Brennwertkessel

Brennwertkessel

Ein Brennwertkessel ist ein Heizkessel für Warmwasserheizungen, der den Energieinhalt (Brennwert) des eingesetzten Brennstoffes nahezu vollständig nutzt. Brennwertkessel nutzen auch die Kondensationswärme (= latente Wärme) des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes (und in geringerem Maße sonstiger Dämpfe) zur Wärmebereitstellung, anders als konventionelle Kessel, bei denen beim Verbrennen von Gas ein sogenannter latenter Abgasverlust von etwa 11 Prozent entsteht, beim Verbrennen von Heizöl EL etwa 6 Prozent.

Herkunft des Wasserdampfes

Der Wasserdampf im Abgas stammt entweder

• aus den Wasserstoffatomen von Kohlenwasserstoffen und sonstigen organischen Verbindungen, die bei der Verbrennung (Oxidation) mit Sauerstoff zu H₂O reagieren;
• oder aus der Produktfeuchte der Brennstoffe (beispielsweise Erdöl, Palmöl, Erdgas, Biogas, Stückholz, Holzpellets, Kohle, frisch gelöschter Koks, Getreide (siehe Getreideverbrennung) Altbrot, sonstige Biomasse), wobei derzeit im Kleinfeuerungsbereich vor allem nur Brennwertkessel für Gasheizung, Ölheizung und Pelletheizung am Markt zu finden sind.

Je höher der Wasserstoffanteil eines Brennstoffes ist, desto höher ist die Menge an Wasserdampf, die nach der Verbrennung des Brennstoffes im Abgas enthalten ist. Insbesondere bei solchen Brennstoffen ist es also möglich, die im Abgas enthaltene Kondensationswärme zu nutzen. Brennwertkessel vermögen entsprechend ihrer Qualität und abhängig von den Betriebsbedingungen einen mehr oder weniger großen Anteil der Kondensationswärme zu nutzen.

Bei der Verbrennung von Methan entstehen aus einem Molekül CH₄ ein Molekül CO₂ und 2 Moleküle H₂O, aus einem Mol (rund 16 g) CH₄ entstehen somit zwei Mol (rund 36 g) H₂O, also ungefähr die 2,25fache Masse an Wasser(dampf). Die Feuchte in Erdgas ist dabei vernachlässigbar, die Feuchte in festen Brennstoffen nicht unbedingt. Die Hauptwassermenge entsteht durch die Verbrennung (Oxidation) der Wasserstoffatome des Brennstoffs. Bei der Verbrennung langkettigerer (meist flüssiger) Kohlenwasserstoffe (am Beispiel Oktan C₈H₁₈ ersichtlich) ist das Verhältnis der Wärmeenergie liefernden Kohlenstoffatome zu den Wasserdampf ergebenden Wasserstoffatomen erhöht, so dass entsprechend weniger Wasserdampf (pro Masse) entsteht. Dies ist der Grund dafür, dass Heizöl-Brennwertkessel weniger Kondensat oder Brennwerteffekt bezogen auf den Heizwert liefern als Erdgas-Brennwertkessel.

Der Wassergehalt ist auch die Ursache, warum grünes frischgeschlägertes Holz einen geringeren Heizwert hat als getrocknetes Holz, da viel Wärmeenergie im entstehenden Wasserdampf gebunden wird. Mit Brennwerttechnik könnte auch feuchteres Holz effizient verbrannt werden, wenn nicht die wärmezehrende Trocknung des Holzes im Ofen die Temperatur der Verbrennung und des entstehenden Brenngases herabsetzen würde. Das könnte zu unvollständiger Verbrennung und zu vermehrten Problemen mit den Kondensaten (siehe ⁂Kondensate, Versottung des Schornsteins) führen.

Geschichte

Die ersten Brennwertkessel wurden von Richard Vetter entwickelt (1982 für Gas serienreif, 1984 für Öl) und sind mittlerweile Standard, wenn ein neuer Heizkessel eingebaut werden soll.

Die Gas-Voll-Brennwertkesseltechnik gilt seit Beginn der 1990er Jahre als Stand der Technik. Die Öl-Brennwerttechnik hat sich seit Mitte der 90er Jahre durchgesetzt. Dabei waren es zunächst eher kleinere Unternehmen wie Bomat oder ROTEX, die auf die Brennwerttechnik setzten. Die Branchengrößen wie Viessmann und Buderus zogen erst nach, als am Markt immer mehr Öl-Brennwerttechnik verlangt wurde. Der erste serienmäßig hergestellte Gas-Brennwertkessel Serie FSM-RK wurde 1978 vom Gaswärmeinstitut in Essen (Herr Jannemann, heute DVGW) geprüft und zugelassen. Der Leistungsbereich war 130–1000 kW. Der erste Brennwertkessel „mit Gasbrenner ohne Gebläse“ wurde 1980 von der Gasgerätegesellschaft (GGG) aus Bochum auf der Internationalen Sanitär- und Heizungsmesse (Frankfurt am Main) vorgestellt. Der Leistungsbereich war 8–20 kW.

Technik

Die Nutzung der Kondensationswärme des Wasserdampfs im Abgas verbessert den feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Das reduziert den Verbrauch fossiler (= endlicher) Brennstoffe (Stichwort „Energiesparen“) und den Ausstoß von CO₂, säurebildenden Gasen und sonstigen kondensierbaren Verbindungen (s. u.).

Das bei der Verbrennung anfallende Kondensat ist sauer und greift deshalb unedle Werkstoffe an. Früher verwendete Kesselmaterialien und Kaminrohre waren hierfür nicht korrosionsfest genug. Durch die Kesselkonstruktion und durch hohe Betriebstemperaturen (>70 °C) wurde die Kondensation im Kessel deshalb absichtlich verhindert (um die Kondensatbildung (Versotten) im Abzug zu verhindern, war man bestrebt, die Abgastemperatur von rund 120 °C nicht zu unterschreiten).

