Wärmeerzeuger

 

Wärmeerzeuger

 

Die häufigsten Wärmeerzeuger sind Verbrennungswärmeerzeuger, vorzugsweise mit Gas oder Öl betrieben, sowie Wärmepumpen.
Fernwärme, Stückholz- oder Pelletverbrennung sind eher weniger vertreten.

 

Verbrennungs - Wärmeerzeuger

 

Wärmeerzeuger

 

achtung
Je größer die Differenz zwischen angebotener, bereitgestellter Leistung im Verhältnis zur tatsächlich benötigten Leistung, je geringer die Energieeffizienz. Je höher die Abgastemperatur und der Abgasmassestrom, je höher sind die Gesamtverluste

 

Daher besitzen Wärmeerzeuger, bei denen die Angebotsleistung dem tatsächlichen Leistungsbedarf möglichst gut angepasst werden kann, größte Bedeutung (Leistungsmodulation).

 

achtung
Je feiner ein Brennstoff dosiert werden kann, je effektiver die Verbrennung.

 

Brennwerteffekt

Grundlagen:
Die Brennwerttechnik ist eine effiziente Technik, Erdgas oder Heizöl durch Verbrennung in Nutzwärme umzuwandeln. Sie folgt dabei wie die Niedertemperaturtechnik dem Gedanken, den Heizkessel nur mit der Temperatur zu betreiben, die zur Deckung des aktuellen Heizwärmebedarfs notwendig ist.
Während bei Niedertemperatur-Heizkesseln ein Kondensieren der Heizgase und damit ein Feuchtwerden der Heizflächen vermieden werden muss, sieht dies bei der Brennwerttechnik anders aus: Hier ist ein Kondensieren der Heizgase ausdrücklich gewünscht, um die im Wasserdampf enthaltene latente Wärmeenergie zusätzlich zur fühlbaren Wärme des Abgases nutzbar zu machen.
Zusätzlich wird die über die Abgasanlage abgeführte Restwärme erheblich reduziert, da die Abgastemperatur
gegenüber Niedertemperatur-Heizkesseln erheblich gesenkt werden kann.
Bei der Verbrennung von Heizöl oder Erdgas, die beide überwiegend aus Verbindungen von Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen, entsteht durch die Reaktion mit dem Luftbestandteil Sauerstoff (O2), Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O).

 

Für Erdgas (Methan CH4 ) lautet die vereinfachte Verbrennungsgleichung:

 

CH4 + 2 O2 -> 2 H2O + CO2 +Wärme

 

Sinkt die Temperatur auf den Wandungen der Wärmeübertragungsflächen auf der Heizgasseite unter die Wasserdampf-Taupunkttemperatur ab, entsteht aus dem Wasserdampf im Heizgas Kondenswasser.

 

Wärmeerzeuger

 

Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen von Erdgas und Heizöl ergeben sich unterschiedliche Wasserdampfkondensationstemperaturen.
Im stöchiometrischen Bereich liegt die Wasserdampf-Taupunkttemperatur für Erdgas bei ca. 57°C, für Heizöl EL bei ca. 47°C.

 

Heizwert und Brennwert

Der Heizwert (Hi ) bezeichnet die Wärmemenge, die bei einer vollständigen Verbrennung frei wird, wenn das dabei entstehende Wasser dampfförmig abgeführt wird.
Der Brennwert (Hs) definiert die bei vollständiger Verbrennung frei werdende Wärmemenge einschließlich der Verdampfungswärme, die im Wasserdampf der Heizgase enthalten ist.

 

Energieträger

Heizwert Hi

kWh/m³

Brennwert Hs

kWh/m³

Hs/Hi

Hs-Hi

kWh/m³

Theoretische

Kondenswasser-

menge/ Brenn-

stoffmenge

l/m³

Stadtgas

4,87

5,48

1,13

0,61

0,89

Erdgas LL

8,83

9,78

1,11

0,95

1,53

Erdgas E

10,35

11,46

1,11

1,11

1,63

Propan

25,8

28,02

1,09

2,22

3,37

Heizöl EL)1

10,08

10,68

1,06

0,6

0,88

)1- Angaben pro l

 

waermeerzeuger4

 

Durch Auffangen der Kondensatmengen lässt sich der reale Brnnwertnutzen im praktischen Betrieb ermitteln.
Der theoretische Brennwerteffekt wird praktisch selten bzw. nur zu Bruchteilen erreicht und meist in seiner Wirkung deutlich überschätzt. Er ist eher ein Werbeargument der Hersteller, um mit theoretischen Wirkungsgraden > 100% plakativ zu werben.
Aus Gründen der Betriebssicherheit dürfen Mindestvorlauftemperaturen zu den Heizflächen nicht unterschritten werden.

