter Wärmeverlust).
[Bearbeiten] Betriebskostenersparnis bei Schornsteinfeger (Deutschland)
Das Prüfintervall bei Gasbefeuerten- Brennwertgeräten liegt in Deutschland bei 2 Jahren statt bei 1 Jahr. Außerdem darf der Schornsteinfeger keine Prüfung nach BImSchV abrechnen, sondern nur eine CO-Prüfung, was die Betriebskosten eines Brennwertgerätes weiter senkt.
