IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 18/1996, Seite 65 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Brennwertkessel bis 50 kW

Wie werden sie hydraulisch sinnvoll eingebunden?

Dipl.-Ing. Hans-Georg Kring

Die Brennwerttechnik nimmt in der Heizungstechnik einen immer größeren Stellenwert ein. So ist der Marktanteil der Brennwerttechnik in den letzten beiden Jahren nahezu explodiert. Marktforscher sagen voraus, daß im Jahre 2000 fast jeder 4. gasbetriebene Wärmeerzeuger ein Brennwertkessel sein wird.

Was macht die Brennwerttechnik für Planer, Heizungsfachfirmen und Verbraucher so interessant? Es lassen sich drei wesentliche Merkmale nennen:

- Gegenüber einem Niedertemperaturkessel kann die eingesetzte Energie um ca. 12 bis 15% besser ausgenutzt werden. Damit reduziert sich der Brennstoffverbrauch für den Betreiber um den gleichen Betrag.

- Es wird ein großer Beitrag zum Umweltschutz geleistet, da sich die CO2-Emissionen linear zum Nutzungsgrad verhalten.

- Die Kosten moderner Brennwertanlagen liegen bei gesamtheitlicher Betrachtung im Leistungsbereich bis ca. 30 (50) kW in der Größenordnung moderner Niedertemperaturkessel.

Legende zu den Bildern

BF Fernbedienung

DA Druckausdehnungsgefäß

FA Außentemperaturfühler

FB Brauchwassertemperaturfühler

FK Kesselwassertemperaturfühler

FV Vorlauftemperaturfühler

HK Heizkreis

KSE Kaskaden-Steuer-Einheit

PH Heizkreispumpe

PS Speicherladepumpe

PZ Zirkulationspumpe

RK Rücklauf Kessel

RS Rückschlagklappe

SA Strangabgleich-Ventil

SF Schmutzfänger

SH Heizkreis-Stellglied

THV Thermostatisches Heizkörperventil

TW Temperaturwächter

ÜV Überströmventil

VK Vorlauf Kessel

Zielorientiert planen und bauen

Die Hersteller von Brennwertkesseln bieten heute die unterschiedlichsten Produkte an. Für die Beurteilung eines Wärmeerzeugers werden dazu bestimmte Normgrößen, z.B. der Normnutzungsgrad angegeben. Normnutzungsgrade werden unter Norm-Praxisbedingungen auf dem Prüfstand gemessen und stellen daher die optimale Form des Betriebes der Wärmeerzeuger dar. Daher muß bei Installation und Betrieb von Brennwertanlagen das Ziel lauten, diesem Normnutzungsgrad so nahe wie möglich zu kommen. Man spricht dabei vom Jahres-Nutzungsgrad. Daher ist die Frage wichtig, wovon der Normnutzungsgrad im wesentlichen abhängt. Es lassen sich drei Punkte nennen:

- Vom Brennstoff. Gas bietet z.B. ein um ca. 5 Prozentpunkte höheres Potential für die Brennwertnutzung als Öl.

- Vom CO2-Gehalt der Abgase. Je höher der CO2-Gehalt, desto früher wird der Taupunkt der Abgase unterschritten.

- Von der Rücklauftemperatur der Anlage. Hydraulisch bedeutet dies, daß die Rücklauftemperatur nach Möglichkeit in jedem Betriebszustand niedrig gehalten wird. Daher ist dieser Punkt bei der hydraulischen Einbindung des Wärmeerzeugers von besonderer Wichtigkeit.

Bild 1: Brennwertkessel GB112 W (Buderus).

Kesseltechnologie

Die Kesseltechnologie sollte den Anforderungen der hydraulischen Einbindung entgegenkommen. Aber gerade an dieser Stelle haben viele Brennwertkessel Probleme. Das hängt im wesentlichen mit der Bauweise der Wärmeerzeuger zusammen. Denn fast alle Brennwertkessel im Leistungsbereich bis ca. 30 kW, vielfach auch bis 50 kW, werden in wandhängender Ausführung angeboten (Bild 1). Durch diese Bauweise lassen sich eine Fülle von positiven Merkmalen realisieren:

Montage im Wohnraum

Die Montage im Wohnraum ist ohne Probleme möglich. Dies bedeutet für die Wärmeerzeuger:

- Es ist eine raumluftunabhängige Betriebsweise erforderlich und möglich.