Da die abgekühlten Rauchgase aus Brennwertfeuerungen nicht mehr den Schornstein erwärmen, sondern deren kondensierbare Bestandteile am „kalten“ Kamin (der wie ein Durchlaufkühler wirkt) kondensieren, muss bei Einbau eines Brennwertkessels ein alter Kamin umgebaut werden. Dazu wird ein säurebeständiges Rohr mit nichtsaugender, nichtporöser Oberfläche (aus temperaturbeständigem Polypropylen-S bis 120 °C, PTFE bis 160 °C oder ein druckdichtes Edelstahlrohr) in den Kamin eingezogen, durch das die Abgase nach außen geleitet werden. Bei Neubauten werden auch Kaminrohre mit säurefester Keramikbeschichtung verwendet. Wird dieses Rohr bei alten Kaminen nicht eingebaut, durchfeuchtet der Schornstein. Das kann gravierende Schäden am Mauerwerk nach sich ziehen.

An der Innenwand des dichten Rohres laufen die Kondensate des Abgases nach unten zurück und werden mitsamt dem Kondensat aus dem Wärmetauscher abgeleitet. Die enthaltene Säure kann durch geeignete Einrichtungen neutralisiert werden und das gesamte Kondensat kann dann im Rahmen der gesetzlichen Vorschriften in die Kanalisation oder in Vorfluter (Gewässer) geleitet oder sonstwie gesammelt werden.

So wird neben der Brennwertnutzung noch zusätzlich verhindert, dass kondensierbare Verbindungen und mit dem Kondensat abscheidbare Stäube die Luft verschmutzen und die sauren Bestandteile in die Atmosphäre gelangen und als saurer Regen niedergehen.

Bei Heizsystemen mit höherer Rücklauftemperatur (Heizkörperanlagen) wird der Brennwerteffekt eines installierten Brennwertkessels nicht ausgenutzt, da die Rauchgase nicht tief genug abgekühlt werden können. Abhilfe schaffen

• ein Luft-Abgas-System (auch LAS-Rohr oder LAS-Kaminsystem genannt), bei dem die zur Verbrennung nötige angesaugte Frischluft im Gegenstrom durch die ausströmenden Rauchgase erhitzt wird. Die warmen Abgase werden durch das innere Rohr eines Rohr-in-Rohr-Systems abgeführt, dabei wird Wärme an die kältere, durch das äußere Rohr des LAS-Systems zum Brenner geführte, Zuluft abgegeben. Den Abgasen wird auch hier durch Wärmeaustausch oder nach Kondensation des Wasserdampfs Energie entzogen. Dadurch kann auch noch bei Rücklauftemperaturen oberhalb des Taupunktes des jeweiligen Brennstoffes (bei Gas etwa 57 °C, bei Öl etwa 48 °C) Kondensationswärme genutzt werden und wird ein Brennwertbetrieb ermöglicht. Das im Kaminrohr rücklaufende Kondensat wird im Heizgerät über den Wärmetauscher geleitet und kann seine Wärme dort auch abgeben. Solche Wärmetauscher werden aus hochtemperaturbeständigem Polypropylen, Edelstahl, Teflon oder anderen Werkstoffen hergestellt, wobei die Systeme üblicherweise eine Zulassungsbewilligung benötigen.
• die oben erwähnten Voll-Brennwertkessel, bei denen die Luftvorwärmung nicht wie beim LAS-System im Kamin sondern bereits im Heizkessel erfolgt,
• oder dem Heizungsrücklauf nachgeschaltete Niedertemperaturheizungssysteme oder Rohrschlangen mit großem Innendurchmesser, durch die der gesamte Rücklauf fließt und dort genau die Wärme abgibt, die sonst ungenutzt über die zu wenig gekühlten Rauchgase in den Kamin gelangt. So ein Restheizsystem wird zweckmäßigerweise in ansonsten ungeheizt bleibenden kalten Räumen verlegt. Damit kann dann auch ein Keller, ein Stiegenhaus oder die Frischluftzufuhr geheizt oder ein Wintergarten (siehe dort) oder die Garage frostfrei gehalten werden.

Die Systeme, bei denen die Frischluft erwärmt wird, sparen die ungenutzt bleibende Wärmeenergie; Systeme, die damit kalte Räume heizen, verwenden diese latente Wärmeenergie.

Das Abgas kann maximal so weit heruntergekühlt werden, wie es der Temperatur des kältesten Mediums im gesamten Wärmetauschprozess entspricht.

• Außerhalb der Heizperiode im Sommer wird das kälteste Medium der Trinkwasserzulauf sein (beim Abzapfen von erwärmtem Trinkwasser die Temperatur des nachströmenden kalten Leitungswassers (das das zirkulierende Kesselwasser abkühlt) bzw. das zirkulierende Kesselwasser selbst,
• bei geringen Vorlauftemperaturen (bei Niedertemperatur-Heizsystemen oder in der Übergangszeit (Frühling und Herbst), wenn die Heizung mit wenig Leistung bzw. geringen Vorlauftemperaturen in Teillast betrieben wird), entweder der Heizungsrücklauf (u.U. mit der sich einstellenden Temperatur eines nachgeschaltet beheizten, ansonsten kühlen Raumes) oder die Frischluft oder der gelegentliche Trinkwasserzulauf
• bei hohen Rücklauftemperaturen (bei Hochtemperatur-Heizsystemen oder im kalten Winter, wenn die hohen Vorlauftemperaturen (damit viel Wärme in den schnell auskühlenden Räumen ankommt) oder abgedrehte Heizkörper mitunter hohe Rücklauftemperaturen nach sich ziehen) am ehesten die kalte Frischluft oder (bei der im Vergleich zum Heizaufwand eher geringen Heisswasserentnahme) der Trinkwasserzulauf.
• aufgrund der nachgeschalteten Heizungsanlage
  • bei zu häufig auftretendem Nachheizen eines abgekühlten Pufferspeichers (bei geringer Temperaturspreizung ) kann das zirkulierende Kesselwasser erhöhte Temperatur haben.
  • bei fehlendem hydraulischen Abgleich der Heizkörper kann der Heizungsrücklauf erhöhte Temperatur haben

Dementsprechend kann der Brennwerteffekt nicht zu jeder Jahreszeit maximal genutzt werden, angepriesene „phänomenale Einsparungseffekte“ sind daher zu relativieren.

