Brennwerttechnik

Heizwert, Brennwert, Kondensationswärme, Taupunkttemperatur  und Nutzungsgrad

Ein Heizungssystem mit Brennwerttechnik ist durch seine besondere Konstruktion der Wärmetauscherfläche in der Lage, den Abgasen nicht nur die fühlbare Wärme, sondern auch die Verdampfungswärme zu entziehen und dem Heizungssystem zuzuführen.

Brennwert

Der Begriff Brennwerttechnik geht darauf zurück, dass durch die Abgaskondensation nicht nur der Heizwert¹ sondern der Brennwert² des Brennstoffs genutzt wird.

Beide Werte beziehen sich auf die Wärmemenge, die bei der Verbrennung frei wird.

1) auch bezeichnet als unterer Heizwert, Hu, Hi

2) auch bezeichnet als oberer Heizwert, Ho, Hs

Der Brennwert gibt dabei die gesamte gewinnbare Wärme an, also zusätzlich die im Wasserdampf gebundene Energie, die sonst ungenutzt durch den Schornstein entweicht.

Der Unterschied zwischen Heizwert und Brennwert ist abhängig vom Brennstoff.

Bei Erdgas beträgt der Unterschied 11% und führt dazu, dass der Nutzungsgrad* (Normnutzungsgrad), der immer auf dem Heizwert bezogen ist, bei voller Kondensation theoretisch auf bis zu 111% ansteigen kann.

Durch Hochleistungswärmetauscher in den Brennwertgeräten werden die Abgase nahezu bis auf die Rücklauftemperatur des Heizsystems abkühlt und erzielen Nutzungsgrade von 108 bis zu 110% - also nahe der physikalischen Grenze.

Wie viel Kondensationswärme genutzt werden kann, hängt vor allem von der Temperatur des Heizsystems ab.

Je kühler das Heizungswasser zum Brennwertgerät fließt, desto mehr Wärme kann den Abgasen entzogen werden und desto größer ist die Brennwertnutzung.

Der Einbindung des Brennwertgeräts in in die Gesamtanlage kommt deshalb beim Neubau wie auch bei nachträglichen Einbau große Bedeutung zu.

Ziel: Möglichst bei jeder Rücklauftemperatur den Brennwert zu nutzen.

Daraus ergibt sich die Bedeutung der Taupunkttemperatur. Je höher der Taupunkt, desto größer die Brennwertnutzung.

*) Nutzungsgrad größer 100%???

Bei einem 20 kW Kessel für ein Einfamilienhaus beträgt die Kondensatmenge 2 bis 3 m³/a. Das Kondensat ist bei Gas mit pH-Werten zwischen 3,5 bis 4,5 leicht sauer und kann in das häusliche Abwasserrohrnetz abgeführt werden.

Aufbau und Funktion eines Brennwertkessels (Beispiel)

Brennwertkessel

Je nach Hersteller besteht der hochbelastete Wärmetauscher aus Aluminium-Silizium-Guss oder Edelstahl. Er überträgt die Wärmeenergie der Verbrennungsgase auf das Heizungswasser.

An den Wärmetauscher wird im unteren Bereich der Heizungsrücklauf angeschlossen.

Die eingebaute Umwälzpumpe führt das Heizungswasser durch den Wärmetauscher, wo es erwärmt wird.

Im oberen Bereich des Wärmetauschers wird das erwärmte Vorlaufwasser über ein automatisches Entlüftungsventil geführt.

Über eine separate Leitung innerhalb des Gerätes wird der Vorlaufanschluss an die Unterseite des Gehäuses gelegt.

Verbrennungsregelung > Schema

Durch die optimierte Aufbereitung des Brennstoff-Luftgemischs (z. B. O2-Regelung System SCOT) sind niedrige Emissionen und große Modulationsbereiche möglich.

(Quelle: Weishaupt-compact-Reihe)

Der Sensor regelt zusätzlich auch unterschiedliche Gasqualitäten aus (-> optimale Betriebssicherheit).

Dieses System kann für alle Erdgasarten, Flüssiggas und zukünftig auch für Biogas eingesetzt werden (nicht bei allen Herstellern verfügbar!).

Beim ersten Einschalten wird ein automatischer Abgleich auf die vorhandene Gasart ausgeführt. Das spart bei der Inbetriebnahme Zeit und Kosten.

Modulierender Strahlungsbrenner

Die Leistungsanpassung erfolgt über ein drehzahlgeregeltes Gebläse an den jeweiligen Wärmebedarf durch die entsprechende Mischung von Brennstoff und Luft.

Regelung, Wärmetauscher

Die Bedienung erfolgt über ein Display in klar verständlicher Weise.

Hochleistungswärmetauscher

Das Heizungsrücklaufwasser wird im Wärmetauscher an den integrierten Hydraulikblock angeschlossen. Hier ist auch die Umwälzpumpe angeflanscht.

Über interne Wasserkanäle wird wird das Heizungswasser von unten nach oben durch den Wärmetauscher geführt und erwärmt.