 

Stückholzverbrennung

 

Die Energieeffizienz bei Stückholzverbrennung ist physikalisch bedingt gering. Dementsprechend die Umweltbelastungen hoch. Zentrale Verbrennung mit wassergeführter Wärmeverteilung ist nur dann halbwegs wirtschaftlich, wenn der Brennstoff annähernd kostenlos zur Verfügung steht (monovalenter Betrieb).

 

Bivalenter Betrieb als sekundäre, wassergeführte Versorgung ist ebenfalls selten wirtschaftlich, da hier konkurrierende Ansprüche zum primären Wärmeerzeuger auftreten.

 

Bei dezentraler Stückholzverbrennung sind verwendbar:

Kaminöfen
raumluftunabhängige Grundöfen

 

Kaminöfen sind für eine nachhaltige Energieversorgung völlig ungeeignet. Die Heizenergie verschwindet weitestgehend durch den Schornstein. Zudem entstehen häufig Probleme, wenn die Raumheizlast des Aufstellraumes deutlich unter der Nennleistung des Kaminofens liegt (Überhitzung). Ein Umstand, der häufig bei sehr gut gedämmten Neubauten auftritt.

 

Raumluftunabhängige Grundöfen sind deutlich besser geeignet, insbesondere wenn dieser als Raumteiler im EG für verschiedene Funktionsbereiche (Wohnen, Essen, Küche) vorgesehen wird. Hierdurch kann ein großer Bereich des Gebäudeheizenergiebedarfs bedient werden.
Ausreichend bemessene Nachheizflächen nach dem Heizeinsatz sorgen dafür, dass erzeugte Heizenergie weitestgehend genutzt werden kann und nicht durch den Schornstein verschwindet.

 

stueckholzverbrennung1

Die Klappen dienen der Abbrandsteuerung.

stueckholzverbrennung2

 

 

Für einen energieeffizienten Betrieb müssen die Leistung des Kamineinsatzes, Zuluftleitung, Schornstein und Heizflächen vom Planer sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Es sind Eigenleistungen möglich.

 

waermeerzeuger5

 

Hier wird der überwiegende Heizenergiebedarf durch den Grundofen abgedeckt.

 

Wärmepumpen

 

In EFH/ ZFH werden vorzugsweise Kompressionswärmepumpen eingesetzt.

 

Wärmepumpen

 

 Wärmepumpen

 

 Wärmepumpen

 

Der COP ist vergleichbar mit Wirkungsgraden und für energetische Betrachtungen eher weniger von Bedeutung. Wichtiger die JAZ.

Hierfür existieren, je nach Systemgrenzen, unterschiedliche Definitionen. Diese sind bei Vergleichen unbedingt zu beachten.

 

waermepumpen4

 

Die JAZ oder besser die Anlagenaufwandszahl er , sind analog zu den Verbrennungswärmeerzeugern im Praxisbetrieb ermittelbar.
Wärmepumpen arbeiten umso effektiver, je geringer der Temperaturhub zwischen Quelle und Senke ist (Carnot-Prozess). Dementsprechend werden die Heizflächen und die Rohrhydraulik der Anlage dimensioniert.

In EFH/ ZFH kommen überwiegend Solewärmepumpen (SWP) und Luftwärmepumpen (LWP) zum Einsatz.

 

Solewärmepumpen

 

SWP gewinnen die Umweltenergie aus dem Boden (Quelle). Die abgegebene Heizleistung ist nahezu konstant bzw. mit dem Erschöpfungszustand der Quelle (am Ende der Heizperiode) mehr oder weniger leicht abfallend.
Da der Verdampfer nicht abgetaut werden muss (Verlustenergie), sind die JAZ etwas höher als bei LWP, obwohl die Quellentemperatur mitunter niedriger liegt (Heizbetrieb).
SWP eignen sich besonders bei hohem Heizenergiebedarf. Nachteil ist der hohe Aufwand für die Quellenerschließung.