Niedertemperatur-Heizsysteme (Fußbodenheizung, Wandheizung, Heizleisten, etc.) werden von vornherein schon mit niedriger Rücklauftemperatur unterhalb des Taupunkts betrieben. Der Energiegewinn bei Aufrüstung von einem normalen Brennwertgerät auf ein Voll-Brennwertgerät oder LAS-System ist daher bei Niedertemperatur-Heizsystemen eher minimal, da damit nur die geringen Energiegehalte (weil Gase eine schlechte Wärmekapazität haben) des schon weit abgekühlten Abgases genutzt werden können. Die Wirtschaftlichkeit dieses Upgradens sollte vom Hersteller geprüft bzw. nachgewiesen sein. Denn der finanzielle Aufwand, um die letzte Wärme des Abgases auszunutzen, amortisiert sich möglicherweise erst nach langer Zeit, so dass das dafür nötige Kapital besser in effizienteren Energiesparformen aufgehoben ist, wo es sich schneller amortisiert.

Abgasanlage

Abgasanlage eines Brennwertkessels

Wegen der niedrigen Abgastemperaturen und dem damit verbundenen geringen Auftrieb des Abgases bei atmosphärischen Brennern haben viele Brennwertgeräte einen Abgasventilator (Saugzug) eingebaut. Dieser soll den sicheren Abzug des Abgases gewährleisten, diese Anlage muss ebenso feuchte- wie säureunempfindlich sein.

Es gibt Einbausituationen und Einbauorte, bei denen so wenig Gegendruck auf den Kamin vorhanden ist, dass die Brennwertheizkessel auch ohne Abgasgebläse funktionieren. Deshalb bieten einige Hersteller auch Geräte ohne Abgasgebläse an.

Last- und rücklauftemperaturunabhängige Brennwertkessel

Vetter hatte die Idee, den im Abgas enthaltenen Wasserdampf in einem separaten Kunststoffwärmeübertrager kondensieren zu lassen. Voraussetzung dafür ist, dass die Abgase bereits auf rund 65 °C abgekühlt wurden (sonst verformt sich der Kunststoff).

Im Kunststoffwärmeübertrager werden dann die Abgase weiter abgekühlt und so für die Kondensation nötigen Temperaturen von 57 °C (bei Gasbetrieb) bzw. 47 °C (bei Ölbetrieb) unterschritten.

Die für den Verbrennungsvorgang benötigte Frischluft kühlt auf ihrem Weg zum Brenner den Wärmetauscher und erwärmt sich. Die Wärmeenergie wird auf diese Weise im System zurückgehalten und geht nicht mit dem Abgas verloren. Je kälter die einströmende Frischluft ist (z. B. im Winter), desto besser wird der Wirkungsgrad, denn dann werden die Abgase stärker abgekühlt.

Da der Kunststoffwärmeübertrager unempfindlich gegenüber der im Kondensat enthaltenen Schwefelsäure ist, spielt der im Brennstoff enthaltene Schwefelanteil keine Rolle. Öl-Brennwertheizungen können deshalb auch schwefelhaltige Heizöle verfeuern.

Durch diese Anordnung ist bei diesen Kesseln der Brennwert weder last- noch rücklauftemperaturabhängig. Solche Kessel können auch da eingesetzt werden, wo Vor- und Rücklauftemperaturen zwischen 90 °C und 60 °C liegen müssen. Man nennt sie Hochtemperatur-Brennwertkessel bzw. „Voll-Brennwertkessel“.

Last- und rücklauftemperaturabhängige Brennwertkessel

Andere Konstrukteure haben die Idee aufgegriffen, nutzen dazu aber andere Möglichkeiten. Bei ihnen wird mit den Abgasen nicht die zur Verbrennung benötigte Frischluft erwärmt. Stattdessen wird die aus der Kondensation zur Verfügung stehende Energie direkt dem Heizungswasser übertragen.

Die Brennwertnutzung wird dadurch erreicht, dass Rücklauftemperatur (= die Eintrittstemperatur des Heizungswassers in den Heizkessel) so weit abgesenkt wird, dass der Taupunkt des Abgases an den Wärmeübertragerflächen unterschritten wird.

Dies kann je nach Konstruktion im Kessel selbst oder auch in einem separaten und nachgeschalteten Wärmeübertrager geschehen. Der Kessel (bei interner Kondensation) bzw. der Wärmeübertrager (bei nachgeschalteter Kondensation) müssen wegen des dabei entstehenden Kondensates möglichst säureresistent sein.

Durch diese Anordnung ist der Brennwert last- und rücklauftemperaturabhängig. Diese Geräte sollten deshalb in Anlagen eingesetzt werden, wo Rücklauftemperaturen niedrig sind, z. B. bei Fußbodenheizungen (< 30 °C) oder die Dauerkondensationstemperatur hoch ist (bei Gas als Brennstoff z. B. 57 °C). Im Regelfall findet hier nur eine Teilkondensation statt, da zwar die Rücklauftemperatur unter dem Taupunkt liegt, die Abgastemperatur aber darüber. Man spricht hier von einem Niedrigtemperatur-Brennwertkessel.

