125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 17/1997, Seite 72 ff.
Technische und wirtschaftliche Vorteile
Die bekannte und in Deutschland etablierte Gas-Zentralheizungstechnik erfährt zunehmend gravierende Veränderungen, mit denen auch Insider noch vor wenigen Jahren nicht gerechnet hatten. Die auf dem Boden stehenden klassischen Gasheizkessel verlieren im Leistungsbereich bis 30 kW förmlich an Boden, denn die Wärmeerzeugung geht mehr und mehr an die Wand. In Europa werden in diesem Leistungsbereich zwischenzeitlich dreimal mehr Wandheizgeräte als bodenstehende Heizkessel installiert. Gleichzeitig vollzieht sich hier auch ein deutlicher Trend von der Heizwert- zur Brennwerttechnik.
Montagemöglichkeiten und Einsatzgebiete
Diese Entwicklung hat verschiedene Ursachen. Der ursprüngliche Platz für den Heizkessel, der "Heizraum", wird im Zuge einer Anlagenmodernisierung z.B. als Hobbyraum genutzt. Oder aber im Neubau wird aus Kostengründen erst gar kein "Heizraum" mehr vorgesehen. Man installiert das Heizgerät direkt im Dachgeschoß; dabei spart man neben dem Aufwand für den Heizraum auch noch den Schornstein. Dies alles geht einher mit zwischenzeitlich neuen Rohrwerkstoffen und damit stark veränderter und vereinfachter Rohr-Verlegetechnik.
| Bild 1: Gas-Brennwerttherme Ecotherm Eco mit 15 Liter Heizwasserspeicher. |
Gerade die Plazierung des Heizgerätes im Dachgeschoß und der Verzicht auf klassische Schornsteintechnik erleichtert dann auch wieder die Umsetzung der Brennwerttechnik mit den für Brennwert geeigneten Abgassystemen. Mit diesen Abgassystemen läßt sich sinnvoll auch eine sichere Verbrennungsluftversorgung für die Wandheizgeräte kombinieren, so daß der Montageort für ein Wandheizgerät, natürlich unter Beachtung des allgemeinen baulichen Brandschutzes, heute praktisch frei wählbar ist. Eine derartige von der Raumgröße unabhängige Verbrennungsluftversorgung ist grundsätzlich auch ein Beitrag zur Sicherheit für den Nutzer. Mit wandhängenden Wärmeerzeugern entstehen außerdem für den Bereich kleiner Heizungsanlagen günstige Anschaffungskosten.
Bei Wandheizgeräten mit Brennwertnutzung und Brauchwassererwärmung werden für den Leistungsbereich bis etwa 25 kW verschiedene technische Konzepte angeboten: Vom kostengünstigen Produkt mit guten Nutzungsgraden und niedrigen Emissionen bis zur perfekten, in jeder Hinsicht optimierten Spitzentechnologie im oberen Preissegment.
| Bild 2: Kompakter Aluminium-Silicium-Wärmetauscher einer Brennwert-Gas-Kombitherme. |
Im Bereich der kostengünstigen "Brennwertthermen" für Einfamilienhäuser und Etagenwohnungen erfolgt die Warmwasserbereitung im Durchflußprinzip, eine für die Einzeldusche oder Wanne im Regelfall ausreichende Versorgung. Um den Brauchwasserkomfort zu erhöhen, werden kleine Heizwasserspeicher mit einem Inhalt von beispielsweise 15 Litern in die Geräte integriert, wie beispielsweise beim Ecotherm Eco von Brötje. Dadurch wird eine schnelle Lieferung von warmem Wasser ohne Zeitverzug, ähnlich wie bei Speicher-Wassererwärmern, möglich (Bild 1). Daneben sind diverse Größen von wandhängenden und bodenstehenden Warmwasserspeichern möglich.
Der Einsatzzweck bestimmt die Gerätekonstruktion
Die Wärmetauscher der Brennwertthermen werden heute vorzugsweise aus einer speziellen Aluminium-Silicium-Legierung mit optimalen Wärmeübertragungseigenschaften hergestellt. Wandheizgeräte erfordern ja schon aus Gründen ihres geringen Platzanspruchs sehr kompakte Wärmetauscher. Diese müssen aber wiederum in einem möglichst breiten Betriebsspektrum der Heizungsanlagen die Kondensation ermöglichen, um damit einen hohen Nutzungsgrad garantieren zu können.
| Bild 3: Wandhängender Gas-Brennwertkessel Ecotherm Plus (rechts) mit nebenhängendem Warmwasserspeicher. |
Wandheizgeräte, die mit den in Bild 2 gezeigten Wärmeaustauschern ausgestattet sind, erreichen Norm-Nutzungsgrade nach DIN von 104%. Auch diese Preisklasse bietet schon geräuscharm arbeitende, schadstoffarme Flächenbrenner mit so geringen Normemissionen, daß die Anforderungen des Umweltzeichens "Blauer Engel" übertroffen werden. Es sind voll ausgestattete, anschlußfertige Funktionseinheiten für alle Gasarten mit integrierter Umwälzpumpe, Umschaltventil für Heizung und Brauchwasser, Druckausdehnungsgefäß und witterungsgeführter, gleitend geregelter Brennermodulation.
