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Hydraulik für Brennwertheizgeräte und Zweikreisanlagen mit Radiatoren- und Flächenheizung Rücklaufnutzung steigert Brennwertgewinn

Ein großer Teil der Heizungsanlagen in Neubauten wie auch in modernisierten älteren Gebäuden besteht aus einem Brennwertheizgerät mit einer aus Radiatorenheizung und Flächenheizung kombinierten Wärmeverteilung. Diese Anlagenkonstellation bietet ein großes Potenzial zur Optimierung der Brennwertnutzung, denn Praxiserfahrungen zeigen, dass in vielen Fällen kaum eine Abgaskondensation stattfindet. Eine von HG Baunach entwickelte Systemeinbindung arbeitet nach dem Prinzip der Rücklaufnutzung und liefert damit dem Brennwertheizgerät stets tiefe Rücklauftemperaturen. Das Ergebnis ist eine kontinuierliche Abgaskondensation über das ganze Jahr.

Die Zahlen über die Marktanteile der Wärmeerzeuger in Deutschland zeigen, dass Brennwertheizgeräte mit dem größten Anteil vertreten sind: Sie stellen 71% aller mit fossilen Energieträgern (Gas und Öl) befeuerten Wärmerzeuger.

 

Nach aktuellen Marktdaten lassen die Stückzahlen produzierter Brennwertheizgeräte alle anderen Wärmeerzeugungsarten mit Abstand hinter sich. Rund 60% der im Jahr 2008 in Deutschland neu erstellten Gebäude sind mit Gasheizungen ausgestattet. Ähnlich hoch fiel bei den neu installierten Heizungen mit fast 60% die Wahl auf Brennwertgeräte, wobei Gas-Wandheizgeräte mit dem größten Anteil vertreten sind. Im Bestand steckt erhebliches Potenzial für den Austausch vorhandener Heizgeräte: In privaten Haushalten sind 52% der Gasheizgeräte und 43% der ölbefeuerten Wärmeerzeuger zwischen 10 und 18 Jahre alt. Ungewisse Entwicklungen der Energiekosten, gestiegenes Umweltbewusstsein sowie staatliche Finanzierungshilfen und Förderungen für die Heizungsmodernisierung veranlassen Besitzer von Wohngebäuden, Immobilienunternehmen und Anlagenbetreiber zur Modernisierung der Heiztechnik. Einen zusätzlichen Anreiz schafft die KfW-Sonderförderung für Maßnahmen zur Optimierung der Wärmeverteilung. Auch beim Austausch fällt häufig die Wahl auf Heizgeräte, die durch Abgaskondensation den Brennwert nutzen.

Schnittdarstellung eines Gas-Brennwertheizgerätes: Das Heizgas strömt gegen den von Heizwasser durchströmten Wärmetauscher. Die drei unteren Wärmetauscherrohre stellen den Abgaswärmetauscher zur Brennwertnutzung dar.

NUTZER ERWARTET KOMFORT UND MERKLICHE ENERGIEEINSPARUNG
Parallel betrachtet fällt in diesem Zusammenhang auf, dass sich ein großer Teil der Bauherren privater Wohnhäuser aus Komfortgründen für eine Kombination aus Heizkörpern und Fußbodenheizung entscheidet: Je nach Art der Raumnutzung wünschen Hausbesitzer ein schnelles Ansprechen der Heizung oder konstante, nicht zu warme Raumtemperaturen. Diese Kombination der Wärmeverteilung wird nicht nur für viele Neubauten gewählt, auch bereits die Ein- und Zweifamilienhäuser der 80er-Jahre wurden zu einem großen Teil mit einem Zweikreissystem aus Radiatoren- und Fußbodenheizung ausgestattet. SHK-Fachbetriebe haben somit nach den vorstehenden Betrachtungen sowohl im Neubau wie auch bei der Modernisierung bestehender Wohngebäude sehr häufig mit der Anlagenkonstellation Brennwertheizgerät (Gas oder Öl) - Radiatorheizung - Flächenheizung zu tun. Der Nutzer erwartet davon die mit Brennwerttechnik erzielbare Energieeinsparung ebenso wie problemloses Regelverhalten und Temperaturgenauigkeit der beiden Wärmeverteilsysteme.

