IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 9/1997, Seite 46 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Heizsysteme im Niedrigenergiehaus

Vor der Energieeinsparung steht die Planung

Ansgar Schrode* Teil 1

Niedrigenergiehäuser verbrauchen aufgrund überdurchschnittlich guter Wärmedämmung, besserer Fenster und von Systemen zu kontrollierten Lüftung - mit oder auch ohne Wärmerückgewinnung - nur noch sehr wenig Energie. Viele solcher Häuser erreichen mit spezifischen Wärmebedarfswerten nach 4701 von 30 bis 40 W/m2 Wohnfläche einen jährlichen Energieverbrauch von ca. 50 kWh/(m2 a). Das ist deutlich weniger als das, was Neubauten entsprechend der Wärmeschutzverordnung verbrauchen. Der durchschnittliche Bestand in der bisherigen Bundesrepublik verbraucht etwa das 4- bis 5-fache und Altbauten noch viel mehr.

Auswirkungen überdimensionierter Kessel

Normalgroße Einfamilienhäuser in Niedrigenergiebauweise weisen oft Gesamtwärmebedarfswerte von weniger als 10 kW, in Einzelfällen sogar 5 bis 7 kW auf. In diesem Zusammenhang wird oft die Frage gestellt, ob Öl- oder Gasheizkessel nicht von vornherein zu groß dimensioniert sind. Denn bei ölbefeuerten Niedertemperaturkesseln liegen die kleinsten Leistungen bei 15 bis 18 kW, Gasheizkessel mit guten Wirkungsgraden sind ab 11 kW erhältlich. Bei Gasfeuerungen bietet sich auch Brennwerttechnik an.

Tabelle 1: Jahresnutzungsgrade von Niedertemperaturheizkesseln einschließlich Warmwasserbereitung (ohne Speicherverluste). Randbedingungen: 8% Abgasverlust, mittlere Kesseltemperatur 50C, Bereitschaft 8000 Stunden pro Jahr, NEH: Niedrigenergiehaus mit 40 kWh/(m2 a)

überdimensionierter Gebläsekessel (Kesselleistung 18 kW bei
ca. 8 kW Normwärmebedarf)

84,7%

richtig dimensionierter Gebläsekessel (Kesselleistung 18 kW bei ca. 15 kW Normwärmebedarf)

89,4%

Wie Tabelle 1 zeigt, verschlechtert sich der Jahreswirkungsgrad des Heizkessels durch die Überdimensionierung um lediglich 5%. Würde es kleiner dimensionierte Kessel geben, so wäre selbst damit eine ähnliche Wirkungsgradeinbuße verbunden, da ein Kessel mit halber Leistung nicht unbedingt die Hälfte, sondern fast dieselben Verluste wie der größere Kessel aufweist. Bei halber Leistung wäre die wärmeabgebende Umfassungsfläche noch etwa gleich groß. Ferner spielen die Verluste des Verteilsystems eine wesentlich größere Rolle. Etwa doppelt so viel Verluste im Vergleich zu den Abstrahlverlusten des Kessels weist ein nach Heizungsanlagenverordnung gedämmtes Rohrnetz auf, bei dem, wie normalerweise üblich, Flansche, Pumpen, Schieber, Thermometer, Verschraubungen und dergleichen nicht gedämmt sind.

Das Problem des passenden Wärmeerzeugers im Niedrigenergiehaus ist eher anders zu sehen: Da das Niedrigenergiehaus sehr wenig Energie verbraucht, fallen prozentual Abstrahl- und Verteilungsverluste sehr stark ins Gewicht. Erste Priorität wäre, das Rohrnetz mit den auch sonst üblichen Schwachstellen optimal zu dämmen (ggf. dickere Dämmstärken als die Heizungsanlagenverordnung vorschreibt) und zu überlegen, ob es sinnvoll ist, freistehende Einfamilienhäuser in Niedrigenergiebauweise mit jeweils eigenen Heizkesseln zu versorgen oder den verdichteten Flachbau (Reihenhäuser, Mehrfamilienhäuser) mit einem gemeinsamen Heizkessel für mehrere Wohneinheiten zu wählen.

