Brennwertkessel

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Brennwertkessel

Ein Brennwertkessel ist ein Heizkessel für Warmwasserheizungen, der den Energieinhalt (Brennwert) des eingesetzten Brennstoffes nahezu vollständig nutzt. Mit Brennwertkesseln wird das Abgas weitestgehend abgekühlt und dadurch auch die Kondensationswärme (= latente Wärme) des im Rauchgas enthaltenen Wasserdampfes zur Wärmebereitstellung genutzt.

Je nach Brennstoffart, Verbrennungstemperatur, Sauerstoffanteil und sonstiger Faktoren entstehen bei einer Verbrennung unterschiedliche Substanzen[1]. Wird das Abgas unter den Taupunkt abgekühlt, beginnen dessen kondensierbare Stoffe zu kondensieren.

Herkunft des Wasserdampfes[Bearbeiten]

Der Wasserdampf im Abgas stammt entweder

Je höher der Wasserstoffanteil eines Brennstoffes ist, desto höher ist die Menge an Wasserdampf, die nach der Verbrennung des Brennstoffes im Abgas enthalten ist. 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). Bei der Umsetzung von C zu CO2 und von H zu H2O wird Energie frei. Die geringe Feuchte in Erdgas ist dabei vernachlässigbar, die Feuchte in festen Brennstoffen nicht. Die Hauptwassermenge entsteht durch die 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 …

  • … der Wasserdampftaupunkt in Rauchgas bei der Verbrennung von Erdgas bei ca. 59 °C liegt und bei der Verbrennung von Heizöl bei ca. 48 °C (die Angaben "ca." deswegen, weil Erdgase und Heizöle variable Zusammensetzungen aufweisen). Der Taupunkt bei der Holzverbrennung liegt je nach Feuchtegehalt zwischen ca. 20 und 60 °C[2]
  • bei Erdgas-Brennwertkesseln die Brennwertnutzung bei höheren Vorlauftemperaturen möglich ist als bei Heizöl-Brennwertkesseln,
  • Erdgas-Brennwertkessel mehr Kondensat erzeugen als Heizöl-Brennwertkessel (bei Abkühlung des Abgases beispielsweise auf 40°C)
  • Erdgas-Brennwertkessel mehr Brennwerteffekt bezogen auf den Heizwert liefern als Heizöl-Brennwertkessel
  • die Verluste latenter Wärme in konventionellen Heizkesseln beim Verbrennen von Brenngas bei maximal etwa 11 Prozent des Brennwertes, beim Verbrennen von Heizöl EL von maximal etwa 6 Prozent liegen.

Geschichte[Bearbeiten]

Die ersten Brennwertkessel wurden von Richard Vetter entwickelt (1982 für Gas serienreif, 1984 für Öl)[3] 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 setzten zunächst kleinere Unternehmen wie Bomat oder ROTEX auf die Brennwerttechnik. 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 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.[4]

Technik[Bearbeiten]

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 wurde die Kondensation im Kessel deshalb absichtlich verhindert, was nur mit hohen Kesselwassertemperaturen (>70 °C) möglich war. Eine nachfolgende Kondensation in langen Schornsteinen hätte Versottung bewirkt, darum war man bestrebt, eine 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 ein alter Kamin beim Einbau eines Brennwertkessels 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.[5]

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. Das gesamte Kondensat kann dann im Rahmen der gesetzlichen Vorschriften in die Kanalisation geleitet 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.

Wird bei Heizsystemen mit höherer Rücklauftemperatur (Heizkörperanlagen) der Brennwerteffekt eines installierten Brennwertkessels nicht ausgenutzt, da der Heizungsrücklauf die Rauchgase nicht tief genug abkühlt, können verschiedene Lösungen eingesetzt werden:

  • Mit einem Luft-Abgas-System (auch LAS-Rohr oder LAS-Kaminsystem genannt) wird die zur Verbrennung nötige, angesaugte Frischluft im Gegenstrom durch die ausströmenden Rauchgase erwärmt. 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 Rauchgastaupunktes des jeweiligen Brennstoffes Kondensationswärme genutzt und ein Brennwertbetrieb ermöglicht werden.

