FHTE Vorlesung Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung

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FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - [email protected]
FHTE Vorlesung Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung
Teil B: Wärmeerzeugung
Inhaltsverzeichnis
1.
Berechnungsgrundlagen ............................................................................................ 3
2.
Heizkessel, Aufbau und Betriebsweise ...................................................................... 7
2.1. Grundlagen ................................................................................................................................... 7
2.1.1.
Der Kessel als Wärmetauscher .................................................................................... 7
2.1.2.
Brennstoffart ................................................................................................................. 8
2.1.3.
Brennstoffvielfalt ........................................................................................................... 9
2.1.4.
Kesseltyp .................................................................................................................... 10
2.1.5.
Bauform ...................................................................................................................... 10
2.1.6.
Anzahl Kessel ............................................................................................................. 11
2.1.7.
Regelung .................................................................................................................... 11
2.1.8.
Brennerprinzip ............................................................................................................ 16
2.1.9.
Einbindung Trinkwarmwassererzeugung ................................................................... 16
2.1.10.
Normen und Richtlinien .............................................................................................. 19
2.2. Brennwerttechnik ........................................................................................................................ 24
2.3. Wirkungs- und Nutzungsgrad ..................................................................................................... 24
2.4. Öl- / Gaskessel............................................................................................................................ 39
2.4.1.
Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW) ................................................. 39
2.4.2.
Industriekessel 0,5 - 2 MW ......................................................................................... 40
2.5. Pelletkessel ................................................................................................................................. 40
2.6. Hackschnitzelkessel .................................................................................................................... 42
3.
Dampfkessel ............................................................................................................ 50
4.
Auslegung von Kesselanlagen ................................................................................. 51
4.1. Wärmebedarf .............................................................................................................................. 51
4.2. Auslegung / Nennleistung ........................................................................................................... 51
4.3. Integration in die Gesamtanlage ................................................................................................. 51
5.
4.3.1.
Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW) ................................................. 52
4.3.2.
Industriekessel 0,5 - 2 MW ......................................................................................... 52
4.3.3.
Industriekessel 2-50 MW ............................................................................................ 52
Trinkwarmwassererzeugung .................................................................................... 53
5.1. Grundlagen ................................................................................................................................. 53