Es soll ausdrücklich davor gewarnt werden, Kessel mit niedrigeren Wärmeleistungswerten einzusetzen, wenn diese von vornherein entweder schlechtere Verbrennungen oder höhere Betriebsbereitschaftsverluste haben. In diesem Fall wird sogar ein höherer Energieverbrauch erzielt, als wenn ein besserer Kessel "überdimensioniert" eingesetzt wird.

Oft wird eine erhöhte Einschalthäufigkeit von überdimensionierten Kesseln angeführt. Dem ist jedoch nicht so. Ein überdimensionierter Kessel schaltet nicht häufiger ein, sondern hat nur kürzere Laufzeiten. Wichtig ist hierbei, daß in den Stillstandszeiten die Verluste stark reduziert sind.

Elektrische und hydraulische Regelung der Kesselwassertemperatur

Um die Schalthäufigkeit zu reduzieren, wird generell (also nicht nur bei überdimensionierten Kesseln) empfohlen, die Schaltdifferenz zwischen Ein- und Ausschalttemperatur des Brenners möglichst groß zu wählen, beispielsweise auf 10 K einzustellen. Vorschläge, den Vorlauffühler auf den Rücklauf zu legen, sind zwar gut gemeint, jedoch in der Praxis nicht sinnvoll. Schaltdifferenzen von mehr als 10 K bringen regelungstechnische Probleme und 10 K lassen sich bei vernünftigen Regelungen auch mit einer Vorlauftemperaturmessung realisieren. Wenn man die Rücklauftemperatur erfassen wollte, so ist es fraglich, ob man den Fühler vor oder nach dem Überströmregler einbaut. Vor dem Überströmregler (in Fließrichtung betrachtet) würde bei relativ stark geöffnetem Überströmregler diese Temperaturmessung nahezu keinen Einfluß auf die Kesseltemperatur haben, und der Kessel würde übermäßig stark aufheizen. Zwischen dem Überströmregler und Kessel eingebaut, würde er nur im Überströmreglerkreis regeln und bei stark geöffnetem Überströmregler die Regelungscharakteristik des Rohrnetzes nahezu überhaupt nicht erfassen. Sinnvoll ist also weiterhin der Vorlauftemperaturfühler, nur gegebenenfalls mit einstellbarer oder höher eingestellter Schaltdifferenz.

In diesem Zusammenhang muß auch der Einbau von (Drei- oder Vierwege-)Mischern nochmals diskutiert werden. Normalerweise regeln die Mischerregelungen die Temperatur sehr exakt. Wenn die Kesselwassertemperatur aufgrund erhöht eingestellter Schaltdifferenz über die Heizkurve hinausgeht, regelt der Mischer zurück, so daß der Kessel die Übertemperatur nicht an die Heizkörper weitergeben kann und der Brenner eher wieder abschaltet. Da das Heiznetz nur relativ wenig Wärme bekommen hat, schaltet der Brenner auch wieder wesentlich früher ein. Mischer sollen also nur dort eingebaut werden, wo es unbedingt nötig ist, wie beispielsweise bei Luftheizungen oder Klimaanlagen, Fußbodenheizungen oder großen Heizungsanlagen. In kleinen Anlagen wie in Niedrigenergie-Einfamilien- oder kleinen Mehrfamilienhäusern sollte in der Regel besser darauf verzichtet werden.

Pufferspeicher, um die Laufzeit zu verlängern, sind sehr fraglich. Es zeigt sich, daß bzgl. Energie- und Emissionseinsparung Pufferspeicher nichts bringen, zumal auch ein höherer Stromverbrauch durch eine zweite Umwälzpumpe nötig ist und zusätzliche Abstrahlverluste des Pufferspeichers samt Anschlüssen und dergleichen auftreten. Die Energieverluste, die durch Takten des Brenners entstehen, liegen deutlich unter 1%. Die Emissionsminderung (nur auf den Kessel bezogen, also ohne den Stromverbrauch für die Umwälzpumpe und ohne Verluste des Speichers mit einbezogen) liegt in der Größenordnung von ca. 1%, wenn man davon ausgeht, daß Heizkessel mit "blauem Umweltengel" eingesetzt werden und diese in die den Vergaberichtlinien des Umweltengels höchstzulässigen Mehremissionen nach dem Anfahren auch aufweisen.

