Überlegungen zur optimalen Heizungsanlage

Überlegungen zur optimalen Nutzung der Heizenergie einer Heizungsanlage

Vorüberlegungen/ Rahmenbedingungen

Zahlreiche Wechselwirkungen zwischen Gebäude und Heizungsanlage bestimmen die Höhe der Energiekosten: Größe des Gebäudes, Außenisolierung, Wirkfläche der Heizkörper, Nutzung des Gebäudes etc. Die Kombination dieser Faktoren und mögliche Änderungen auch in langfristiger Hinsicht, ergibt das Anforderungsprofil für eine optimal auf das Gebäude abgestimmte Heizungsanlage.

Da kein Installateur das Risiko eingehen will, daß sein Kunde im Winter friert, wird häufig die Berechnung der Heizung mit großzügiger Leistungsreserve erstellt. Folge sind überdimensionierte Anlagen, die dazu neigen weitgehend im Teillastbetrieb (Taktung) und damit im unwirtschaftlichen Bereich zu arbeiten.
Ein Wärmeerzeuger arbeitet wirtschaftlicher je länger die Anlage läuft. Häufige und kurze Laufzeiten erzielen eine geringere Energieausbeute. Deshalb arbeitet eine optimal angepasste Wärmequelle an den kältesten Tagen des Jahres rund um die Uhr und weist auch noch während der restlichen kalten Jahreszeit lange zusammenhängende (!) Laufzeiten auf.

Dazu ein paar Statements:
  1. Ein Wärmeerzeuger (Brenner, HKA, Solar. ...) gibt am meisten thermische Energie an das Trägermedium (meist Wasser) ab, wenn dieses möglichst kalt ist. So ist es 'leichter' (eigentlich: billiger), die Temperatur von 20 auf 30°C zu erhöhen, als von 40 auf 50°C.
    Dieser 'Wirkungsgrad' ist von der Ausgangstemperatur und der 'Energiedichte' des Wärmestroms von der Wärmequelle zum Trägermedium abhängig. Eine Solaranlage hat hier naturgemäß das größte Handikap! Die primäre Wärmequelle wird also besser ausgenutzt, je niedriger die Temperatur des Wärmeträgers ist.
  2. Wird eine Verbrennung als Wärmequelle genutzt (Brenner, HKA), wird ein nicht unwesentlicher Teil der entstehenden Wärmeenergie direkt am Ort der Verbrennung in Form von Zustandsänderungsenergie (Änderung von flüssigem Wasser in Wasserdampf) gebunden. Das Wasser kommt im wesentlichen nicht mit der zugeführten Luft, sondern entsteht durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxyd und Wasser!!
    Um diese Energie dem Heizkreislauf wieder zugänglich zu machen, kommt heute die sogenannte 'Brennwerttechnologie' zum Einsatz. Die Grundidee dahinter ist, das entstehende Abgas wieder soweit abzukühlen, daß die 'Zustandsänderungsenergie' (Kondensationsenergie) des Wassers wieder frei wird.

Bei den heute üblichen 'optimierten' Verbrennungen wird typischerweise dem Brenner nur soviel Luft zugeführt wie er zur Verbrennung unbedingt braucht. Dies ist, neben der Steuerung der Abgaszusammensetzung, sinnvoll um die Abgasmenge soweit als möglich zu reduzieren. Je weniger Abgas, desto weniger Energie geht (bei gleicher Temperatur) durch den Schornstein. Des weiteren wird damit die relative Feuchtigkeit des Abgases (Wasser entsteht durch die Verbrennung) soweit wie möglich angehoben (Taupunkt wird angehoben).
Um die Kondensationsenergie frei zu setzen, ist es notwendig die Abgase so weit abzukühlen, daß der Kondensationseffekt entsteht. Dies ist der Fall wenn die relative Feuchtigkeit des Abgases die 100% Marke überschreiten würde. Mehr als 100% relative Feuchtigkeit kann kein Gas transportieren, von daher muß das Wasser, unter Freisetzung der gebundenen Wärmeenergie, wieder ausfallen. Die Feuchtigkeitstransportfähigkeit eines Gases ist abhängig von der Temperatur (siehe Magnusformel / Wasserdampftafel) und dem Druck. Den Druck können wir nicht so einfach ändern (bringt auch nicht so viel), die Temperatur schon.
Zur Abschätzung hier ein paar Zahlen:

1 m³ Luft
kann bei: 
 Wasser transportieren
(100% rel. Feuchte)
1°C 5,2 g
5°C 6,8 g
10°C 9 g
15°C 13 g
20°C 17 g
30°C 31 g
35°C 40 g
45°C 66 g
54°C 100 g
60°C 130 g
80°C 293 g
100°C 600 g

Dies zeigt, wenn 1m³ Luft bei 45°C 100% rel. Feuchte aufweist und auf 30°C abgekühlt wird, gewinnen wir 35g Wasser, also mehr als die Hälfte des enthaltenen Wassers (und der Kondensationsenergie)!! Die Verdampfungsenergie (Zustandsänderungsenergie) des Wassers ist: [2258kJ/1kg (0,628kWh/kg)] bei 100° Celsius.

Wird ein Liter Mineralöl verbrannt, entstehen ca. 0,94 Liter Wasser, bei 1m³ Gas ca. 1,5l!! Dies bedeutet: wird das Abgas von einem optimalen Brenner auf 30° abgekühlt, so sind pro Liter Öl noch einmal ca. 440Wh und bei Gas pro m³ Gas ca. 600 Wh gewinnbar! Hinzu kommt die in der Abgasmasse enthaltene reine Wärmeenergie, diese ist aber deutlich geringer (Vergleich Luft: ca. 1kJ/KgK == 0,278Wh/KgK).
Zur Relativierung des ganzen: 1l Öl enthält ca. 10,08kWh Energie (davon werden nach diesen Überlegungen 0,5kWh in Form von Wasserdampf bei der Verbrennung abgegeben)! Ohne Ausnutzung des Brennwerteffekte kann man theorethisch also nur 94% der Energie nutzen (wenn die Abgastemperatur identisch mit der Ansaugtemperatur ist). Bei Gas ist der Effekt noch etwas stärker (der Energieinhalt eines m³ Gas entspricht etwa dem eines Liters Öl)!
Nur der Vollständigkeit halber:
Für die (ideale) Verbrennung von einem Liter Öl werden ca. 9,6m³ Luft benötigt (theoretischer Wert). Bei dieser Verbrennung entstehen ca. 10m³ Abgas.
Zusammensetzung: 7,509m³ Stickstoff, 1,422m³ CO2, 1,162m³ Wasserdampf. (== 14% CO2 Anteil; 100g Wasser/m³)
Ein m³ Abgas enthält näherungsweise 1kg Masse. Wird das Abgas mit 100° Celsius durch den Kamin geschoben, nimmt es nochmal 75*10*1kJ = 750kJ (0,21kWh) Energie mit nach draußen....

Konsequenzen für die Brennwertnutzung:
Aus den hier aufgeführten Überlegungen zeigt sich, daß das einem Heizaggregat zugeführte Wärmeträgermedium (typ. Wasser) möglichst kalt sein sollte um den Wirkungsgrad der Gesamtanlage möglichst hoch zu halten.
Das kühlste Wasser in einer Heizungsanlage ist normalerweise das Rücklaufwasser der Heizkörper. Dieses Temperaturniveau kann gewöhnlich nicht unterboten werden.
Bewußt außen vor lasse ich hier die Kessel, welche mit einer Ansauglufterwärmung arbeiten. Diese Technik ist nicht für jede Verbrennungswärmequelle sinnvoll, im Speziellen ist sie bei einem verbrennungsmotorbasierten BHKW mit abgestimmter Luftzuführung kontraproduktiv. Wie sich aus den Betrachtungen der Energieverteilung im Abgas (Wärmeenergie / Kondensationsenergie) erschließt, ist damit auch prinzipbedingt nicht sehr viel zu holen.
Diese Überlegungen zeigen, daß es notwendig ist, die Temperatur des Rücklaufwasseres auf den niedrigsten, technisch sinnvollen, Wert zu bringen. Aus den anderen oben aufgeführten Überlegungen ersieht man, daß eine möglichst niedrige Vorlauftemperatur auch aus Sicht der Wärmequelle sinnvoll ist.