5.2. Auslegung und Anlagentechnik .................................................................................................. 53
Rev. 1.2
1
5.2.1.
Speicherladesystem ................................................................................................... 53
5.2.2.
System mit innenliegendem Wärmetauscher ............................................................. 54
5.3. Berechnungsbeispiel ................................................................................................................... 56
6.
Nahwärmeversorgung .............................................................................................. 62
6.1. Grundlagen ................................................................................................................................. 62
6.2. Wärmebedarf - geordnete Jahresdauerlinie ............................................................................... 65
6.3. Rohrleitungen und Absperrungen ............................................................................................... 70
6.4. Hauseinführungen ....................................................................................................................... 72
6.5. Hausübergabestation .................................................................................................................. 72
6.6. Regelung ..................................................................................................................................... 74
6.7. Anschlussbedingungen ............................................................................................................... 75
7.
Blockheizkraftwerke ................................................................................................. 77
7.1. Anlagentechnik............................................................................................................................ 77
7.2. Betriebsweise .............................................................................................................................. 82
7.3. Technische Daten ....................................................................................................................... 82
7.4. Investitions- und Betriebskosten ................................................................................................. 83
8.
7.4.1.
Investitionskosten ....................................................................................................... 84
7.4.2.
Betriebskosten ............................................................................................................ 84
7.4.3.
Wirtschaftlichkeit ........................................................................................................ 85
Kraft-Wärme-Kopplung ............................................................................................ 87
8.1. Grundlagen ................................................................................................................................. 87
8.2. Berechnungen ............................................................................................................................. 88
9.
Wirtschaftlichkeitsberechnung.................................................................................. 91
9.1. Grundlagen ................................................................................................................................. 94
9.2. Dynamische Annuitätsmethode .................................................................................................. 98
9.3. Barwertmethode .......................................................................................................................... 98
9.4. Interner Zinsfuß ......................................................................................................................... 102
10. Berechnungsbeispiel Nahwärmeversorgung .......................................................... 103
11. Anlagencontracting ................................................................................................ 112
12. Referenzen............................................................................................................. 113
Revision