Sind Brennwertgeräte immer die richtige Wahl?

Oft werden gerade in Niedrigenergiehäusern Brennwertgeräte eingesetzt. Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß nicht alle Brennwertgeräte gute Jahresnutzungsgrade aufweisen. Im Einzelfall wurden bei einem nicht gedämmten Brennwertgerät mit geringem Wasserinhalt und Mindestumlaufmenge ein Jahresnutzungsgrad von nur knapp über 70% gemessen. Andere Fälle wurden bekannt, bei denen offenbar relativ gute Gasheizkessel gegen Brennwertgeräte ausgetauscht wurden und keine Energieeinsparung aufgetreten ist, zum Teil sogar der Energieverbrauch noch gestiegen ist. Wenn ein Bauherr sich für einen Gas-Brennwertkessel entscheidet, so geht er davon aus, daß er den Brennstoff so gut ausnützt, wie es mit konventioneller Verbrennung nur geht. Bei guten Geräten können in Abhängigkeit der Heizwassertemperatur die Jahresnutzungsgrade nach Tabelle 2 erreicht werden.

Aus diesen Zahlen wird zum einen deutlich, daß ein optimaler CO2-Gehalt mindestens ebenso wichtig, wenn nicht noch wichtiger ist, wie eine niedrige Heizwassertemperatur, und zum anderen, daß die Heizwassertemperatur nicht die wichtige Rolle spielt, die ihr zugemessen wird. Der Unterschied zwischen Heizkörpern, die mit beispielsweise 80/60C, und einer Fußbodenheizung mit 40/30C ausgelegt sind, beträgt lediglich 4%. Die Einsparung durch Brennwerttechnik gegenüber konventionellen Kesseln liegt aber bei allen Heizwassertemperaturen in der Größenordnung von ca. 10%.

Vor allem muß beim Einsatz der Brennwerttechnik nicht eine Fußbodenheizung mit anderen Nachteilen wie Trägheit und zusätzliche Verluste gegen Keller und Erdreich eingebaut werden. Diese Werte werden nur erreicht, wenn sehr gute Geräte eingesetzt und alle Randbedingungen beachtet werden. Alle hier genannten Zahlen sollen sich der Einfachheit halber auf die Leistungsklasse von knapp 20 kW beziehen, also auf Geräte, die sich für Einfamilienhäuser oder auch kleine Mehrfamilienhäuser mit reduziertem Wärmebedarf eignen.

Zusammenhang zwischen Luftüberschuß und Kondensation

Der Luftüberschuß, der durch den CO2-Gehalt der Abgase ausgedrückt wird, ist für die Energieausnutzung eines Brennwertgerätes sogar noch wichtiger als niedrige Heizwassertemperaturen. Durch einen zu hohen Luftüberschuß werden die Abgase verdünnt, wodurch die relative Luftfeuchte in den Abgasen sinkt und die Kondensation erst bei niedrigeren Abgastemperaturen eintritt. Bei genügend hohem Luftüberschuß gibt es selbst bei sehr niedrigen Rücklauftemperaturen kein Kondensat mehr. Bei einem optimal eingestellten CO2-Gehalt von ca. 10% beginnt die Kondensation bei ca. 55C, während bei ca. 6% die Taupunkttemperatur und damit der Einsatz der Kondensatnutzung bei einer Temperatur von ca. 40C liegt. Bei noch niedrigeren CO2-Gehalten stellt sich oft gar keine Abgaskondensation ein. Ein zu hoher Luftüberschuß kann zu einer Wirkungsgradeinbuße von 5 bis 10% führen.

Dämmung von Brennwertgeräten

Sehr viele Brennwertgeräte sind überhaupt nicht gedämmt und weisen höhere Abstrahlverluste auf als gut gedämmte konventionelle Geräte. Wenn gut gedämmte Brennwertgeräte nach DIN 4702 Teil 6 bei einer Übertemperatur von 40 K ca. 0,3% Betriebsbereitschaftsverlust aufweisen, so steigt dieser Wert bei nicht gedämmten Geräten auf Werte bis 1% an.