Dazu ein paar Basisüberlegungen:
Die Rücklauf-Temperatur des Wassers ist direkt davon abhängig, wie lange das Wasser in einem Heizkörper verweilt (siehe auch hier). Wenn die Durchlaufmenge eines Heizkörpers also kleiner wird, sinkt die Temperatur des unten abfließenden Wassers.
Die Durchlaufmenge wird in einem Heizungssystem durch zwei Größen beeinflußt: Durch die Umlaufpumpe und durch den Fließwiderstand im Rohrsystem.
Die Umlaufpumpe gibt ein Druckniveau vor, welches sich mittels der Reibungswiderstände in eine Wassermenge pro Zeiteinheit umsetzt. Leider kann die Umlaufpumpe meist nur in größeren Schritten oder gar nicht an das System angepaßt werden. Wenn sie zu groß ist, kann man sie nur gegen eine kleinere austauschen! Dies ist vor allem dann notwendig, wenn sich auf Grund von Fließgeräuschen das Heizungssystem unangenehm bemerkbar macht! Eine Sonderstellung nehmen sog. 'elektronische' Pumpen ein. Bei diesen hält ein eingebauter Regler das Ausgangsdruckniveau konstant. Diese Pumpen sind aber nur für größere Heizungsanlagen wirklich sinnvoll. Die Pumpen sind unter dem Begriff 'Hocheffizenzpumpen' jetzt überall vorgeschrieben. Diese Pumpen haben, besonders in älteren Heizungsanlagen, das Problem, daß sie sehr empfindlich auf Verschmutzung im Heizungswasser reagieren. Besonders die Oxydreste von Eisenteilen können diese Pumpen schnell ausser Gefecht setzen. Die Vorteile der Pumpen sind bei einem gut eingestellten Heizsystem (s.u.) mit einer guten Steuerung für ein Ein- bis Dreifamilienhaus nicht besonders hoch. Eine gute Steuerung schaltet die Pumpe ab wenn sie nicht benutzt wird. Ein gut eingestelltes System braucht eh kaum Pumpleistung.

Der Widerstand, den ein einzelner Zweig des Heizungssystems dem Wasser entgegenstellt, ist, neben den installationsbedingten Größen der Zustand des Thermostatventils sowie die Einstellung der Rücklaufverschraubung und falls vorhanden, die Begrenzungseinstellungeinstellung am Einlassventil des Heizkörpers. Da die Vorlaufmengeneinstellung am Einlassventil nur bei neueren Anlagen standard ist, beschreibe ich hier alles bezogen auf die häufiger anzutreffende Rücklaufverschraubung. Diese Einstellmöglichkeit erlaubt es, die durch den Heizkörper maximal fließende Wassermenge einzustellen. Damit ist jeder Heizkörper eines Heizungssystems auf seine optimale Wärmeleistung einstellbar (dynamischer Abgleich).
An dieser Stelle sind zwei Randbedingungen zu beachten:

  1. Wir wollen die Rücklauftemperatur so niedrig wie möglich haben,
  2. der Heizkörper muß den Raum noch aufwärmen können.

Ein Heizkörper wird vom Hersteller immer auf einen bestimmten Energieabgabewertebereich, bezogen auf einen Vorlauftemperaturbereich mit einer bestimmten Wassermenge (l/h), entwickelt. Diese Größen darf man nicht aus dem Auge verlieren. Der Heizkörper kann nur dann seine 'optimale' Energieabgabe liefern, wenn er mit diesen Werten betrieben wird. Hier gilt es zu beachten:
Ein Heizkörper, welcher 'zu viel' Wasser erhält, gibt nicht proportional mehr Energie ab, im wesentlichen steigt nur die Rücklauftemperatur. Ein Heizkörper mit 'zu wenig' Wasser liefert weniger Energie als sich aus der reduzierten Wassermenge ableiten ließe. Obwohl in diesem Fall die Rücklauftemperatur absinkt, ist sie dennoch höher als erwartet.
Ein Heizkörper gibt seine Energie immer bezogen auf die Vorlauftemperatur und die Wassermenge ab. Eine höhere Vorlauftemperatur erhöht also zunächst einmal die Energieabgabe, aber auch die Rücklauftemperatur.

Welche Energie notwendig ist, um einen Raum zu beheizen, ergibt sich aus der Dämmung des Raumes gegen die kalte Umgebung. Näherungsweise kann solch ein Wert auch über das Baujahr und die Fläche und Umgebung eines Raumes ermittelt werden. Steht die zu liefernde Energiemenge fest, kann mittels des Wirkungsgrades (kW/m²) des Heizkörpers die Vorlauftemperatur bzw. die Durchflußmenge definiert werden. Hierbei ist zu beachten, daß eine niedrigere Vorlauftemperatur die Wärmeverluste im Verteilsystem und die Wärmebereitstellung in der Wärmequelle optimiert!
(Technischer Hinweis: 1l Wasser liefert bei Abkühlung um 1 Grad Kelvin ca. 4,187 kJ (0,001163 kWh) Wärme)

Ziel ist es, mit der geringsten Wassermenge bei niedrigster Vorlauftemperatur die Energie im Haus zu verteilen. Siehe dazu auch die Auslegung der Wasserleitungsquerschnitte.