 

Während bei LWP geräteseitig die Kennlinien von größter Bedeutung sind, stellt bei SWP die Quellenauslegung das kritische Moment dar.
Hier kommen vertikale oder horizontale Sonden zum Einsatz.
Es ist ein Frostschutzmittel als Schutz gegen Einfrieren erforderlich. Wodurch Genehmigungen hierfür nicht immer von den Unteren Wasserbehörden erteilt werden. Betriebserlaubnisse werden zunehmend nur noch befristet erteilt (Planungssicherheit).

 

Solarwärmepumpen

 

Für U-Rohrsonden existieren unterschiedliche Konstruktionen (einfach, doppelt, vierfach, koaxial..).
Je nach Notwendigkeit (Bedarf), Wärmeleitfähigkeit des Bodens, sind differenzierte Bohrtiefen, Anzahl der Sonden (Hydraulik) erforderlich.
Eigenleistungsanteile sind hier weitestgehend nicht möglich.
Wichtig z.B. Bohrlochverpressung mit Material >= 2 W/mK von unten nach oben, insbesondere bei wenig ertragreichen Bodenparametern!
Der „Wärmegewinn" erfolgt hier über die Bohrtiefe ausgleichend.
Spiralkollektoren werden auch als vorgefertigte „Erdwärmekörbe" mit dichter Rohrpackung angeboten.
Der Grundsatz „Viel Boden und wenig Rohr" ist hier nicht unbedingt eingehalten. Der konzentrierte Energieentzug kann schnell zum Vereisen und Erschöpfung der Quelle führen.

 

Horizontale Sonden sind insbesondere bei mittleren Klimaten zu bevorzugen, da hier eine Regeneration der oberflächennahen Quelle in gewissem Umfang möglich ist.
Hierzu muss allerdings, den Notwendigkeiten entsprechend, entsprechende Fläche zur Verfügung stehen.
Hier sind oftmals Eigenleistungen möglich.

 

 Solarwärmepumpen

 

Der Wärmegewinn erfolgt seriell/ Sondenkreis. Daher ermüden Grabenkollektoren schneller (Vereisung), als z.B. Vertikalbohrungen. Eine Verbesserung der Wärmeübertragung des einzelnen Sondenrohrs ist hier nicht möglich. Vereisen ist kritisch zu bewerten, da durch die Volumenänderungsarbeit der Kontakt zwischen Sondenrohr und Boden sich zunehmend verschlechtern kann, wodurch die Wärmeübertragung mit fortschreitender Betriebsdauer leidet.

 

Die jeweiligen Quellenkreisläufe müssen hydraulisch abgeglichen und hinreichend bemessen sein (erforderlicher Massestrom).
Schmale Grabenkollektoren sind effektiver, als z.B. Slinky Varianten, insbesondere, wenn dort mehrere Kreise gestaffelt übereinander liegen.

 

Bei SWP spielt der Aufwand für die Quellenerschließung eine erhebliche Rolle. Sole-Quellen lassen sich nur nach Kenntnis der tatsächlichen Entzugsenergie, -leistung, Bodenparameter sinnvoll, hinreichend dimensionieren (Heizbetrieb und/oder WW-Bereitung). Einsparungen (Unterdimensionierung der Quelle) wirken sich hier erheblich negativ auf die tatsächlich erreichbare JAZ aus (Energieeffizienz, Verbrauchskosten).

Die Quellenauslegung muss zum Bedarf des Gebäudes passen. Gleiches gilt für die SWP. Die benötigte Entzugsleistung und -energie muss mit der Leistungsfähigkeit der Sonde harmonisieren.

 

Solarwärmepumpen

 

Eine Überdimensionierung der SWP (Kälteleistung) im Verhältnis zu einer bedarfsgerecht dimensionierten Quelle, führt zur Reduzierung des nutzbaren Quellenpotenzials.
Die Quelle wird überlastet (vorzeitige Ermüdung). Gleichzeitig tritt übermäßiges Takten (ON/OFF) bei den meist nicht modulierenden SWP auf.

 

Slinky Grabenkollektoren können schneller, als z.B. schmale Grabenkollektoren, erschöpfen. Ermüdungs-erscheinungen stellen sich nicht urplötzlich, sondern meist schleichend, erst nach einem Belastungszeitraum von mehreren Jahren heraus (Jan, Feb, März des Folgejahres).
Bei Grabenkollektoren ist daher der lagenweise Bodenverdichtung und/oder Einschlämmung nach Einbringung, erhebliche Aufmerksamkeit zu widmen.

 

Ein Heizstab ist hier für den Normalbetrieb nicht erforderlich.