- Alle Komponenten zum bestimmungsgemäßen Gebrauch und sicheren Betrieb des Wärmeerzeugers wie Umwälzpumpe, Membrandruckausdehnungsgefäß, Sicherheitsventil etc. sollten im Design integriert werden können.

- Um wenig Platz zu verbrauchen, sollten die Wärmeerzeuger kompakt gebaut sein.

- Die Wandmontage erfordert eine gewichtssparende Konstruktion.

Heizbetrieb

Um die schnelle und genaue Anpassung an die Wärmeanforderung in den unterschiedlichsten Lastzuständen zu erreichen, ist die modulierende Betriebsweise von großem Vorteil. Zusätzlich wird die Umwelt neben dem energiesparenden Betrieb durch weniger Brennerstarts weiter entlastet.

Brauchwassererwärmung

Da auch die Brauchwassererwärmung sinnvollerweise über den Brennwertkessel erfolgt, sind bei Montage im Wohnraum möglichst kleine Speichergrößen bei gleichzeitig hohem Brauchwasserkomfort erforderlich.

Dazu ist neben einer entsprechend hohen Nennleistung des Wärmeerzeugers auch die schnelle Temperaturbereitschaft unumgänglich. Dies bedeutet kleine Kesselwasserinhalte, kompakte Wärmeaustauscher und eine modulierende Betriebsweise, aber auch wie bei allen Systemen höhere Rücklauftemperaturen während des Brauchwasserbetriebes. Hier kommt natürlich sofort die Frage auf, welchen Einfluß diese höheren Rücklauftemperaturen von z.B. 60C haben? Dazu kann gesagt werden, daß Brennwertkessel auch während der Brauchwassererwärmung noch Kesselwirkungsgrade erreichen, die 5 bis 8 Prozentpunkte über denen von Niedertemperaturkesseln liegen. Der Einfluß auf den Jahres-Nutzungsgrad der Gesamtanlage ist aber wegen der geringeren Betriebszeiten für den Brauchwasserbetrieb niedrig.

Aus diesen Marktforderungen ergeben sich viele Vorteile für diese Produkte (s.o.) Wegen des geringen Wasserinhaltes ergibt sich im Wärmeerzeuger je nach Modulationsgrad jedoch z.T. eine hohe Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, wenn während der Brennphase kein oder nur sehr wenig Wasser durch den Wärmeerzeuger gefördert wird. Von daher ist es im Interesse eines optimalen Betriebs sinnvoll, während der Brennphase dafür zu sorgen, daß eine, wenn auch nur sehr geringe, Umlaufwassermenge fließt. Dies kann durch verschiedene Maßnahmen geschehen:

- Ein Thermostatventil, z.B. im Bad, sollte ständig offengehalten werden.

- Ist z.B. in Mehrfamilienwohnhäusern damit zu rechnen, daß während der Übergangszeit alle Thermostatventile manuell geschlossen werden und der Wärmeerzeuger im Winterbetrieb heizt, sollte auch aus Geräuschgründen ein Überströmventil (Öffnungsdruck 350 bis 400 mbar) eingesetzt werden. Natürlich ist die Sommer-Winter-Umschalttemperatur an der Regelung so einzustellen, daß die Anlage in den Sommerbetrieb umschaltet, bevor die Benutzer die Thermostatventile abdrehen, da während einer solchen Betriebsphase durch die laufende Umwälzpumpe auch unnötige Elektroenergie verschwendet wird.

Der Einfluß dieser Maßnahmen auf den Jahresnutzungsgrad ist gering. Simulationen haben ergeben, daß der Einfluß bei richtiger Einstellung zwischen 1 und 1,5% beträgt.