Das Abgas kann bei den o.g. Verfahren maximal so weit heruntergekühlt werden, wie es der Temperatur des kältesten Mediums im gesamten Wärmetauschprozess entspricht:


  • Bei geringen Vorlauftemperaturen, etwa bei Niedertemperatur-Heizsystemen oder in der Übergangszeit (Frühling und Herbst), wenn die Heizung mit wenig Leistung oder geringen Vorlauftemperaturen in Teillast[6] betrieben wird, ist entweder der Heizungsrücklauf oder die Frischluft das kälteste Medium.
  • Bei hohen Rücklauftemperaturen stellt mengenmäßig wesentlicher die kalte Frischluft das kältere Medium dar, weniger (wegen der im Vergleich zum Heizaufwand geringeren Heißwasserentnahme) der kalte Trinkwasserzulauf. Hohe Rücklauftemperaturen treten vor allem auf
    • bei Hochtemperatur-Heizsystemen (Heizkörpern),
    • im kalten Winter bei hohen Vorlauftemperaturen, um damit schnell Wärme in die rascher ausgekühlenden Räume zu bringen,
    • bei geschlossene Heizkörperventilen,
    • bei ungenügendem hydraulischen Abgleichs der Heizkörperanlage.
    • bei der Erwärmung eines Heißwasserspeicherkessels: Bei zu häufig auftretendem Nachheizen eines abgekühlten Pufferspeichers (bei geringer Temperaturspreizung ) kann das zirkulierende Kesselwasser erhöhte Temperatur haben.

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

Niedertemperatur-Heizsysteme (Fußbodenheizung, Wandheizung, Heizleisten, etc.) bewirken von vornherein schon eine niedrigere Rücklauftemperatur, unterhalb der möglichen Taupunkte. Der Energiegewinn bei Aufrüstung von einem normalen Brennwertgerät auf ein Voll-Brennwertgerät oder LAS-System ist daher bei diesen Heizsystemen geringer, da damit nur die geringen Energiegehalte des schon weit abgekühlten Abgases genutzt werden können. Die Wirtschaftlichkeit eines Upgradens sollte daher für solche Anwendungen vom Hersteller nachgewiesen sein.

Abgasanlage[Bearbeiten]

Abgasanlage eines Brennwertkessels

Wegen der niedrigen Abgastemperaturen ist der Kamineffekt im Abzug nur schwach. Deshalb haben viele Brennwertgeräte einen Ventilator eingebaut 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 %. Reduktionen der Bereitstellungsverluste können beispielsweise durch Abschaltung in der Nacht (Heizungs-Solltemperatur 3 °C) anstelle von Temperaturabsenkung um zwei Grad und durch zusätzliche Wärmedämmung von Pufferspeichern und Rohrleitungen erreicht werden. Die Bereitschaftsverluste treten nur auf, wenn das Gerät in Betrieb ist oder danach abkühlt, eine Hochrechnung auf 365 x 24 = 8760 Stunden Bereitschaft resultiert noch aus Zeiten, als kleine Zündflammen „Bereitschaft hielten“ und führt zu überhöhten Werten. Das Takten eines Heizkessels beim Heizen und daraus resultierende Abkühlverluste können aber erhebliche Wärmeverluste verursachen, die die Einprozentmarke der Bereitschaftsverluste bei weitem übersteigen (siehe dazu Heizkessel#Energieverschwendung).

Mit einem Brennwertkessel kann bei Ansaugung der Zuluft aus dem Heizraum (im Keller) sonstige gebundene latente Wärme (aus der Austrocknung der Baufeuchte, wenn der Heizraum zur Wäschetrocknung genutzt wird, Badezimmer- und Sauna­abluft aus der kontrollierten Wohnraumlüftung) wiedergewonnen werden (siehe dazu Rauchgaskondensation#Energieeffizienz).