Notwendige Änderungen/Voraussetzungen an Heizungsanlagen

Prinzipiell können Brennwertgeräte in jeder Heizungsanlage eingesetzt werden. Allerdings muss die Ableitung des Kondensats sichergestellt sein, d. h. der Kessel muss mit dem Abwasser-Abfluss verbunden werden. Eine manuelle Entleerung ist aufgrund der anfallenden Wassermenge nicht praktikabel - auch nicht bei Einfamilienhäusern. Das Kondensat darf in den meisten Fällen ohne Neutralisation nur in den Abfluss geleitet werden.

Bei den Hochtemperatur-Brennwertkesseln (siehe oben) ist der Brennwert nicht last- oder rücklauftemperaturabhängig. Es gibt hier deshalb keine Einschränkungen, weder für Fußboden- noch andere Heizungen.

Bei den Niedrigtemperatur-Brennwertkesseln ist der Brennwert last- und rücklauftemperaturabhängig, zu hohe Rücklauftemperaturen vernichten den Brennwerteffekt. Damit erhöhen niedrige Rücklauftemperaturen dort die Effektivität. Eine Kombination mit entsprechend groß dimensionierten Heizflächen, z. B. Fußbodenheizungen, ist daher sinnvoll, jedoch nicht zwingend. In der Regel sind die vorhandenen Heizkörper nach Modernisierungsmaßnahmen am Gebäude (z. B. Fensteraustausch) groß genug dimensioniert, dass sie ausreichend geringe Rücklauftemperaturen haben. Die Wärmeleistung, die ein Heizkörper an den Raum abgeben muss, sinkt zudem drastisch bei ansteigenden Außentemperaturen. Je weniger Heizwärme vom Heizkörper abgegeben werden muss, desto höher ist die Rücklauftemperatur des Heizkörpers.

Hydraulischer Abgleich

Wichtig ist es auch, in der Heizungsanlage einen hydraulischen Abgleich durchzuführen. Hierbei wird für jeden Heizkörper die Durchlaufmenge des Heizwassers auf die Menge begrenzt, welche zur Erreichung der Heizleistung notwendig ist. Nur so ist sichergestellt, dass ein nah an der Heizungsanlage montierter Heizkörper, von dem warmes Rücklaufwasser zurückfließt, nicht die Rücklauftemperatur anhebt und damit den Brennwerteffekt vernichtet. Eine Studie der Verbraucherzentrale weist nach, dass bei der Mehrzahl der Heizungsanlagen kein hydraulischer Abgleich durchgeführt wurde und in diesen Anlagen kein zufriedenstellender Brennwerteffekt erzielt wird.

Einflüsse auf die Rücklauftemperatur

Sogenannte Überströmventile, die oft direkt nach der Umwälzpumpe zwischen Vor- und Rücklauf (bei Wandgeräten auch in das Gerät integriert) eingebaut sind, öffnen sich im Teillastbetrieb zum Druckabbau. Das passiert, wenn aufgrund schließender Thermostatventile zu wenig Wasser durch das Heizsystem gepumpt wird und in der Folge im Heizkessel zu wenig Wärme abgeführt wird und sich der Kessel überhitzt (der Kesselvolumenstrom kleiner ist als der Auslegungsvolumenstrom). Diese Überströmventile öffnen sich dann, um die Pumpe zu entlasten oder um eine vom Kessel benötigte Mindestumlaufwassermenge sicherzustellen, und heben dabei die Rücklauftemperatur an (Rücklaufanhebung). Letzteres gilt auch für 4-Wege-Mischer.

Sowohl Überströmventile als auch 4-Wege-Mischer sollten bei Einsatz von Brennwertkesseln stillgelegt oder ausgebaut werden, damit die Rücklauftemperatur am Kessel so niedrig wie möglich ist. Insbesondere Wandgeräte weisen aber oft so geringe Kesselwasserinhalte auf, dass zum Schutz der Wärmeübertragerflächen vor einer thermischen Überbelastung eine gewisse Mindestumlaufwassermenge durch Überströmventile sichergestellt werden muss. Die Mindestumlaufwassermenge soll möglichst klein sein.

Manche Hersteller verstehen unter Anhebung der Rücklauftemperatur, dass nur die Temperatur des Kesselwassers im heißesten Teil des Wärmetauschers angehoben wird, damit (wenn nach einem Brennerstillstand der wasserdurchflossene Wärmetauscher auf die zu kalte Rücklauftemperatur abgekühlt wird) in diesem Teilstück keine Wasserdampfkondensation stattfindet (die zu Korrosion, erheblicher Glanzrußbildung an den Tauscherflächen und zum Totalschaden am Wärmetauscher führen könnte) und in diesem Teilbereich des Wärmetauschers nur Abkühlung oberhalb des Taupunkts stattfindet, für die Abkühlung unter den Taupunkt ist dann ein „nachgeschalteter“ korrosionsfesterer Abschnitt des Wärmetauschers vorgesehen.

Die Probleme mit Überströmventilen entfallen beim Anschluss des Kessels über eine hydraulische Weiche. Beim Einsatz einer hydraulischen Weiche ist darauf zu achten, dass der kesselseitige Volumenstrom den heizkreisseitigen Volumenstrom in der hydraulischen Weiche nicht überschreitet. Andernfalls würde heißes Vorlaufwasser dem Rücklauf zum Kessel wieder beigemischt werden und dessen Temperatur anheben, was den Brennwerteffekt verringern oder sogar zunichtemachen würde. Der kesselseitige Volumenstrom sollte daher 10 bis 30 % niedriger als der heizkreisseitige Volumenstrom eingestellt werden. Die hydraulische Weiche erhöht oft die Verbrauchskosten.