Bild 2: Einfluß der System-Auslegungs-Rücklauftemperatur auf den Normnutzungsgrad (Brennwertkessel GB112 W).

Maßnahmen für die richtige hydraulische Einbindung

Wie bereits gesagt, sind für die optimale Brennwertnutzung verschiedene Parameter wichtig. Hydraulisch ist es von großer Wichtigkeit, daß die Rücklauftemperatur so niedrig wie möglich gehalten wird. Dazu sind hinsichtlich der Auslegung und der hydraulischen Einbindung der Geräte einige Punkte zu beachten:

System-Auslegungstemperaturen

Die System-Auslegungstemperaturen können bei Neuanlagen niedriger angesetzt werden. So sollten Radiatorensysteme, z.B. in Gebäuden, die nach der Wärmeschutzverordnung 95 errichtet werden, mit niedrigeren Vor- und Rücklauftemperaturen (z.B. 55/45C) betrieben werden. Auch Fußbodenheizungen bieten sich an. Hier bewegt sich die Auslegungs-Rücklauftemperatur in der Regel zwischen 30 und 40C je nach Anlagenlast. Jedoch besitzen Fußbodenheizungen oft sehr hohe Anlagenwiderstände, was den Aufwand für die Elektroenergie wieder steigen läßt. Bei Altanlagen sollte untersucht werden, ob die Systemtemperaturen wegen bereits durchgeführter baulicher Maßnahmen (verbesserte Fenster, nachträgliche Wärmedämmung der Außenfassade oder des Dachraumes) gesenkt werden können.

In Brennwertanlagen bis ca. 50 kW Nennwärmeleistung sollte die Auslegungs-Systemdifferenz (Vor-/Rücklauftemperatur) 10 bis maximal 20 K betragen. So hat sich für Heizsysteme mit Radiatoren eine System-Auslegungstemperaturdifferenz von 70/50C als günstige Betriebstemperatur herausgestellt. Kosten und Nutzen sind in einem gesunden Verhältnis (Bild 2).

Bild 3: Brennwertanlage mit 4- bzw. 3-Wege-Mischer (ÜV, wenn Geräuschprobleme während der Übergangszeit zu erwarten sind).

4-Wege- und 3-Wege-Mischer

4-Wege-Mischer sind hydraulisch in jedem Fall zu vermeiden. Bei Zwischenstellungen führen sie zur Anhebung der Rücklauftemperatur. Damit wird der Nutzungsgrad der Anlage gesenkt. Besonders kritisch ist dieser Punkt, wenn Anlagen mit mehreren Heizkreisen und unterschiedlichen System-Auslegungstemperaturen arbeiten. Dann ist der 4-Wege-Mischer ständig im Regeleingriff. Das Ergebnis ist eine dauerhafte Rücklauftemperaturanhebung (Bild 3).

Bei Anlagen mit nur einem Heizkreis in Verbindung mit einem modulierend betriebenen Brennwertkessel ist der Einsatz eines Mischers nicht sinnvoll, da bereits der Kessel mit seiner ständigen Leistungsanpassung an den momentanen Wärmebedarf die Vorlauftemperatur nahezu konstant hält.

Besser ist es, in Brennwertanlagen mit mehreren Heizkreisen und unterschiedlichen System-Auslegungstemperaturen grundsätzlich mit 3-Wege-Mischern zu arbeiten. Dabei ist sichergestellt, daß immer die Systemtemperatur zum Brennwertkessel gelangt.

Überströmventile

Bei Heizkesseln mit sehr geringem Wasserinhalt kann auf Überströmventile verzichtet werden, wenn sichergestellt ist, daß ein Thermostatventil, z.B. im Bad ständig offengehalten wird. Ist z.B. in Mehrfamilienwohnhäusern damit zu rechnen, daß während der Übergangszeit alle Thermostatventile manuell geschlossen werden und der Wärmeerzeuger im Winterbetrieb heizt, sollte auch aus Geräuschgründen ein Überströmventil eingesetzt werden.