Die Verbrennungsgase werden in entgegengesetzter Richtung von oben nach unten abgekühlt.

Im unteren Bereich des Wärmetauschers herrscht damit die niedrigste Abgastemperatur und gleichzeitig die niedrigste Heizungswassertemperatur.

Durch breite Wasserkanäle in diesem Bereiche wird die Verweildauer des kalten Wassers zusätzlich verlängert und somit eine erhöhte Kondensation erreicht.

In dem separaten Abgaskanal wird das Abgas nicht wieder aufgeheizt. Dies steigert zusätzlich die Effizienz - die gesamte Wärme wird an das Heizungswasser übertragen.

Kondenswassermenge

Wird 1 m³ Erdgas verbrannt, entstehen bei optimalen Wirkungsgrad ca. 1,6 l Kondenswasser.

Das Kondensat läuft über den Kondenswasserablauf in den Gerätesiphon.

Die Abgase werden werden durch den Abgaskanal hinter dem Wärmetauscher direkt zum Abgasanschluss geführt

(Quelle: Weishaupt-compact-Reihe)

Abgassysteme

Sehr niedrige Abgastemperaturen (z. T. <40°C) bringen gegenüber konventionellen Niedertemperatursystemen nur wenig thermischen Auftrieb. Aus diesem Grund werden die Abgase mit dem Brennergebläse mit Überdruck durch die Abgasleitung gedrückt. Als Material wird in d. R. Kunststoffrohr verwendet.

Raumluftabhängige Systeme

erhalten die Zuluft aus dem Raum, in dem sie stehen.

Raumluftunabhängige Systeme

Saubere Luft. Zuluft wird auf dem Weg durch den Schacht über das wärmere Abgasrohr erwärmt. Verbesserung des Nutzungsgrades.

Dachheizzentrale

Das Brennwertgerät kann auch unter dem Dach installiert werden.

Als Abgassystem wird dann direkt durch die Dachfläche ein einfacher Montagebausatz installiert.

Abgassystem an der Außenwand

Die Luftansaugung erfolgt im unteren Bereich des vertikalen Leitungsteiles. Der Ringspalt im vertikalen Bereich wird hier als Wärmedämmung verwendet, damit im Winter keine Vereisung eintritt.

Brennwertpraxis

Die Wahl z. B. zwischen Fußbodenheizung oder Heizkörperheizung hat ebenfalls großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit einer Brennwertanlage.

Heizkörper, Heizleisten

Bei Heizkörpern, mit einer Auslegung der Vorlauf-/ Rücklauftemperatur von z. B. 70/50°C wird bei einer Außentemperatur von z. B. -20°C, die Rücklauftemperatur gerade knapp die Taupunkttemperatur erreichen.

Das Brennwertgerät arbeitet das ganze Jahr mehr oder weniger im Kondensationsbereich.

Entscheidend für die Kondensatmenge ist die Rücklauftemperatur. Sie sollte möglichst weit unter der Taupunkttemperatur liegen.

Je weiter die Rücklauftemperatur durch gleitende Betriebsweise verringert wird, desto mehr kondensiert das Brennwertgerät.

Da die gesamte Jahresheizarbeit überwiegend bei mittleren Außentemperaturen stattfindet, arbeitet das Brennwertgerät das ganze Jahr effizient.

Fußbodenheizungen

Bei Fußbodenheizungen mit einer Auslegung der Vorlauf-/ Rücklauftemperatur von z. B. 40/30°C liegt die Kondensatmenge noch wesentlich höher.

Für die gesamte Jahresheizarbeit liegt die Rücklauftemperatur weit unter der Taupunktemperatur.

Das Brennwertgerät erhält optimale Bedingungen und arbeitet noch effizienter.

Maximale Absenkung der Rücklauftemperatur bei Brennwertkesseln (Vollbrennwerttechnik)

Vollbrennwertnutzung

Bei einer Absenkung der Rücklauftemperatur von 45°C auf unter 30°C erreicht man einen um 5% höheren Nutzungsgrad des Brennwertkessels.

Erst bei 30 °C RL-Temperatur übergibt das Rauchgas den Großteil seiner Enthalpie in Form von Kondensat an den Heizungsvorlauf > Grafik.

Brennwerttechnik bedeutet, je kühler das Wasser ist, dass zum Kessel zurückfließt, desto mehr Wärme kann den Abgasen entzogen werden und desto größer ist die Brennwertnutzung.

Wenn über die gesamte Heizperiode die maximale Absenkung der RL-Temperatur erreicht wird, bezeichnet man das als Vollbrennwertnutzung.

Das ist in d. R. nur mit einer optimal ausgelegten Fußbodenheizung zu erreichen.

Die Taupunkttemperatur des Abgases

Heiße Abgase können viel mehr Wasser festhalten als kältere.

Die entscheidende Größe ist der Taupunkt (=100% relative Feuchte, d. h. Abgase sind mit Wasser gesättigt).