Ein Austausch einer Standardumwälzpumpe gegen eine selbstregelnde Umwälzpumpe begrenzt den Pumpendruck und führt zu einer Stromeinsparung, da die Pumpe ihre elektrische Leistung je nach Bedarf selbst regelt. Pfeifgeräusche an den Ventilen durch zu hohen Druck werden vermieden. Ist kein Pufferspeicher und nur ein Wärmeerzeuger mit wenig Wasserinhalt installiert (z. B. Gas-Brennwerttherme), ist es noch besser, die Pumpenleistung während der Stillstandszeiten des Brenners zu reduzieren, damit keine Wärmeenergie von den Heizkörpern wegtransportiert wird.

Wird ein Brennwertkessel „unsachgemäß betrieben“ (beispielsweise durch Anschluß an kein Niedertemperaturheizsystem oder wenn die Rücklauftemperatur immer zu hoch ist), kann mitunter die Garantie für den gesamten Heizkessel entfallen (nachzulesen in den Garantiebestimmungen des Anbieters). Dies kommt eher bei Pellets-Brennwertkesseln vor, denn der bei diesem Brennstoff entstehende Feinstaub besteht neben Ruß aus mineralischen Salzen, die im Bereich des Wärmetauschers kondensieren oder rekombinieren und sich abscheiden und dort vom zugleich auftretenden Wasserdampfkondensat gelöst und abgewaschen werden; tritt wegen zu hoher Rücklauftemperaturen keine Dampfkondensation ein, so verbacken diese Salze, vermindern den Wärmeübergang in den Wärmetauscher und verstopfen die Abgaskanäle.

Brennwertkessel mit Modulation der Leistung

Moderne Brennwertkessel verfügen über Brenner und Pumpen, die die Leistung an die gerade nötige Heizlast anpassen. In der Übergangszeit im Frühling oder Herbst oder wenn nur Warmwasser erzeugt werden soll, kann die Heizlast variieren. Vermag ein Gerät die Leistung zu modulieren, so wird kurze Taktung mit zu häufigen Ein- und Ausschaltvorgängen und zu häufigen Brennerstarts (die zu Mehrverbrauch führen können) vermieden.

Abgaswärmetauscher zum Nachrüsten

Abhilfe bei biogenen Brennstoffen kann nur eine intensiver optimierte Verbrennung durch Vortrocknung des Holzes im Heizkessel etwa wie bei der Sturzbrandtechnik schaffen. Da noch kaum Sturzbrandöfen mit eingebauter Brennwertnutzung am Markt sind, kann der Brennwert des Holzes dabei nur mit einem erhältlichen nachgeschalteten externen Abgaswärmetauscher zum Nachrüsten genutzt werden.

Mit so einem Brennwert-Wärmetauscher (eventuell in Verbindung mit einem Feinstaubfilter oder dann nötigen Abgaszuggebläse) kann jeder beliebige alte Heizkessel, Kaminofen oder holzverbrennende Küchenherd nachgerüstet werden, sofern dann auch der Kamin (als „Nasskamin“) angepasst wird. Die neue Generation der Heizkessel verfügt aber über verbesserte Regelung und Modulation der Leistung, bessere Brennstoffausnutzung und geringere Wärmekapazität der Kesselmaterialien (was geringere Auskühlverluste bei Brennerstillstand zur Folge hat), darum ist ein Ersatz durch ein neues Fabrikat mitunter energetisch sinnvoller.

Wenn biogene Materialien ungenügend verbrannt werden, entstehen viele verschiedene Substanzen, die sich teilweise im Kondensat niederschlagen. Das heißt: die Flächen, auf denen sich das Kondensat niederschlägt - zum Beispiel an der Innenseite des Schornsteins - werden von einer klebrigen, zähen (wärmedämmenden) Schicht bedeckt. Wärmetauscher sollten daher für die Reinigung gut zugänglich sein, filigrane Wärmetauscher lassen sich deshalb hinter Kaminöfen nicht einsetzen.

Kondensate

Kondensatstoffe im Abgas

Je nach Brennstoffart, Verbrennungstemperaturen, Sauerstoffanteil und sonstiger Faktoren entstehen bei einer Verbrennung unterschiedliche Substanzen, die sich zusätzlich zum Wasser nach einer Kondensation im Kondensat gelöst oder ungelöst finden lassen.

Schwefel und Schwefelverbindungen im Brennstoff reagieren hauptsächlich zu Schwefeldioxid, das durch weitere Reaktion mit Wasser zu Schwefliger Säure umgesetzt werden kann.

Luftsauerstoff reagiert bei erhöhten Temperaturen mit Stickstoff (aus der Luft oder dem Brennstoff) zu thermischen und Brennstoff-Stickoxiden (NO_x), die wiederum zu Salpetriger Säure, Salpetersäure, Blausäure, u.a.m. weiterreagieren oder rekombinieren können.

Kondensate bei der Verbrennung von biogenen Stoffen

Bei Ausgasung (Vergasung) durch Erhitzung des Brennstoffs, unvollständiger Verbrennung und nachfolgender Kondensation können auch flüchtige organische Verbindungen (wie Fettsäuren, Alkohole, Terpene, Kohlenwasserstoffe etc.) kondensieren.

Im Kondensat findet man ebenso leicht verdampfbare Stoffe wie Quecksilber und Cadmium und sonstige Schwermetalle wie Kupfer, Chrom, Nickel, Blei, Zink, wie auch Chloride, Nitride, Nitrate und Sulfate als lösliche und unlösliche Stäube.

Ebenso sind Pyrolyse-Rekombinationsprodukte wie Teer, Kohlenwasserstoffe, Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe und Dioxine oder auch Flugasche und Ruß nachweisbar.