Bild 4: Brennwertkessel-Anlage mit zwei Heizkreisen ohne/mit Mischer und hydraulischer Ausgleichsleitung.

Hydraulische Ausgleichsleitung

Besonders bei Einsatz eines Brennwertkessels in Verbindung mit mehreren Heizkreisen mit/ohne Mischern, das sind etwa 20% der installierten Anlagen, können sich hydraulische Probleme ergeben:

- Bei Kesseln mit der Forderung nach einer Mindest-Umlaufwassermenge muß diese sichergestellt sein.

- Durch die in den Wärmeerzeugern eingebaute Umwälzpumpe kommt es je nach Betriebszustand in den Heizkreisen zu undefinierten Betriebszuständen.

Um dieses Problem zu umgehen, wird der Wärmeerzeuger in der Praxis häufig hydraulisch über eine sogenannte hydraulische Ausgleichsleitung von den Heizkreisen getrennt (Bild 4). Dies hat den großen Vorteil, daß nun der Kesselkreis und der Heizkreis hydraulisch sehr sauber arbeiten. Eine gegenseitige Beeinflussung ist ausgeschlossen. Als Nachteil kann es bei falscher Einregulierung der Volumenströme im Heiz- oder Kesselkreis zu einer Rücklauftemperaturanhebung im Kesselkreis kommen. Die Folge wäre eine Verringerung des Jahres-Nutzungsgrades.

Bild 5: Faktor zur Bestimmung des Volumenstromes im Kesselkreis.

Um diesen zu optimieren, können für den in Bild 1 gezeigten Brennwertkessel mit einer hydraulischen Ausgleichsleitung die Volumenströme im Kesselkreis berechnet werden (Bild 5). Mit Hilfe dieses Auslegungsdiagrammes wird der Volumenstrom im Kesselkreis minimiert. Die Folge ist eine relativ kleine Wassermenge über den Wärmeerzeuger. Da die Wassermenge im Heizkreis im Gegensatz dazu groß ist, wird es in der hydraulischen Ausgleichsleitung in den allermeisten Betriebszuständen zu einer Beimischung von kaltem Rücklaufwasser kommen. Der Brennwertkessel arbeitet mit der System-Rücklauftemperatur. Der Volumenstrom über den Brennwertkessel ist bei der Inbetriebnahme an einem Strangabgleichventil einzustellen.

Bild 6: Brennwertkessel ohne Umwälzpumpe, Anlage mit mehreren Heizkreisen.
1) Überströmventil
- erforderlich, wenn Geräuschprobleme während der Übergangszeit zu erwarten sind
- erforderlich bei Fußbodenheizung mit Einzelraumregelung
- kann bei drehzahlgeregelter Umwälzpumpe entfallen

Dieser Brennwertkessel (Bild 1) kann zukünftig ohne integrierte Umwälzpumpe in den Gerätegrößen 24 und 29 kW betrieben werden, ohne daß eine hydraulische Ausgleichsleitung erforderlich ist (Bild 6). Damit wird die Einbindung besonders bei Anlagen mit mehreren Heizkreisen einfacher:

- Die hydraulische Einbindung erfolgt wie bei bodenstehenden Niedertemperaturkesseln.

- Die genaue Abstimmung der Umwälzpumpe auf die Anlagenwiderstände ist damit möglich.

- Im Austauschfall (z.B. Brennwertkessel gegen bodenstehenden NT-Heizkessel) kann der bestehende hydraulische Aufbau belassen werden.

- Die Montagezeiten werden verkürzt.

- Für den Benutzer ergeben sich geringere Investitionskosten durch einfachen Anlagenaufbau. Dadurch wird die Amortisationszeit der Anlage weiter optimiert.

Durch diese neue Variante ist es möglich, besonders den Austauschfall auf einfache Weise zu realisieren. Aber auch bei Neuanlagen mit mehreren Heizkreisen bietet sich diese Gerätevariante an. Möglich wird dies durch die im Gerät integrierte, intelligente Überwachungs- und Sicherheitstechnik, mit der es möglich ist, die Vorteile eines geringen Wasserinhaltes mit der einfachen hydraulischen Einbindung zu kombinieren.