1.1
Rev. 1.2
Date of Revision
Modified
Checked
Remarks
02.11.2013
M.Heinisch
M.Heinisch
Kapitel 9 neu verfasst
04.05.2013
M. Heinisch
M. Heinisch
2
1. Berechnungsgrundlagen
In den Berechnungsgrundlagen sind die hier benötigten Zusammenhänge / Grundgleichungen aufgeführt.
Die jeweiligen Zahlenbeispiele sind willkürlich gewählt und sollen mit den gewählten Einheiten die praktische
Anwendung erleichtern.
Die Tabellen stammen aus dem Arbeitsblatt A1.
Gr 2.9: Häufig benötigte Formeln
Q
Q
m
V
cp
c pm
dT
Eingabe
0,56
0,56
100,00
100,00
1,00
1,00
20,00
Q
Q
m
V
cp
c pm
dT
0,56
0,56
100,00
100,00
1,00
1,00
20,00
[kW]
[kW]
[kg/h]
[m³/h]
[kJ/kg K]
[kJ/m³ K]
[K]
Q = m * c p * dT
Q = ϱ * V * c pm * dT
(3)
(4)
(5)
Feldfarben:
Gespeicherte Wärme
Masse
Volumen
spez. Wärmekapazität
Temperaturdifferenz
Wärmeleistung
Ergebnis
[kWh]
[kWh]
[kg]
[m³]
[kJ/kg K]
[kJ/m³ K]
[K]
Formel
Q = m * c p * dT
Q = ϱ * V * c pm * dT
(1)
(2)
infolge
infolge
Massenstrom
Volumenstrom
Temperaturdifferenz
infolge
Wärmeübertragung
Wärmeleitfähigkeit
Schichtdicke
Durchtrittsfläche
Temperaturdifferenz
Q
λ
s
A
dT
0,40
0,04
0,01
2,00
50,00
[kW]
[W/m K]
[m]
[m²]
[K]
Q = (λ / s) * A * dT
infolge
Wärmeübergang
Wärmeübergangskoeffizient
Durchtrittsfläche
Temperaturdifferenz
Q
α
A
dT
1,5
15
2,00
50,00
[kW]
[W/m² K]
[m²]
[K]
Q = α * A * dT
(6)
V = A1 * w1 = A2 * w2
(7)
Kontinuitätsgleichung
Durchtrittsfläche
Strömungsgeschwindigkeit
Pumpe / Antriebsleistung
Druckdifferenz nach/vor Pumpe
Volumenstrom
Wirkungsgrad mech+el.
Antriebsleistung
A
w
0,15 [m³/s]
0,10 [m²]
1,5 [m/s]
0,20 [bar]
5,00 [m³/h]
0,0014
[m³/s]
60,00 [%]
46,30
[W]
P = dp * V / ƞp
In Kap. 6 „Nahwärmeversorgung“ wird die Grobdimensionierung von Nahwärmerohrleitungen ohne Druckverlustberechnung behandelt. Für die Druckverluste werden Herstellerangaben genannt. Für die Auslegungsplanung müssen selbstverständlich Druckverlustberechnungen durchgeführt werden. Das betrifft dann nicht
nur die Rohrleitungen selbst sondern auch die Einbauten wie Ventile, Wärmetauscher etc. Da es sich in der
Regel um verzweigte Netze handelt, wird diese Berechnung mit dafür geeigneten Programmen erstellt. Die
Rev. 1.2
3
Grundlagen der Berechnung von Druckverlusten sind in fast jedem (Rohrleitungs-)Handbuch zu finden. Hier
ein Auszug aus / /.
3.)
Druckverlust in Abhängigkeit vom Rohr-Innendurchmesser für einen ausgewählten Fall
Druckverlust dp abhängig vom Rohrdurchmesser d
Druckverlust dp [Pa]
dp = 816000
* l * ξ * ρ * V ² / (π² * d⁵)
mit V= 1
14000
d
0,01 0,015
0,02 0,025 0,03 0,035
0,04 0,05 0,06l=1 m
0,07 0,08 0,09
0,1 m
Rohrlänge
dp 12000
14443 2105 536,74 186 78,22 37,61
19,95 6,911 2,907
Volumenstrom
V= 11,398
m3/h0,741 0,424 0,257 Pa/m
w
3,539 1,573 0,8846 0,566 0,393 0,289
0,221 0,142 0,098ξ= 0,3164*Re
0,072 0,055Exp0,044
Widerstandszahl
1/4 0,035 m/s
Re 10000
35386 23590 17693 14154 11795 10110 8846 7077 5898 5055 4423 3932 3539
ξ
0,023 0,026 0,0274 0,029 0,03 0,032 0,033 0,034 0,036 0,038 0,039 0,04 0,041
8000
6000
4000
2000
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
Rohrdurchmesser (innen) [m]
Abb. 1.1: Zur Gl. 134, Druckverlust in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser d
Rev. 1.2
4
Rev. 1.2
5
In Kap. 6 „Nahwärmeversorgung“ werden für die Wärmeverluste der Rohrleitungen nur Angaben der Hersteller verwendet. Diese können übernommen werden oder aber auch selbst berechnet werden. Die Herleitung
der Formeln und der Rechengang findet sich in jedem wärmetechnischen Handbuch. Hier ein Auszug aus /
/.
Rev. 1.2
6
2. Heizkessel, Aufbau und Betriebsweise
Heizkessel sind Geräte zur Verbrennung fossiler Energieträger wie Gas, Öl oder Festbrennstoff der verschiedensten Spezifikation wie Holzpellet oder Hackschnitzel. Sie bestehen aus einem Brenner (Feuerrost
bei Festbrennstoffen) und einem Kesselkörper.
Eine Übersicht über die Einteilungssystematik nach /1/ für Gas-/Ölkessel zeigt Abb.2.1
Abb. 2.1: Einteilungssystematik für Heizkessel
2.1. Grundlagen
2.1.1. Der Kessel als Wärmetauscher
Der Kessel kann im Grunde als ein Wärmetauscher betrachtet werden, in dem die Wärme von den erzeugten
Verbrennungsgasen an das Heizwasser übertragen wird (siehe Abb. 2.2). Die Ein-/Austrittstemperaturen des
„Wärmetauschers“ Tf, TA, Tr und Tv hängen von folgenden Einflussgrößen ab:

Flammtemperatur Tf: - Funktion des Verbrennungsprozesses
- Geometrie der Brennkammer und Flammenausdehnung in der Brennkammer
- Temperatur der Heizflächen in der Brennkammer

Abgastemperatur TA: - Tr
- Dimensionierung der Heizflächen
- Wärmeübergang zwischen Verbrennungsgas und Heizfläche
Rev. 1.2
7

RücklauftemperaturTr,: - Heizkreis-Rücklauftemperatur Tr,h

Vorlauftemperatur Tv:
- Tr
- Heizwassermassenstrom mh
Eine Berechnung der Feuerungstemperatur/Flammtemperatur ist nur mit hohem Aufwand möglich und wird
nur zu Forschungszwecken durchgeführt. Einfacher und für die Praxis schneller durchführbar sind Messungen. Hier wird darauf nicht näher eingegangen.
Die Abgastemperatur hängt im Wesentlichen von der Heizkreis-Rücklauftemperatur Tr,h und der Auslegung
der Kesselheizflächen / Wärmeübertragung Verbrennungsgas-Heizwasser ab. Bei einem hochwertigen Kessel beträgt die Differenz dTP =TA - Tr etwa 20K und bei einem „durchschnittlich“ konzipierten Kesseln etwa
40K. Bei Dampfkesseln bezeichnet man diese Temperaturdifferenz als „Pinch Point“.
T
Temperatur [ºC]
0
900
20
80
50
800
Q
800Heizkessel: Temperatur - Wärmeleistungs - Diagramm
120
T f = f(Feuerung) ca 700-1400 ºC
Heizwasser
700
Abgas
600
500
T A = f(T r), ca T r + 30K
400
300
200
T r = f(Heizkreis),
ca 30-50 ºC
T v = f(T r,; mh ) ca T r + 30K
100
0
0
5
10
15
20
25
übertragene Wärmeleistung Abgas -> Heizwasser [kW]
Abb. 2.2: Schema eines Temperatur –Wärmeleistungsdiagramms für einen Heizkessel.
Klassifizierung von Gaskesseln nach TRGI
Die TRGI (Technische Regeln für Gasinstallationen) unterteilt Gaskessel in drei Typen: A,B und C. Unterscheidungsmerkmal ist der raumluftabhängige und raumluftunabhängige Betrieb. unter raumluftabhängigem
Betrieb versteht man das Ansaugen der Verbrennungsluft direkt aus dem Aufstellraum. Bei raumluftunabhängigem Betrieb wird dem Kessel Außenluft über separate Zuleitung zugeführt. Dies wird in der Mehrzahl
der Fälle über den Anschluss des Kessels an das LAS (Luft-Abgas-System,) gewährleistet. Überein Rohr-in Rohr System wird sowohl das Abgas aus dem Gebäude (inneres Rohr) als auch Frischluft zum Kessel (äußeres Rohr) geleitet.
2.1.2. Brennstoffart
In den Scripten Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung werden nur die Brennstoffe Erdgas, Heizöl EL und
Holz (Holzpellets und Hackschnitzel) behandelt. Deshalb werden hier auch nur die entsprechenden Kesseltechniken beschrieben.
Rev. 1.2
8
Die Brennstoffart bestimmt den Aufbau des Kessels. Gas- und Ölkessel unterscheiden sich grundlegend von
den Festbrennstoffkesseln.
Bei den Gas- und Ölkesseln findet die Verbrennung nahezu ausschließlich „im Brenner“ statt: Also die Herstellung eines Brenngases (nur bei Ölbrennern), die Mischung mit der Verbrennungsluft und die Zündung.
Die Flammenbildung/Verbrennung selbst erfolgt in der Brennkammer und dort „beginnt“ dann auch die
Wärmeübertragung zwischen Verbrennungsgas und den Heizflächen (siehe Abb. 2.3). Im weiteren Kontakt
zwischen Verbrennungsgas und Heizflächen kühlt sich das Verbrennungsgas durch Wärmeübertragung an
die Heizflächen ab bzw. erwärmt sich das Heizwasser.
Abb. 2.3: Ölkessel
Abb. 2.4: Hackschnitzelkessel mit Rostfeuerung
In der Regel ist der Brenner eine „eigenständige“ Baueinheit, die am Kessel angeflanscht wird. Nur bei den
Wandkesseln bzw. Heizthermen ist der Brenner integraler Bestandteil des Kessels.
Im Gegensatz dazu werden bei den Festbrennstoffkesseln Brennstoff und Verbrennungsluft getrennt der
Brennkammer zugeführt (siehe Abb. 2.4). Der Verbrennungsablauf findet in der Brennkammer statt, einen
separaten Brenner wie bei den Gas- und Ölkesseln gibt es nicht. In der Brennkammer „entstehen“ die Verbrennungsgase, die ihre Wärme in den nachgeschalteten Heizflächen an das Heizwasser abgeben.
2.1.3. Brennstoffvielfalt