Bei den Betriebsbereitschaftsverlusten wird der Energieverbrauch gemessen, der nötig ist, um einen Wärmeerzeuger auf eine gewisse Betriebstemperatur zu halten, ohne daß Wärme an das Heiznetz abgegeben wird. Da der Brenner im Gegensatz zum praktischen Betrieb weniger oft starten muß, fallen die Anfahrverluste zu gering ins Gewicht, was besonders bei den schlechteren Geräten die Meßergebnisse schönt. Die Abstrahlverluste von Geräten, bei denen die Feuerung nicht vollständig von Heizwasser umgeben ist (Thermen im Gegensatz zu Kesseln), ist der Betriebsbereitschaftsverlust gegenüber dem nach DIN gemessenen wesentlich höher, wenn Wärme an das Heiznetz abgegeben wird. Insofern darf bei diesen Geräten der Betriebsbereitschaftsverlust nach DIN 4702 nicht als Grundlage zur Berechnung des Jahresnutzungsgrades herangezogen werden und ist als Maßstab zum Vergleich der auf dem Markt befindlichen Brennwertgeräte völlig ungeeignet, da hierbei die schlechten Geräte viel zu gut abschneiden. Geräte mit nicht heizwasserumschlossener Feuerung weisen demgegenüber wesentlich schlechtere Jahresnutzungsgrade auf.

Tabelle 2: Jahresnutzungsgrade von Brennwertkesseln ohne Warmwasserbereitung. Randbedingungen: volle Auslastung, Kessel ohne Mindestumlaufmenge und gute Dämmung, Leistung ca. 20 kW

Heizwassertemperatur

CO2-Gehalt

Jahresnutzungsgrad

80/60C

10%

100,0%

70/50C

10%

101,6%

60/40C

10%

102,8%

40/30C

10%

104,0%

60/40C

6%

97,8%

zum Vergleich: guter konventioneller Kessel

92,0%

Wenn behauptet wird, Brennwertgeräte würden nur im Niedertemperaturbereich eingesetzt und müßten deshalb nicht gedämmt werden, widerspricht dies jeglicher praktischen Erfahrung. Tabelle 2 zeigt, daß auch bei höheren Heizwassertemperaturen noch Jahresnutzungsgrade erzielt werden, die deutlich über denen von konventionellen Geräten liegen. Ferner wird in der überwiegenden Zahl der Fälle der Heizkessel auch für die Warmwasserbereitung eingesetzt, so daß zumindest zu den Zeiten der Warmwasserbereitung höhere Kesseltemperaturen und höhere Abstrahlverluste auftreten. Eine 40/30C-Auslegung wäre ohnehin nur bei Fußbodenheizung möglich.

Werden Betriebsbereitschaftsverluste von 1 % auf den Jahresverbrauch umgerechnet, so ergibt sich ein 5% höherer Brennstoffverbrauch als bei einem Betriebsbereitschaftsverlust von 0,3%. Bei Niedrigenergiehäusern mit Wärmebedarfswerten von 10 kW oder weniger erhöht sich dieser Wert sogar auf 10% oder auch mehr. Bei Brennwertgeräten ohne vollständige Umschließung des Feuerraums mit Heizwasser kann die tatsächliche Wirkungsgradeinbuße die doppelten bis dreifachen der hier genannten Werte erreichen.

Wasserinhalt

Die meisten Brennwertgeräte haben sehr kleine Wasserinhalte (oft nur 2 bis 5 Liter), weshalb sie eine Mindestumlaufmenge benötigen. Würde der Brenner mit ca. 20 kW den Wärmetauscher bei fehlender Mindestumlaufmenge erwärmen, würde dieser sofort das Wasser zum Kochen bringen und den Wärmetauscher zerstören. Deshalb geben solche Geräte die Gaszufuhr erst frei, wenn die Mindestumlaufmenge vorhanden ist und schalten den Brenner sofort wieder ab, sobald diese unterschritten wird. Die Mindestumlaufmenge liegt je nach Gerätetyp zwischen 400 und 600 l/h, während z.B. im Niedrigenergie-Einfamilienhaus Wassermengen von 200 bis 300 l/h auf den Auslegefall bezogen, im Teillastbetrieb sogar noch weniger, genügen. In den meisten Fällen muß hier der Überströmregler die Mindestumlaufmenge aufrechterhalten, wodurch es zu einer Rücklaufanhebung kommt und die Kondensatausbeute stark zurückgeht oder evtl. auch zunichte gemacht wird. Der Wirkungsgrad kann hierdurch um 5 bis 10% zurückgehen.