Schema eines wandhängenden Gas-Brennwertgerätes mit Zweikreis-Installation und Mehrwege-Mischverteiler: statt des Kessel-Vorlaufs dient der Rücklauf des Radiatoren-Heizkreises als Wärmequelle für die Fußbodenheizung: Das Brennwertgerät erhält die notwendige tiefe Rücklauftemperatur, die hydraulische Weiche sowie die zusätzliche Pumpe entfallen.

Schema eines wandhängenden Gas-Brennwertgerätes in konventioneller Zweikreis-Installation: Durch den Einsatz der erforderlichen hydraulischen Weiche entstehen höhere Rücklauftemperaturen, zudem wird eine zusätzliche Pumpe benötigt.

KOMBINATION WANDHEIZGERÄT UND ZWEIKREISSYSTEM
Der hydraulische Aufbau dieser Zweikreisanlage ist im Grunde einfach zu realisieren: Der Mischkreis für die Fußbodenheizung wird parallel zum Radiatorkreis geschaltet, wobei das dafür geforderte niedrigere Temperaturniveau im Regelfall durch einen Dreiwegemischer eingestellt wird. Im Zusammenwirken mit einem Gas-Brennwert-Wandheizgerät erfordert dieser Aufbau jedoch Maßnahmen, die sich nachteilig auf den Brennwertnutzen und damit auf die Energieeffizienz auswirken können. So wird für Zweikreisanlagen mit Brennwertheizgerät allgemein der Einsatz einer hydraulischen Weiche empfohlen. Begründet wird dies dadurch, dass ein Großteil der Wandheizgeräte eine bestimmte Mindestumlaufwassermenge benötigt. Im Wärmeerzeugerkreis herrscht je nach Modulationsgrad und Wärmebedarf teilweise ein höherer Umlauf als in den Heizkreisen. Dadurch fließt heißes Vorlaufwasser über die hydraulische Weiche, was die Rücklauftemperatur erhöht und damit die Brennwertnutzung verschlechtert. Für den statischen Heizkreis wird dadurch eine zusätzliche Umwälzpumpe erforderlich, weil die hydraulische Weiche den Wärmeerzeugerkreis von den Heizkreisen entkoppelt. Beide Komponenten verursachen zusätzliche Investitionskosten (hydraulische Weiche und Pumpe) sowie zusätzliche Betriebskosten (Pumpenstrom).