 

Besonderheit Haus- bzw Estrichtrocknung vor Einzug:

Durch den überproportionalen Energieentzug wird die Quelle teilweise überlastet. Besonders bei horizontalen Erdwärmesonden und Trocknung unmittelbar vor einer nachfolgenden Heizperiode sollte hier, um die Quelle zu schonen, nur für diese Zeit ein Heizstab und/oder Bauwerkstrockner ergänzend verwendet werden.

 

Luftwärmepumpen

 

Luftwärmepumpen (LWP) verwenden Außen-, Abluft oder eine Kombination als Quelle. Es ist kein zusätzlicher Aufwand für die Quellenerschließung erforderlich!

 

Abluftwärmepumpen (AWP) sind nur für Gebäude mit extrem niedrigem Heizenergiebedarf, wie z.B. Passivhäuser an milden Klimastandorten geeignet.
Das Energiepotenzial der Abluft ist deutlich gering. Die Heizwärmezuführung zu den Gebäuderäumen erfolgt luftgeführt in Kombination mit einer Kontrollierten Wohnraumlüftung (KWL).

 

LWP, die Außenluft als Energiequelle verwenden, sind genau genommen, zu Heizzwecken „missbrauchte" Klimageräte, was ihre Eignung spezifiziert.
Zudem vereisen, bei Verwendung von Außenluft als Quelle, die Verdampfer je nach Außenluftfeuchte in bestimmten Temperaturbereichen. Der Verdampfer muss abgetaut werden. Die hierfür benötigte Energie geht den Heizflächen verloren. Daher ist die JAZ von LWP etwas geringer im Vergleich zu Solewärmepumpen.
Das Abtauen erfolgt überwiegend durch Prozessumkehr.
LWP besitzen eine Besonderheit. Mit fallender Außentemperatur fällt die Heizleistung und der COP, während der Heizleistungsbedarf jedoch steigt.
Unterhalb des Bivalenzpunktes reicht die Heizleistung der LWP nicht mehr aus, um den Heizleistungsbedarf vollständig zu decken. Hier muss dann ein Heizstab die Leistungsdefizite anteilig ausgleichen.

 

Luftwärmepumpen

 

Deutlich erkennbar, dass Heizleistungsbedarf und Leistungsangebot gegensätzlich verlaufen, was zwangsläufig zu Defiziten hinsichtlich der Energieeffizienz führt (Abtauenergie, Takten).
Daher wurde die Entwicklung modulierender LWP dringend erforderlich.

 

Luftwärmepumpen

 

Luftwärmepumpen

 

 Luftwaermepumpen

 

Es wird der erhebliche Vorteil der Vollmodulation erkennbar, der insbesondere bei Splitt-Geräten wirksam wird.

 

Luftwaermepumpen

 

Neben dem Bivalenzpunkt, ist die gesamte COP Kennlinie von Bedeutung.

 

Luftwaermepumpen

 

achtung
LWP lassen sich sinnvoll nur dann auswählen, wenn die kompletten Heizleistungs- und
COP-Kennlinien des gesamten Arbeitsbereiches in Abhängigkeit von der Außen- und Vorlauftemperatur bekannt sind! Dabei ist zu beachten, dass die eventuell notwendigen Leistungsanteile eines Heizstabes dort nicht berücksichtigt werden

Die von Herstellern in Datenblättern verwendeten Triple-Punktangaben, sind allein nicht ausreichend.

 

achtung
LWP werden sinnvoll bivalent (parallel) mit einem Heizstab so ausgelegt (ausgewählt), dass der helfende Energieanteil des Heizstabes (Bivalenzpunkt) bei tiefen Außentemperaturen <= 1% des Jahresheizenergiebedarfs beträgt!
Eine 100% tige Leistungsauslegung (Heizlast) ist energetisch und wirtschaftlich unsinnig.

 

luftwaermepumpen7

 

Die Arbeitszahl bzw. JAZ ist vom jährlichen Außentemperaturverlauf abhängig.
Dabei auffällig die Differenzen zur JAZ nach VDI 4650.

 

achtung
Luftwärmepumpen sind die sensibelsten Wärmeerzeuger. Ohne exakte Planung und Dimensionierung, sind niedrige Anlagenaufwandszahlen bzw. hohe JAZ nicht erreichbar. Hierbei ist insbesondere die Historie des Außentemperaturverlaufs von Bedeutung.