Das Kondensat von Holzvergasern und Pelletsheizungen weist einen größeren Anteil von unverbrannten Harzen, Teeren, Fettsäuren und sonstigen flüchtigen Kohlenwasserstoffen auf, die einerseits das Abwasser belasten und andererseits zu Verklebungen im Wärmetauscher führen.

Einleitung von Kondensat aus Brennwertkesseln

Situation in Deutschland

Wegen des anfallenden Kondensats bei Brennwertgeräten ab 200 kW Feuerungsleistung, die mit schwefelarmem Heizöl oder Erdgas betrieben werden, muss laut Empfehlung des DWA-Arbeitsblatts ATV-DVWK-A 251 eine Neutralisation stattfinden, wenn

• das häusliche Abwasser in eine Kleinkläranlage abgeleitet wird,
• die Entwässerungsleitungen die Materialanforderungen (Säurebeständigkeit) nicht erfüllen, oder
• kein ausreichendes Vermischungsverhältnis erreicht wird (das 20fache Volumen der zu erwartenden Kondensatmenge).

Besonders der zweite Punkt macht eine Neutralisation praktisch unverzichtbar, denn kaum ein Mieter bzw. Eigentümer weiß, welche Materialien bei seinen Entwässerungsleitungen verwendet wurden. Selbst Fachpersonal ist es nur unter immensem Aufwand möglich, tief ins Rohrinnere zu sehen. Geeignet wären beispielsweise Kunststoffrohre, die allerdings in Altbauhäusern so gut wie nie verbaut wurden. Bei Grunderneuerungen der Rohrsysteme werden meist zwar Kunststoffrohre verwendet, jedoch sind dann die Übergabepunkte zu den öffentlichen Abwassersystemen gefährdet. Diese sind ebenfalls in der Regel nicht säureresistent und etwaige Schäden trägt hierbei der Verursacher. Schäden können hier auftreten, weil der pH-Wert von saurem Kondensat aus Erdgas-betriebenen Brennwertkesseln zwischen 2,8 und 4,9 liegt und der aus schwefelarmen Heizöl betriebenen bei 2,2 bis 4,2. Allerdings ist die Menge an Säuren (wegen des geringeren Schwefelgehaltes) bei einer Gasverbrennung geringer als bei der Heizölverbrennung, auf eine Neutralisierung kann daher, je nach den gesetzlich unterschiedlichen Vorschriften zur Einleitung in Vorfluter, mitunter verzichtet werden.

Das Kondensat von mit Standard-Heizöl betriebenen Brennwertkesseln hat einen ph-Wert von 1,8 bis 3,7 und soll laut der Empfehlung der ATV vor der Einleitung immer durch eine Neutralisationseinrichtung auf einen pH-neutralen Wert gebracht werden. Um dies zu erreichen, werden in den Neutralisationseinrichtungen meist Granulate eingesetzt, beispielsweise bestehend aus natürlichen Substanzen wie Kalkstein, Dolomit, Marmor, Magnesiumoxid oder Mischungen dieser Stoffe. Das Kondensat aus Nasskaminen muss nicht neutralisiert werden. Das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251 stellt eine unverbindliche Empfehlung dar, nach der sich viele Abwassernetzbetreiber richten. In einem Benutzerhinweis zu Beginn wird explizit darauf hingewiesen: „Durch seine Anwendung entzieht sich niemand der Verantwortung für eigenes Handeln oder für die richtige Anwendung im konkreten Fall […].“ Im Zweifelsfall gilt die Regelung des lokalen Abwassernetzbetreibers oder der unteren Wasserbehörde.

Bei der Umsetzung von karbonathaltigen Granulaten mit Säure wird CO₂ freigesetzt und die Atmosphäre damit belastet, wohingegen häusliche Abwässer wegen der verwendeten Reinigungsmittel, Waschmittel und Seifen sowieso einen eher basischen pH-wert und eine ausreichende Säurekapazität aufweisen (die Säurekapazität ist ein Maß für die Pufferkapazität (pH-Wert-Stabilität) des Wassers gegenüber Säuren, d. h. wie viel Säuren eingeleitet werden dürfen, bis es zu einer wesentlichen pH-Wert-Änderung kommt). Eine Einleitung des sauren Kondensats aus Gasbrennwertkesseln wäre daher aus Umweltschutzgründen sinnvoller als die Neutralisation mit extra dazu abgebauten, gebrochenen und herbei transportierten Kalksteinen.

Nutzung von Kondensatwasser

Das Kondensat ist aufgrund seines niedrigen pH-Wertes für die Nutzung in Küche oder Waschmaschine nicht geeignet; Kondensat aus der Verbrennung von Erdgas und Erdöl taugt allenfalls für die Toilettenspülung. Hier jedoch scheitert die Nutzung in der Regel am technischen Aufwand für die Einspeisung und der nicht immer gegebenen Säureresistenz der Abwasserrohre.

Wirkungsgrad und Nutzungsgrad des Brennwertkessels

Der Wirkungsgrad eines Gerätes sagt aus, welcher Teil der eingesetzten Leistung genutzt werden kann. Wirkungsgrade stellen stets eine Momentaufnahme dar (z. B. Messung im Beharrungszustand bei 70 °C Kesselwassertemperatur und Nennleistung) und beziehen sich auf das Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Leistung. Für die energetische Bewertung eines Kessels reicht dies jedoch nicht aus, da die so genannten Bereitschaftswärmeverluste nicht berücksichtigt werden. D. h., es werden lediglich die Verluste berücksichtigt, die bei laufendem Brenner anfallen. Die Strahlungsverluste bei Brennerstillstand gehen beispielsweise nicht mit ein. Diese werden lediglich bei der Ermittlung des Kessel-Nutzungsgrades miteinbezogen.