AUSBLEIBENDE ABGASKONDENSATION MIT FOLGEN
Praxiserfahrungen mit Brennwertheizgeräten zeigen, dass viele Geräte kaum oder zuwenig im Kondensationsbereich arbeiten. Die Ursachen für eine zu geringe oder ganz ausbleibende Brennwertnutzung liegen einerseits in der hydraulischen Schaltung von Zweikreisanlagen, ebenso aber auch in der Einstellung des Gesamtsystems. In vielen Fällen wurde der hydraulische Abgleich nicht durchgeführt oder ist die Heizkurve zu hoch eingestellt, mit der Folge zu hoher Durchflussmengen und damit zu hoher Rücklauftemperaturen. Zu groß gewählte Wärmeleistungen und überdimensionierte Pumpen lassen die Heizgeräte takten und sorgen darüber hinaus durch zu häufige Brennerstarts dafür, dass über weite Strecken die Abgaskondensation ausbleibt. Wartungsarbeiten an Brennwertheizgeräten offenbaren häufig, dass der Betrieb im Brennwertbereich eher die Ausnahme sein muss. Entsprechend bleibt der Energieeinspareffekt aus. Für den Kundendienstmonteur wird dies beispielsweise daran sichtbar, dass durch den Sifon des Kondensatablaufs nur selten einige Tropfen Wasser fließen. Noch auffälliger sind Ablagerungen auf den Oberflächen der Abgaswärmetauscher von Brennwertgeräten. Diese entstehen, wenn die Wärmetauscher teilweise durch "Trockenbetrieb" zu hohe Oberflächentemperaturen entwickeln. Sobald während des Betriebs wieder Kondensat anfällt, trocknen darin enthaltene Verbrennungsrückstände auf der Oberfläche an und setzen mit der Zeit den Abgaswärmetauscher mit fest haftenden, kalkartigen Belägen zu. Die Entfernung der Beläge ist mühsam, besonders an Rippenrohrwärmetauschern, aus deren Zwischenräumen die Ablagerungen gekratzt werden müssen. Für den Kunden kann so die Rechnung über die Kundendienstarbeiten überraschend hoch ausfallen. Der gewünschte Brennwerteffekt verkehrt sich damit eher ins Gegenteil: Kondensat, das wieder verdampft, liefert keinen Energiebeitrag, dafür jedoch höhere Wartungskosten. Solange aber das Kondensat in ausreichender Menge anfällt, bleibt auch der Wärmetauscher frei von Ablagerungen. Dass es zu deren Bildung überhaupt kommen kann, erfuhr Hans-Georg Baunach bei Messeauftritten am Stand seines Unternehmens HG Baunach, als ihm zu seiner Überraschung Fachhandwerkskunden auf ihren Mobiltelefonen Fotos von geöffneten Brennwertgeräten zeigten: "Die Kunden aus dem Fachhandwerk berichten, dass ihre Kundendienstmonteure mittlerweile am Zustand des Abgaswärmetauschers erkennen, ob ein Rendemix eingebaut ist."

Kondenswassermenge und Wirkungsgrad eines Gas-Brennwertgerätes in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur.

RÜCKLAUFTEMPERATUR ZUM BRENNWERTHEIZGERÄT SENKEN
Zu hohe Rücklauftemperaturen vermindern nicht nur den Brennwertnutzen und den Wirkungsgrad, sondern verursachen auch höhere thermische Belastungen der Gerätekomponenten. Ablagerungen auf Abgaswärmetauschern behindern den Wärmeübergang vom Kondensat zum Heizwasser. Nach vorliegenden Erfahrungsberichten finden sich die Ablagerungen auch in den Kondensatwannen der Brennwertgeräte, was auch auf eine höhere Temperaturbeanspruchung von Verbindungsteilen und Dichtungen schließen lässt. Ziel sollte also sein, dass Brennwertheizgeräte unter allen Betriebsbedingungen stets im Kondensationsbereich arbeiten. In Zweikreisanlagen ist dafür eine Rücklauftemperatur optimal, die dem Temperaturniveau des Rücklaufs aus dem Niedertemperaturheizkreis entspricht. Konventionelle Schaltungen mit Dreiwegemischern aber führen diesen wieder mit dem Rücklauf des Radiatorheizkreises zusammen. Mit der Folge, dass sich dabei auch die Rücklauftemperatur zum Wärmeerzeuger wieder erhöht.