Bei vielen Brennwertgeräten ist die Umwälzpumpe bereits im Gerät eingebaut. Hierbei ist besondere Vorsicht geboten, wenn ein Mischer mit nachgeschalteter Pumpe eingesetzt wird. Wenn die Pumpe im Gerät einen höheren Wasserdurchsatz bewirkt als die Pumpe nach dem Mischer, kann es auch zu einer Rücklauftemperaturanhebung kommen. Bedingt durch den geringen Wasserinhalt takten solche Geräte sehr häufig. Die Ein- und Ausschaltvorgänge können bis zu 50000 pro Jahr betragen, während Geräte mit größerem Wasserinhalt ohne Mindestumlaufmenge bei richtiger Einstellung der Schaltdifferenz oft weniger als 10000 mal anspringen. Die dadurch bedingten höheren Spülverluste (durch Lüften des Brenners vor und nach der Brennerlaufzeit) reduzieren den Jahresnutzungsgrad evtl. um ein weiteres Prozent.

Tabelle 3: Jahresnutzungsgrade von Niedertemperaturheizkesseln ohne Warmwasserbereitung, überdimensioniert. Randbedingungen wie Tabelle 2, bei verschiedenen Heizwassertemperaturen

80/60C

86,1%

70/50C

88,0%

60/40C

88,5%

40/30C

90,4%

nicht überdimensioniert, Randbedingungen wie Tabelle 1

80/60C

90,5%

40/30C

91,9%

Aus diesen hier dargestellten Zahlen wird ersichtlich, daß bei richtig dimensionierten Kesseln die Verbesserung des Wirkungsgrades durch niedrigere Auslegetemperaturen im Extremfall max. 1,4% beträgt. Es steht also in keinem Verhältnis, das Heizungssystem auf niedrige Heizwassertemperaturen auszulegen, um Abstrahlverluste des Kessels zu reduzieren. Vielmehr sollten sämtliche Schwachstellen im Rohrnetz innerhalb des unbeheizten Bereiches (Heizraum und Kellerräume) wie Armaturen, Flansche und alles, was darüber hinaus noch Wärmeverluste aufweist, optimal gedämmt werden. Auch wenn bei überdimensionierten Kesseln die Differenz auf über 4 % steigt, so muß man sich im klaren sein, daß die Abstrahlverluste des Kessels dadurch nicht höher sind als im Falle der richtigen Dimensionierung, sondern sich diese relativ geringen Verluste nur verhältnismäßig stärker auswirken.

Pufferspeicher lösen diese hier angesprochenen Probleme nicht, da eine zeitlich verzögerte Rücklauftemperaturanhebung zu verzeichnen ist, wenn im Primärkreislauf eine höhere Wassermenge zirkuliert als im Sekundärkreislauf. Oft wird nicht beachtet, daß der Pufferspeicher zusätzliche Abstrahlverluste aufweist, die selbst bei sehr guter Dämmung beträchtlich sind. Des weiteren wird beim Einsatz von Pufferspeichern eine weitere Umwälzpume benötigt, die bei angenommenen 50 Watt elektrischer Leistungsaufnahme im Ein- und Zweifamilienhaus beim Haushaltstarif jährlich 50 DM Stromkosten, in Mehrfamilienhäuser sogar ca. 150 DM verursacht. Ein Pufferspeicher kann also die Probleme, welche durch einen zu kleinen Wasserinhalt im Heizkessel hervorgerufen werden, nicht zufriedenstellend lösen. Die einzige Möglichkeit besteht darin, Kessel mit großem Wasserinhalt zu wählen, so daß keine Mindestumlaufmenge nötig ist.