Daher muß dafür gesorgt werden, daß alle Heizkörper eines Hauses, bei einer bestimmten Vorlauftemperatur, relativ zur Raumgröße die gleiche Leistung abgeben! Möglicherweise muß in einem Teil des Hauses die Außenisolierung verbessert werden, da sonst alle anderen Heizkörper eine zu hohe Vorlauftemperatur erhalten, nur weil ein oder zwei andere Räume nicht warm werden!

Die einzige Größe, die hier sinnvoll entgegenkommt, ist die Heizkörperwirkfläche. Je größer diese ist, desto niedriger darf die Vorlauftemperatur sein. Grenzfälle: Fußbodenheizung und Wandheizung! ....

Die optimale Heizungsanlage hat also im ganzen Haus pro abzugebendem kW Wärme die gleiche Wirkoberfläche der Heizung. Des weiteren ist diese Fläche möglichst groß!
Durch eine niedrigere Vorlauftemperatur wird der Thermikeffekt einer Heizung im Winter minimiert. D.h. es wird weniger lokale, trockene Warmluft erzeugt, welche eine ungleichmäßige Wärmeverteilung im Raum bewirkt. Das Raumklima wird dadurch angenehmer. Eine größere Wirkfläche der Heizkörper bewirkt einen höheren Anteil der Wärmeverteilung durch Strahlungsenergie im Raum. Dies ist die 'angenehmere' Wärme.

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Luftbedarf eines Brenners

Bei 'natürlicher' Luftzufuhr sollte mit einem Luftzufluss von 1,6m³ Luft pro kWh erzeugter Wärme kalkuliert werden!
Offene Kamine werden hierbei fiktiv mit einer Wärmeleistung von 340kW pro m² Feuerraumöffnung angesetzt.

Wirkungsgradmessungen des Schornsteinfegers

Die Meßgeräte des Schornsteinfegers messen (u.a.) den CO-Anteil im Abgas sowie die Abgas- und die Ansaugtemperatur (Raumtemperatur) und berechnen daraus einen 'Wirkungsgrad'. Der CO-Anteil sagt, wieviel des Brennstoffs nicht verbrannt wurde, sondern unverbrannt nach draußen geht, die Temperaturdifferenz kann unter Berücksichtigung der Brenner-Nennleistung (Typenschild) zur Berechnung der Menge der durch den Kamin geschobenen Wärmemenge genutzt werden. Bei einer optimalen Heizung (gute Fußbodenheizung) kann es vorkommen, daß die Raumtemperatur des Heizungskellers höher ist als die Rücklauftemperatur und dann auch als die Abgastemperatur. Jetzt mißt das Gerät eine Abkühlung von der angesaugten Luft zum Abgas. Dies müßte einen Wirkungsgrad >100% zur Folge haben.

Stichwort: Wasserdampftafel / Magnusformel

Mit diesem Begriff wird eine Tabelle bezeichnet, welche die Verbindung zwischen dem Dampfdruck von Wasserdampf zu einer bestimmten Temperatur darstellt. Aus dieser Tabelle läßt sich auch das Gewicht pro Rauminhalt sowie die enthaltene Energiemenge entnehmen. Im praktischen Beispiel Luftfeuchtigkeit wird hiermit der Sättigungsdampfdruck beschrieben, im Prinzip sagt der Druck aus, wieviel der Luft in einem Volumen durch Wasserdampf ersetzt wird. Bei 100° Celsius ist der Dampfdruck 1 Bar und somit keine Luft mehr vorhanden ... Die Wasserdampftafeln sind ursprünglich ein Ergebnis von Einzelmessungen. Mit guter Näherung werden sie heute mittels der Magnusformel berechnet.

Wasserdampftafel

Eine Wasserdampftafel

Sättigungsdampfdruck

Sättigungsdruck, temperaturabhängige Obergrenze des Dampfdrucks; definiert den Zustand '100% relative Feuchte'.

Magnusformel:

nach H. Magnus (1802-1870), praxistaugliche Näherungsgleichung zur Berechnung des Sättigungsdampfdrucks. » Eine Erklärung der Magnusformel

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Letzte Änderung: Do. 16.05.2013