Ergo tröpfelt im Kondensationsfall nur der Überschuss jenseits der 100% relativen Feuchte (r. F.) heraus.

Lediglich diese freigesetzte latente Energie kommt bei Brennwertanlagen dem Kesselnutzungsgrad zugute.

D. h., sobald das Abgas weniger als 100% r. F. hat, kondensiert nichts mehr aus.

Luftzahl λ

Ein weiterer Einflussfaktor auf dem Taupunkt ist die Luftzahl λ. Sie gibt den Luftüberschuss bei der Verbrennung an.

Ein moderner Vormischbrenner für Erdgas begnügt sich mit 30% Luftüberschuss (λ=1,3).

Bei einem Luftdruck von 1013 Millibar und 50% relative Luftfeuchte stellt sich hier eine Taupunkttemperatur von 55°C ein.

Man sollte also Brenner einsetzen, die mit möglichst kleiner Luftzahl arbeiten, um so möglichst hohe Taupunkttemperaturen zu erreichen.

Diese garantieren selbst bei höheren RL-Temperaturen (im Winter) noch eine Teilbrennwertnutzung.

Das Mollier-h, x-Diagramm

Die theoretische Erklärung findet man im Mollier-h,x-Diagramm, wenn man annimmt, dass 1 g Wasser pro kg trockene Luft etwa identisch sind mit 1 g Wasser pro kWh.

(h = Enthalpie in kJ/kg, x = Wassergehalt in g/kg trockene Luft)

Bei der Verfeuerung von Erdgas verbrennen je 1 kg Erdgas 10 kg Luft oder 100 g Erdgas plus 1 kg Luft ergibt beim Verbrennen 1 kWh Wärme.

Kondensatmenge bei unterschiedlichen RL-Temperaturen

- 57 °C RL-Temperatur

Bei 57°C Rücklauf-Temperatur kondensieren nur einige Tropfen Wasserdampf aus dem Abgas.

Entsprechend niedrig wäre auch der der Wärmegewinn.

- 45 °C RL-Temperatur

Bei ca. 45°C fallen schon ca. 45 g Kondensat an, das sind 1/3 der Verdampfungswärme.

Die ursprünglichen nach der Verbrennungsgleichung 16% Wasserdampf im Abgas haben sich auf absolut ca. 10% verflüchtigt und damit die Taupunkttemperatur von 57°C auf 52°C heruntergesetzt. Der Kondensationsprozess erlischt.

- 40 °C RL-Temperatur

Bei 40°C RL-Temperatur werden dem Rauchgas fast 70 g/kWh (von theoretisch 120 g) entzogen.

- 30 °C RL-Temperatur

Erst bei 30°C übergibt das Rauchgas einen Großteil seiner Enthalpie von 105 g Kondensat pro kWh an den Heizungsvorlauf (=Vollbrennwertnutzung).

(Quelle: Weishaupt-compact-Reihe)

Optimaler Einsatz von Brennwerttechnik, selbst im Altbau und bei Zweikreisanlagen

Fußbodenheizung mit geringer Aufbauhöhe

Für Altbausanierungen gibt es eine Fußbodenheizung (z. B.: Wirsbo-Velta/ Minitec > Bild) mit einer Gesamtaufbauhöhe von nur 15 mm.

Die 9,9 x 1,1 mm PEX-a Rohre werden bündig in einer Noppenmatte gehalten. In den Noppen und Zwischenräumen der Folie eingestanzte Löcher ermöglichen ein gutes Einfließen der Ausgleichsmasse und für eine direkte Verbindung mit dem Untergrund.

Auf Grund der geringen Masse reduziert sich auch die Aufheizzeit und verbessert die Regelung.

Fußbodenheizung und Radiatoren

Kondensationsgewinne lassen sich auch dann noch erreichen, wenn in einigen Räumen noch Radiatoren (Zweikreisanlage) hängen.

Beispiel 1:

Eine innovative und sehr vielseitige Lösung mit einem Mehrwege-Mischverteiler > Hydraulikschema macht hier den heißen Rücklauf des Radiatorenkreises (Hochtemperaturkreis) zum Vorlauf des Fußbodenheizkreises (Niedertemperaturkreis).

Dadurch beträgt die Rücklauftemperatur nur noch 30°C,

statt 42-45°C. Das bedeutet beachtliche 5% mehr Wirkungsgrad.

(Quelle: www.velta.de, www.baunach.net)

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

> Wärmeerzeugung > Brennwerttechnik > Wärmeverteilung > Wärmeabgabe > Planung > Verbrauchertipp > Praxiswissen Heizung/Sanitär

Weiter/zurück zu Heizungssysteme

> Heizung > Grundlagen > Biomasseheizung > Solar > Wärmepumpen > KWA/BHKW > Öl/Gas/Strom > Pilotanlagen > Service

Einen Überblick über alle Webseiten erhalten Sie im Inhaltsverzeichnis > INHALT