Bei Betrachtung all dieser hier genannten Zahlen wird deutlich, daß die in o.a. Tabelle 2 genannten Jahresnutzungsgrade bei schlechten Brennwertgeräten um bis zu 30% unterschritten werden können und somit unter denen von guten konventionellen Heizkesseln liegen (Tabelle 3).

Brennwertgeräte mit CE-Zeichen

Um das europäische CE-Zeichen zu erhalten, müssen Brennwertgeräte bei voller Auslastung und 70C Kesseltemperatur einen Wirkungsgrad von mindestens 92% erreichen und bei 30% Auslastung und 30C Rücklauftemperatur mindestens 98%. Dieser zweite Wert soll als Kurzmeßverfahren für den Jahresnutzungsgrad angesehen werden. Eine Rücklauftemperatur von ca. 30C bei 30%iger Auslastung entspricht etwa einer Auslegung auf max. 70/50C. Mit der eingangs erwähnten Tabelle 2 verglichen, werden hier ca. 5 Prozentpunkte bezüglich des Jahresnutzungsgrades verschenkt. Das bedeutet, daß die europäischen Vorschriften so beschaffen sind, daß Brennwertgeräte ohne Dämmung gerade noch zugelassen werden.

Die EU-Anforderungen liegen also zwischen dem, was mit Brennwertgeräten einerseits und guten konventionellen Geräten andererseits zu erreichen wäre. Wenn Brennwertgeräte eine Mindestumlaufmenge benötigen und hierfür ein Überströmregler oder ähnliches eingesetzt wird, wird der Wirkungsgrad noch mal um 5 bis 10% verschlechtert. Der Gasverbrauch ist dann letztendlich bereits höher als bei guten konventionellen Kesseln.

Umweltzeichen des Umweltbundesamtes (Umweltengel)

Für dieses Umweltzeichen wird u.a. die Forderung gestellt, daß der Betriebsbereitschaftsverlust bei ca. 20 kW Nennleistung einen Wert von knapp 1% nicht überschreitet. Auch hier wird erkennbar, daß diese Vorschriften so ausgelegt sind, daß Brennwertgeräte ohne Wärmedämmung nicht ausgeschlossen werden. Dieser Wert müßte dringend auf 0,3% herabgesetzt und unter Zugrundelegung der Wärmeabgabe an das Heiznetz gemessen werden.

Eine weitere Voraussetzung für den Umweltengel ist ein Normnutzungsgrad nach DIN 4702 Teil 8 von mindestens 99% bei 75/60C Heizwassertemperatur oder die gleichzeitige Einhaltung eines Kesselwirkungsgrades (Stillstandsverluste nicht mitberücksichtigt) von 102% bei 80/60C Heizwassertemperatur sowie 104% bei 40/30C. Über diese Forderung nach dem Kesselwirkungsgrad werden auch Brennwertgeräte aufgenommen, die sehr hohe Abstrahlverluste jedoch sonst gute Technik aufweisen, wobei auch hier die Probleme der Mindestumlaufmenge nicht berücksichtigt sind. Der Normnutzungsgrad von 99% ist zwar nur um gut 1% strenger als die Bedingungen für die Erfüllung des CE-Zeichens, jedoch noch 2 bis 3% von dem Wirkungsgrad guter Brennwertgeräte entfernt. Auch hier sind die Nachteile von Mindestumlaufmenge und dergleichen noch nicht berücksichtigt.

(Fortsetzung folgt)


* Ansgar Schrode: Geboren 1957 in Stuttgart, Fachhochschulstudium Fachrichtung Bauphysik in Stuttgart, seit 1982 selbständig als Ingenieur auf den Gebieten Bauphysik, Haustechnik und Energieberatung mit dem Schwerpunkt Niedrigenergiebauweise sowie Begutachtung von Schäden im Bereich der Bauphysik und Haustechnik einschl. Begutachten von Fällen mit überhöhtem Energie- bzw. Stromverbrauch. Ehrenamtlich tätig in Sachen Energieeinsparung beim BUND.


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