Bild 7: Kaskadenschaltung mit vier Brennwertkesseln.

Hydraulische Einbindung von mehreren Brennwertkesseln

Der Einsatzbereich der wandhängenden Brennwertkessel läßt sich in Form von Kesselkaskaden problemlos erweitern (Bild 7). In der Praxis trifft man häufig Anlagen mit zwei, drei oder vier Brennwertkesseln an. Der Vorteil dieser Variante liegt besonders in der Möglichkeit der Montage unter dem Dach bei einfachster Abgasführung. Anlagen mit mehr als vier wandhängenden Brennwertkesseln (Leistungsbereich über ca. 160 kW) sind allerdings selten. Ab dieser Größenordnung ergeben sich Vorteile für einen oder zwei bodenstehende Brennwertkessel (Kosten, Abgasführung, Montage- und Wartungsaufwand).

Für Anlagen mit zwei, drei- und vier Brennwertkesseln liegen bereits langjährige Betriebserfahrungen vor. Hydraulisch werden diese Kessel sinnvollerweise über eine hydraulische Ausgleichsleitung von der Heizungsanlage getrennt. Dies sollte aus mehreren Gründen so vorgesehen werden:

- Beim Betrieb mit nur einem Brennwertkessel müßte die gesamte Wassermenge über diesen Brennwertkessel geleitet werden. Bei den z.T. sehr großen Wassermengen im Heizsystem bedeutet dies hohe Widerstände über den Wärmeerzeuger und damit einen höheren Aufwand an Elektroenergie.

- Wandhängende Brennwertkessel sind i.d.R. mit einer integrierten Umwälzpumpe ausgestattet. Hydraulisch bedeutet dies eine Reihenschaltung der Kessel- und Heizkreispumpen, was die Strömungs- und Druckverhältnisse im Gesamtsystem sehr stark schwanken läßt. Eine saubere hydraulische Arbeitsweise wäre bei mehreren Heizkreisen unmöglich.

Die Frage der Rücklauftemperaturanhebung in der hydraulischen Ausgleichsleitung stellt sich hier erneut. Daher müssen die Anlagenvolumenströme im Kessel- und Heizkreis genau berechnet und bei der Inbetriebnahme sauber einreguliert werden.

Die Regelstrategie spielt eine weitere wichtige Rolle. So ist es für Kaskadenlösungen am günstigsten, wenn die Kessel seriell, d.h. je nach Anlagenlast in Reihe nacheinander zu- bzw. weggeschaltet werden. Der Vorteil dieser Betriebsweise besteht darin, daß bei sehr hohen Jahres-Nutzungsgraden immer nur soviel Wasser im Kesselkreis bewegt wird, wie Wärmeerzeuger im Betrieb sind. Damit ist die Möglichkeit der Rücklauftemperaturanhebung praktisch ausgeschlossen. Ebenso wird der Aufwand an Elektroenergie minimiert.

Zusammenfassung

Um das Brennwertpotential optimal zu nutzen, sind alle Einflußfaktoren in die Planung und Ausführung einer Anlage einzubeziehen. Eine Einflußgröße ist die Rücklauftemperatur. Daher ist die hydraulisch richtige Einbindung eines oder auch mehrerer Brennwertkessel in das Heizsystem wichtig. Kann doch bei hydraulischen Fehlern der Jahres-Nutzungsgrad durch die Erhöhung der Rücklauftemperatur gesenkt werden. In jedem Fall sind aber die von den Herstellern genannten Betriebsbedingungen zu beachten bzw. muß die Hydraulik an die Bauart und Erfordernisse des Wärmeerzeugers angepaßt werden. Diese werden im wesentlichen durch die sehr kompakte Bauweise definiert, was andererseits viele Vorteile (Montagefreundlichkeit, niedriges Gewicht, schnelle Temperaturbereitschaft etc...) mit sich bringt.


B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH


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