Voraussetzung für die Kondensation der Abgase ist im Grundsatz immer eine niedrige Anlagen-Rücklauftemperatur. Diese kann naturgemäß bei Neuanlagen durch eine entsprechende Systemauslegung immer erreicht werden. Bei bestehenden Systemen ergibt sich häufig, auch auf Grund der früher üblichen Überdimensionierung der Heizflächen, die Möglichkeit der sinnvollen Brennwertnutzung, wenn die Geräte so konzipiert sind, daß die Abgastemperatur max. etwa nur 10 K über der Rücklauftemperatur liegt. Ferner muß sichergestellt sein, daß mittels der eingesetzten Brennertechnik ein über die gesamte Kesselbelastung konstant hoher CO2-Gehalt der Abgase vorliegt. Diese Forderung erfüllen heute die in weiten Leistungsbereichen modulierenden Vormischbrenner (Premixbrenner).
Bild 4: Kondensationswärmenutzung des in Bild 3 dargestellten Gas-Brennwertkessels bei tv/tr = 70/50 °C.
Die im Grundsatz günstigste Konzeption für Wandheizkessel mit Brennwertnutzung ist eine vertikale Heizgasführung über spezielle, konstruktiv vergrößerte Oberflächen, parallel zu dem sich bildenden Kondenswasser von oben nach unten. Dabei sollte das kühle Rücklaufwasser der Anlage dort eintreten, wo die niedrigste Abgastemperatur vorliegt und durch Optimierung der internen Wasserführung ein günstiges Verhältnis von Gewicht und Wärmeleistung des Wärmetauschers erreicht wird.
Das wird durch die Stiftung Warentest in "Test 9/96" bestätigt. Der Vergleich zeigt, daß die im Gesamturteil mit "sehr gut" bewerteten wandhängenden Gas-Brennwertgeräte in ihren Marktpreisen nicht höher liegen müssen als normale Gas-Niedertemperatur-Heizkessel.
Nutzungsgrade
Der bei dem in Bild 3 gezeigte wandhängende Gas-Brennwertkessel Ecotherm Plus entstehende Kondensationsnutzen in einem Heizsystem mit einer Auslegungstemperatur von 70/50°C zeigt Bild 4. Bei dieser Auslegung wird in der gesamten Betriebszeit ein Nutzen durch teilweise Abgaskondensation erreicht.
Bild 5: Kondensationserwärmung bei tv/tr = 80/60 °C
In Bild 5 sind die Betriebsphasen mit Kondensation über die Jahresheizarbeit bei einer Systemauslegung 80/60°C wiedergegeben, wie sie für viele Altanlagen zutrifft. Der zeitliche Anteil der Kondensation beträgt hier immerhin noch 96%. Der auf dem Prüfstand nach DIN 4702 Teil 8 für diesen Kessel ermittelte Norm-Nutzungsgrad hN beträgt zwischen 107 und 108% je nach Auslegung der Systemtemperaturen.
Die in modernen Wandheizkesseln eingesetzten schadstoffarmen, keramischen Gas-Flächenbrenner mit niedriger Heizflächenbelastung von 506 kW/m2 haben hohe Standzeiten, und das ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn durch Leistungsmodulation des Brenners lange Betriebszeiten entstehen. Solche elektrisch gezündeten Keramik-Flächenbrenner erreichen heute Norm-Emissionsfaktoren von 11 mg/kWh bei NOx und 5 bis 7 mg/kWh bei CO; Werte, die manchmal schon die Grenze der Nachweismöglichkeit bedeuten. Das über den Brennerregelbereich vorliegende Emissionsverhalten des Keramik-Flächenbrenners geht aus Bild 6 hervor. Dieses Diagramm zeigt, daß gerade im häufig vorkommenden Lastbereich 30 bis 60% besonders niedrige NOx-Werte erreicht werden.
| Bild 6: Emissionsverhalten eines modulierenden Keramik-Gas-Flächenbrenners. |
Obligatorisch für den Betrieb solcher hocheffizienter, energiesparender und umweltfreundlicher Wandheizkessel ist ein in die witterungsgeführte Regelung integrierter Mikroprozessor, der über die Leistungsregelung und mittels einer Gas-Luft-Verbundregelung die Kesselwassertemperatur ausregelt. Der Leistungsbereich der modulierenden Gas-Vormischbrenner beträgt bei nahezu konstantem CO2-Gehalt etwa 1:2,5; d.h. es entstehen lange, dem jeweiligen Bedarf angepaßte Brennerlaufzeiten.
Die Start- und Abschaltemissionen werden durch diese Regeltechnik hier gegenüber anderen Betriebsweisen sehr stark reduziert. Nebenbei werden auch Stillstandsverluste vermieden. Um diese Leistungsregelung auch in der Praxis gut "ausfahren" zu können, ist bei der Festlegung der Kesselgröße auch der jeweilige Nennwärmeleistungsbereich zu beachten. Nicht zuletzt aus diesem Grund werden auch bei diesen relativ kleinen Geräten mehrere Kesselgrößen angeboten.
Wandhängende Gas-Brennwertkessel zeichnen sich auch durch ihre einfache, schnelle Montage, kompakte Abmessung, geringes Gewicht sowie auch durch ein integriertes Regel- und Diagnosesystem aus. Es sind anschlußfertige, wandhängende Units, die schon für mindestens zwei Heizkreise regelungstechnisch vorbereitet sind.
T e x t u n d B i l d e r : August Brötje GmbH, Rastede
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