PRINZIP DER RÜCKLAUFNUTZUNG
Um in Zweikreissystemen die Temperatur des Rücklauf-Heizwasserstroms zum Wärmeerzeuger zu senken, bietet sich an, die im Rücklauf des Hochtemperaturkreises vorhandene Wärme für die Versorgung des Niedertemperaturkreises zu nutzen. Das Hydraulikschema zeigt dazu das Beispiel einer Schaltung mit dem Mehrwege-Mischverteiler Rendemix in der Ausführung 2 x 4 für die Anbindung einer Zweikreisanlage an ein Brennwert-Wandheizgerät. Die Rücklauftemperatur eines für 70/50 °C ausgelegten Radiatorheizkreises reicht noch aus, um damit einen Fußbodenheizkreis zu versorgen, der lediglich 40 °C Vorlauftemperatur benötigt. Während der Radiator-Heizkreis direkt über den Wärmeerzeugerkreis versorgt wird, ist die Fußbodenheizung in Reihe in den Rücklauf des Hochtemperaturkreises geschaltet. Die hierbei unerlässliche hydraulische Entkopplung ist durch einen im Mehrwege-Mischverteiler integrierten Bypass gewährleistet. Das Brennwertheizgerät erhält damit die deutlich tiefere Rücklauftemperatur des Fußbodenheizkreises (in diesem Beispiel 30°C), die sicher unterhalb der Kondensationstemperatur liegt. Im Vergleich zu einer Zweikreisanlage mit hydraulischer Weiche und einer Rücklauftemperatur von 53°C lässt sich die Brennwertnutzung um 9% steigern. Dabei fällt - dem Sinn und Zweck der Brennwertnutzung entsprechend - permanent Kondensat an, das die Oberfläche des Abgaswärmetauschers von Verunreinigungen frei spült. Für den Betrieb von Öl-Brennwertheizgeräten ist dies umso mehr von Bedeutung, da die Taupunkttemperatur mit 47°C noch niedriger liegt als für das Abgas von Gas-Brennwertgeräten (56°C). Die hydraulische Schaltung einer Zweikreisanlage über den Mehrwege-Mischverteiler ermöglicht den Verzicht auf eine dritte Heizkreispumpe und auf eine hydraulische Weiche. Gesteuert wird der Stellkörper des Mischverteilers über die Heizungsregelung. Der mitgelieferte Stellantrieb kann über jede Regelung mit Dreipunktsignal (230 V~/50 Hz) angesteuert werden. Der anschlussfertige Montageblock des Mehrwege-Mischverteilers lässt sich platz- als auch zeitsparend in die Anlageninstallation integrieren.

Jahresheizprofil und Wirkungsgrad: Durch Kondensatmessungen wurde belegt, dass der Wirkungsgrad konventioneller Installationen in der Übergangszeit hoch ist und mit steigender Heizlast (und damit steigender Rücklauftemperatur) sinkt.<

KOMBINATION BRENNWERT UND SOLAR
Noch deutlicher wird der Effekt der Rücklaufnutzung, wenn Brennwertheiztechnik mit Solarthermie kombiniert wird. Angestrebt wird damit eine Energieeinsparung von bis zu 50% im Vergleich zu einer Anlage mit einem veralteten Wärmeerzeuger. Die Kombination von Solarthermie und Brennwertheiztechnik stellt durch die erforderliche Einbindung eines Solar-/Pufferspeichers zusätzliche Anforderungen an die Anlagenhydraulik. Für Heizungsanlagen in Neubauten fordert das Anfang 2009 in Kraft gesetzte Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz, dass ein Teil des Heizwärmebedarfs über Regenerative Energien gedeckt wird. Wird beispielsweise eine Kombination mit Solarthermie gewählt, müssen nach der Vorgabe des Erneuerbare-Energien-Wärmegesetzes mindestens 15% des Wärmebedarfs solar gedeckt werden. Damit sich für Bauherren die Mehrinvestition in eine Solarwärmeanlage auch bezahlt macht, hat der Anbieter HG Baunach* auch Mehrwege-Mischverteiler entwickelt, mit denen sich neben einer einfachen hydraulischen Einbindung sowohl eine effiziente Schichtung im Pufferspeicher als auch stets tiefe Rücklauftemperaturen für das Brennwertheizgerät erzielen lassen. Damit lassen sich sowohl der Solarertrag als auch die Brennwertnutzung steigern.

www.baunach.net


*) HG Baunach GmbH & Co. KG, Rheinstraße 7, 41836 Hückelhoven, Tel. 02433 970-210, Fax 02433 970-219, E-Mail info@baunach.net.

 


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