Hinweise[Bearbeiten]

50 % der maximalen Heizleistung nach DIN 4701 würden häufig genügen, um 90 % des Heizenergiebedarfs abzudecken. Um die restlichen 10 % abzudecken, werden viele (Brennwert)Heizkessel überdimensioniert und führen so zu hohen Bereitschaftsverlusten.[7]

Bestimmung der Brennwertnutzung[Bearbeiten]

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.[8]. 88 % der Brennwertkessel wurden mit Erdgas, 9 % mit Heizöl EL und 3 % mit Flüssiggas befeuert. Die Überprüfung von 996 Brennwertkesseln in privaten Wohngebäuden zeigte, dass „das Potenzial der Gerätetechnik in den realisierten Gesamtanlagen oft vertan wird“. Der Brennwertnutzen war bei rund einem Drittel der Geräte akzeptabel, bei einem weiteren Drittel war Optimierungsbedarf gegeben und beim letzten Drittel war der Brennwertnutzen ungenügend. Schwachstellen ortete die Untersuchung auch bei der Wärmedämmung von Heizungsrohren (25 % wiesen keine Wärmedämmung auf), 25% der Anlagen waren mit einem für die Brennwertnutzung kontraproduktiven Überströmventil ausgerüstet, bei 78% der Anlagen fehlte der hydraulische Abgleich, was bei diesen Anlagen zur Verschlechterung der Ergebnisse beitrug[9].

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 % möglich 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[Bearbeiten]

Das Prüfintervall bei gasbefeuerten Brennwertgeräten liegt in Deutschland bei zwei Jahren (Bei den meisten Heizwertgeräten beträgt das Prüfintervall ein Jahr). Es wird bei einem Brennwertgerät keine Tätigkeit nach BImSchV (Abgasverlustbestimmung), sondern eine wiederkehrende Tätigkeit nach Kehr- und Überprüfungsordnung durchgeführt. Diese Überprüfung umfasst 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[Bearbeiten]

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)[10]. Abhilfe dagegen schaffen

Brennwertkessel oder Niedertemperaturkessel?[Bearbeiten]

Beim Kauf einer neuen oder beim Austausch einer alten Heizung beeindruckt zunächst der höhere Normnutzungsgrad der Brennwerttechnik gegenüber der Heizwerttechnik. Dabei sind jedoch Einschränkungen 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. Ursache 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 entsteht, d.h. Überdimensionierung des Heizkessels oder Unterdimensionierung der Wärmeverbraucher. Jedoch 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)[11]
  • 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 % und das Verhältnis aus Mehrertrag zu Aufwand - auf Primärenergieniveau - lag bei knapp 7[12]. Bei Betrachtung der Energiekosten kommt wiederum der Strompreis ins Spiel.
  • 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.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Hans Hartmann, Paul Roßmann, Heiner Link, Alexander Marks: Erprobung der Brennwerttechnik bei häuslichen Holzhackschnitzelfeuerungen mit Sekundärwärmetauscher. Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe und Bayerisches Landesamt für Umweltschutz, Straubing, 2004, pdf-Datei, 1003 kB, abgerufen am 7. Februar 2012
  2. neutrale Firmenwebpräsentation (pdf-Datei)
  3. www.vetter-ofen.de
  4. Robert Kremer: Brennwertnutzung gehört zum Stand der Technik. Gas- Wärme international Band 30 (1981), Heft 11, Seite 558, Vulkan-Verlag, Essen 1.
  5. [www.lbs.de/nord/lbs/pics/upload/tfmedia1/HBEAAX9aOAg.pdf PDF (8 Seiten)]
  6. Qualitätssicherungsmaßnahmen für Wärmeerzeuger (pdf-Datei; 127 kB)
  7. Gerhard Hausladen: Vorlesungsscript Heiztechnik, Universität Gesamthochschule Kassel, 1992, (pdf-Datei), zuletzt abgerufen Oktober 2012
  8. Aktion Brennwertcheck der Verbraucherzentrale Energieberatung
  9. Endbericht zur „Aktion Brennwertcheck“ der Verbraucherzentralen, Juli 2011, (pdf-Datei)
  10. Heike Stock, Dieter Wolff: Entwicklungstendenzen in der Regelungstechnik von Heizanlagen, (pdf-Datei; 168 kB)
  11. Kati Jagnow, Dieter Wolff:Brennwert ist a-news.de/data/media/2026/37_41_JagnowWolf.pdf pdf-Datei]), zuletzt abgerufen Oktober 2012
  12. Markus Erb: Feldanalyse von kondensierenden Gas- und Ölfeuerungsanlagen im Sanierungsbereich, Liestal (CH), 2004 (pdf-Datei)

Weblinks[Bearbeiten]