Der feuerungstechnische Wirkungsgrad, der im Schornsteinfegerprotokoll ausgewiesen wird, gibt beispielsweise an, welcher Anteil der in Form von Brennstoff dem Kessel zugeführten Leistung nach Abzug der trockenen (oder auch sensiblen) Abgasverluste übrig bleibt. Von diesem Anteil müsste nun korrekterweise noch der latente Abgasverlust abgezogen werden, der aufgrund der nicht oder nicht vollständig genutzten Kondensationswärme des Abgases entsteht.

Eine vollständige energetische Bewertung von Kesseln kann nur mit Hilfe des Kessel-Nutzungsgrades erfolgen. Der Kessel-Nutzungsgrad ist das Verhältnis aus der in einem bestimmten Zeitraum in Form von Brennstoff zugeführten Energiemenge und der vom Kessel an das nachgeschaltete Heizungsnetz bzw. an den Warmwasserspeicher abgegebenen Nutzenergie. Die Angabe des Kessel-Nutzungsgrades berücksichtigt im Gegensatz zur Kessel-Wirkungsgradangabe auch die im Betrieb anfallenden Bereitschaftwärmeverluste des Kessels, die beispielsweise durch die Abgabe von Strahlungswärme an den Aufstellraum während des Brennerstillstands erfolgen.

Bei Wirkungs- und Nutzungsgradangaben ist stets anzugeben, ob diese sich auf den Heizwert H_i (früher H_u) des eingesetzten Brennstoffes oder auf den Brennwert H_s (früher H_o) beziehen. Um die Wirkungs- und Nutzungsgrade von Kesseln, die mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, vergleichen zu können, eignen sich lediglich brennwertbezogene Angaben, da nur diese die gesamte im Brennstoff enthaltene Energie nennen. Die theoretisch erreichbaren Wirkungs- und Nutzungsgrade liegen bei Öl-Brennwertkesseln bei 100 %, wenn mit H_s, und 106 %, wenn mit H_i gerechnet wurde. Bei Gas-Brennwertkesseln werden maximal 100 % mit H_s und maximal 111 % mit H_i berechnet erreicht.

Die heizwertbezogene Betrachtung ignoriert die latenten Wärmeverluste (Kondensationswärme).

Auch der elektrische Stromverbrauch einer Heizung ist zu berücksichtigen.

Einen besseren Wirkungsgrad als Brennwertkessel bieten nur gasbetriebene Wärmepumpen und gasbetriebene Blockheizkraftwerke, die aber nur zur Beheizung größerer Häuser angeboten werden, mitunter störende Vibrationen erzeugen und schnellerem Verschleiß ausgesetzt sind.

Bei der Beurteilung eines Brennwertkessels sollten neben dem Wirkungsgrad bei der Wärmeerzeugung auch Bereitstellungsverluste berücksichtigt werden, die durch Wärmeabstrahlung der Geräte (Kessel, Speicher, Leitungen) bei schlechter Wärmedämmung hervorgerufen werden. Bereitstellungsverluste werden in Datenblättern angegeben in Prozent (der maximalen Kesselleistung, nicht des Jahresenergieverbrauchs) und liegen bei modernen Geräten in der Größenordnung von etwa 0,5–1 %. Für einen modulierenden 12-20 kW Heizkessel ist ein Prozent gleich 200 Watt, bei 365 x 24 = 8760 Stunden Bereitschaft für die Brauchwasserbereitstellung ergibt das beispielsweise 1.752 Kilowattstunden Wärmeverlust pro Jahr. Reduktionen der Bereitstellungsverluste können durch Abschaltung in der Nacht anstelle von Temperaturabsenkung und durch zusätzliche Wärmedämmung von Pufferspeichern und Rohrleitungen erreicht werden.

Tipps

50 % der maximalen Heizleistung nach DIN 4701 würden genügen, um 90 % des Heizenergiebedarfs abzudecken. Um die restlichen 10 % abzudecken, werden viele (Brennwert)Heizkessel überdimensioniert und führen zu zu hohen Bereitschaftsverlusten.

Bestimmung der Brennwertnutzung

Über die Kondensatmenge kann kontrolliert werden, wie gut der Brennwertkessel die Energie des eingesetzten Brennstoffes nutzt. Unter bestimmten Bedingungen lassen sich sogar Rückschlüsse auf den gesamten Anlagennutzungsgrad ziehen. Das Messverfahren über die Kondensatmenge ist integrierend und vermeidet Fehler bei Momentanwerten und Differenzbildungen aus viel größeren Zahlen.

Im Rahmen einer (begrenzten) Feldstudie untersuchte die Verbraucherzentrale, wie effizient die Brennwerttechnik in der Praxis tatsächlich arbeitet. Das Kondensat war hierbei wichtigste Messgröße.

Bei Öl-Brennwertkesseln fallen nach dem Forschungsbericht 601 der DGMK von 2002 ein Liter Kondensat pro verbrannten Liter Heizöl an (also 0,1 l/kWh), wobei technisch und praktisch nur eine Kondensationsrate von 50 bis 70 % machbar ist. Bei gleich effizienten Gas-Brennwertkesseln (d. h. gleicher brennwertbezogener Kessel-Nutzungsgrad) ca. 1,5 Liter pro m³ Erdgas. Die unterschiedliche Kondensatmenge bei Öl und Gas ergibt sich aus der unterschiedlichen Brennstoffzusammensetzung. Im Erdgas ist mehr Wasserstoff enthalten, damit entsteht bei der Verbrennung mehr Wasserdampf. Wird im praktischen Betrieb aufgrund höherer Vorlauf-/Rücklauftemperaturen (z. B. bei der Warmwasserbereitung) keine vollständige Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes erreicht, weisen Gas-Brennwertkessel aufgrund der höheren latenten Wärmeverluste (max. 11 Prozent) eine geringere Effizienz (Brennwertbezug) auf als Öl-Brennwertkessel (max. 6 Prozent latenter Wärmeverlust).

Überprüfung durch den Schornsteinfeger (Deutschland)/Kostenvorteile

Das Prüfintervall bei gasbefeuerten Brennwertgeräten liegt in Deutschland bei zwei Jahren statt bei einem Jahr, wie es bei den meisten Heizwertgeräten üblich ist. Es wird bei einem Brennwertgerät keine Tätigkeit nach BImSchV (Abgasverlustbestimmung), sondern eine wiederkehrende Tätigkeit nach Kehr- und Überprüfungsordnung durchgeführt. Diese Überprüfung beinhaltet die Bestimmung des CO-Gehaltes im Abgas (Abgasmessung) und eine Abgaswegeprüfung.

Dies bedeutet einen nicht unerheblichen Kostenvorteil für Brennwertgeräte.

Brennwertkessel und Thermostatventile an den Heizkörpern

Die Verwendung von Thermostatventilen bei Heizkörpern oder Brennwert-Wandgeräte mit geringerem Wasserinhalt kann dazu führen, dass das Rücklaufwasser zu heiß zurückfließt, dann die Nutzung des Brennwerts unterbleibt oder der Brenner taktet (und damit verbunden die Bereitschaftsverluste steigen). Abhilfe dagegen schaffen

• ein hydraulischer Abgleich aller Heizkörper
• modulierende Öl- oder Gasbrenner, die möglichst weit heruntermodulieren (Stand der Technik 2012 ist als Minimum 1 kW bei Thision)
• sowie zwischengeschaltete Pufferspeicher mit Schichtladetechnik.

Brennwertkessel oder Niedertemperaturkessel?

Beim Kauf einer neuen oder beim Austausch einer alten Heizung beeindruckt zunächst der höhere Normnutzungsgrad der Brennwerttechnik gegenüber der Heizwerttechnik. Dabei sind aber Details zu beachten:

• Die Brennwerttechnik ist in der Anschaffung teurer. Das betrifft den Kessel/die Therme selbst, eventuell größere Heizkörper und die notwendige Änderung des Schornsteins (Rohreinzug). Ist kein Abwasseranschluss in der Nähe vorhanden, muss er geschaffen werden.
• In der praktischen Nutzung kann ein Brennwertgerät schnell ungewollt in einen quasi-Heizwertbetrieb zurückfallen, so dass der Wirkungsgrad sinkt. Ursachen dafür ist meist eine zu hohe Rücklauftemperatur des Heizungswassers, die z.B. durch abgeregelte Thermostatventile an den Raumheizkörpern oder durch Raumheizkörper mit zu geringer Oberfläche entstehen kann (Überdimensionierung des Heizkessels oder Unterdimensionierung der Wärmeverbraucher). Um das sicher zu vermeiden, entstehen weitere Kosten: Abstimmungsarbeiten durch einen Fachbetrieb, Einplanung von Heizkörpern mit größerer Oberfläche (die entsprechend größere Abmessungen haben) oder von mehr Heizkörpern, Austausch der evtl. zu kleinen Heizkörper beim Wechsel von Heizwert- auf Brennwerttechnik. Aber selbst wenn ein Brennwertkessel den Brennwert nicht immer nutzt, so kommen doch die Abgase mit niedrigeren Temperaturen (im Bereich 60–80 °C) aus dem Heizkessel, als bei konventionellen Niedertemperaturkesseln (120 °C)
• Bei Verwendung gleicher Hocheffizienzpumpen verbrauchen Brennwertanlagen im Betrieb ca. 30-40 % mehr Strom als Heizwertanlagen, weil die relativ kühlen Abgase nicht passiv im Schornstein aufsteigen und deshalb aktiv abgeblasen werden müssen. Allerdings wurde in einer Studie der Stromverbrauch mit 3 % bezogen auf den Brennstoffverbrauch gemessen, wovon zwei Drittel von der Umwälzpumpe und ein Drittel von Brenner, Ventilator und Regelung verbraucht wurden. Der zusätzliche Stromverbrauch hervorgerufen durch Druckabfall im Abgasvolumenstrom aufgrund zusätzlicher Wärmetauscherflächen belief sich dabei auf knapp 0,3 %, das Verhältnis aus Mehrertrag zu Aufwand (auf Primärenergieniveau) lag bei knapp 7.

• Die in den Abgasen enthaltene Restwärme wird in der Regel als Totalverlust verbucht. Das stimmt aber nur für die relativ kühlen Abgase der Brennwerttechnik, die aktiv in einem säurefesten separaten Rohr mit nur geringem weiteren Wärmetausch durch den Schornstein abgeblasen werden. Für die wärmeren Abgase einer Heizwertanlage gilt das nur teilweise, weil diese beim Aufsteigen im Schornsteinzug abkühlen und dabei Wärme an das Mauerwerk abgegeben wird (wobei das Mauerwerk ein schlechter Wärmeleiter ist und der Wärmeübergang nicht so optimal ist wie bei einem Wärmetauscher aus einem Eisenwerkstoff). Diese Wärme trägt zum Heizen der anliegenden Räume bei und ist nicht als Verlust anzusehen.

Weblinks

• Grundlagen der Brennwerttechnik (ASUE) (PDF-Datei; 452 kB)
• In der Praxis gemessene Wirkungsgrade
• Brennwerttechnik mit Verbrennungsluftvorwärmung
• Aktion Brennwertcheck der Verbraucherzentrale Energieberatung
• Brennwerttechnik bei heiz-tipp.de
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   Wikibooks: Optimierung von Kleinheizungsanlagen – (incl. Brennwerttechnik)