Mit Brennstoffvielfalt wird hier die technische Lösung der Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner bezeichnet. Es
sind dies Sonderlösungen zur Erhöhung der Versorgungssicherheit oder des flexiblen Einsatzes von Brennstoffen. Kessel für die Beheizung privater Wohngebäude werden ausschließlich mit Einstoffbrennern, entweder Gas oder Öl ausgestattet.
Der wechselweise Einsatz von Gas und Öl kann sinnvoll sein wenn besonders an die Versorgungssicherheit
hohe Anforderungen gestellt werden. Bei einer Unterbrechung der Gasversorgung kann Öl und bei Störungen im Ölsystem kann Gas eingesetzt werden. Auch aus Kostengründen wird diese Flexibilität oft gefordert.
Bei „Großkesseln“ zur Verfeuerung fester Brennstoffe wie Hackschnitzel oder Kohle dienen Ölbrenner zum
Anfahren und für einen Notbetrieb bei Störungen. Zweistoffbrenner für den Regelbetrieb sind heutzutage
eher eine Ausnahme.
Rev. 1.2
9
2.1.4. Kesseltyp
Grundsätzlich wird in drei Typen unterschieden, die anschließend erläutert werden:
- Konstanttemperaturkessel (Standardkessel)
- Niedertemperaturkessel
- Brennwertkessel
Ein Konstanttemperaturkessel oder Standardkessel ist ein Kessel, bei dem die durchschnittliche Betriebstemperatur durch seine Auslegung beschränkt sein kann (nach Richtlinie 92/42/ EWG)“. Diese Definition
sagt dem Anwender wenig. Der Satz mein: der Konstanttemperaturkessel kann konstruktionsbedingt nur mit
hohen Temperaturen (i.d.R. über 70 °C) betrieben werden, damit es nicht zur Wasserdampfkondensation
kommt.
Der Niedertemperaturkessel ist „ein Kessel, der kontinuierlich mit einer Eintrittstemperatur von 35…40 C
funktionieren kann und in dem es unter bestimmten Umständen zur Kondensation kommen kann ((nach
Richtlinie 92/42/ EWG)“. In der Praxis werden diese Kessel auf etwa 70 C Vorlauftemperatur ausgelegt.
Der Brennwertkessel ist „ein Kessel, der für permanente Kondensation eines Großteils der in den Abgasen
enthaltenen Wasserdämpfe konstruiert ist (nach Richtlinie 92/42/ EWG)“.Brennwertkessel nutzen durch Kondensation eines Teils des Wasserdampfes die dabei frei werdende Kondensationswärme zur Heizung. Sie
benötigen dafür entsprechend niedrige Rücklauftemperaturen unter ca. 50 C (Erdgas) bzw. 45C (Heizöl). Die
dazu benötigten Wärmetauscher können extern oder im Gerät angeordnet sein.
2.1.5. Bauform
Heizkessel können als bodenstehender Kessel (Standardkessel, siehe Abb. 2.5) oder als Therme (nur für
Brennstoffe Gas und Öl, siehe Abb. 2.6) ausgeführt werden. Grundsätzlich unterscheiden sich beide Bauarten durch ihren Wasserinhalt und dadurch bedingt durch ihren Platzbedarf. Kessel sind ausgelegt auf einen
Wasserinhalt von etwa 1..1,5 l/kW Feuerungswärmeleistung und Therme nur auf etwa ein Zehntel bzw. 0,1 l/
kW.
Abb. 2.5: Bodenstehende Kessel
Abb. 2.6: Therme (wandhängender Kessel)
Verbunden mit dem geringen Wasserinhalt der Therme ist das Problem eines notwendigen Mindestvolumenstroms. Thermen besitzen - auch wenn sie ihre Leistung durch Modulation in Grenzen anpassen können eine hohe Wärmeleistung beim Brennerstart auf. Damit sich die Heizflächen nicht überhitzen, muss die
Wärme entweder an eingespeichertes Volumen oder den durchfließenden Wasservolumenstrom abgegeben
werden. Im Fall der Therme muss ein Mindestvolumenstrom - in der Regel mit einer dem Gerät zugeordneten Pumpe realisiert werden. Dies erfolgt entweder durch ein parallel zum Kessel angeordnetes Überströmventil, ein internes Überströmventil, ein (immer offenes) Dreiwegeventil an beliebiger Stelle in der Anlage
Rev. 1.2
10
(z.B. Dreiwege -Thermostatventil) oder andere Arten der Aufrechterhaltung der Zirkulation (Pufferspeicher,
hydraulische Weiche).
2.1.6. Anzahl Kessel
Eine Kesselanlage kann aus verschieden Gründen als Ein- oder Mehrkesselanlage ausgeführt sein:

Anpassung der Kesselleistung an den Bedarf

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit

Optimierung der Anschaffungs- und Betriebskosten

„Einkesselanlage“:
- Heizzentrale mit Gas-, Öl- oder Pelletkessel ohne besonders hohe Anforderungen an die Versorgungssicherheit

„Mehrkesselanlage“:
- Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel: Aus Kostengründen und aus dem Grund der der Anpassung
von Kesselleitung an den Mindestlastbedarf Auslegung des Hackschnitzelkessels als Grundlast
kessel (Nennleistung ca. 40 % von der max. Wärmelast) und 100% Gas- oder Ölkessel zur
Abdeckung der Leistungsspitze und als Ausfallreserve.
-Heizzentralen für die Wärmeversorgung mit hoher Versorgungssicherheit wie z.B. in Krankenhäusern, Produktionsbetrieben usw.
2.1.7. Regelung
Nur in Ausnahmefällen ist der Wärmebedarf konstant und
dementsprechend konstant könnte die Wärmeleistung dimensioniert und gefahren werden. Das Diagramm Abb. 2.7 zeigt
beispielhaft den von der Jahreszeit/Außentemperatur abhängigen Heizwärmebedarf und in Abb. 2.8 die daran anzupassende
Wärmeleistung des Heizkessels.
Abb. 2.7 Heizwärmeleistung im Jahres
verlauf
Abb. 2.8: Relative Kesselleistung geordnet nach Heiztagen / Außentemperatur
Rev. 1.2
11
Aufgabe der Regelungstechnik von Warmwasserheizungen ist die Anpassung der Wärmeleistung von Wärmeerzeugung (Kessel) an den Wärmebedarf (Raumheizeinrichtung wie z.B. Heizkörper, Fußbodenheizung
etc.). Die Schwierigkeit bei dieser Aufgabe besteht darin, dass es sich bei der Wärmeerzeugung um eine
„zentrale“ Komponente und den Rauheizeinrichtungen um im Gebäude verteilte, „dezentrale“ Einrichtungen
handelt.
Beginnt man „dezentral“ am einzelnen Heizkörper, so kann die Wärmeleistung, die Raumheizeinrichtungen
abgeben beeinflusst werden durch
Regelung der Vorlauftemperatur
Regelung des Heizwasserdurchflusses (Volumenstrom)
Demnach werden Warmwasserheizungen geregelt durch:

Zentrale Regelung der Kessel-Vorlauftemperatur für alle Raumheizeinrichtungen

Dezentrale Regelung des Heizwasserstroms am einzelnen Heizkörper.
Grundsätzlich kann die Regelung der Wärmeleistung der dezentralen Heizkörper und die Kesselregelung
nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Hier wird jedoch davon ausgegangen, dass die Regelung
des Heizwasserstroms am Heizkörper durch Thermostatventile bzw. die nach ENEV auch vorgeschlagene
Einzelraumtemperaturregelung in anderen Vorlesungen behandelt wurden. Deshalb wird hier darauf nicht
weiter eingegangen.
Bei der Behandlung der Vorlauftemperaturregelung muss beachtet werden, dass diese Aufgabenstellung
eine andere ist wie die der Kesselregelung:
i.
Vorlauftemperaturregelung:
Regelt die Vorlauftemperatur des/der Heizkreise
ii.
Kesselregelung:
Schaltet den Kessel ein/aus und regelt die Wärmeleistung
Besteht die Kesselregelung aus einem Zweipunktregler, so handelt es sich genau genommen nicht um eine
Regelung sondern um eine Steuerung. Oftmals vereinen zentrale Kesselregler beide Aufgaben in einem
Steuergerät.
I.
Vorlauftemperaturregelung
Ein „Zentralgerät“ sorgt durch zentralen Eingriff dafür,
dass die Raumheizeinrichtungen eine je nach Witterungsverhältnissen höhere oder niedrigere Vorlauftemperaturen erhalten. Dies wird in der Praxis vereinfachend „gleitende Fahrweise“ genannt; die genaue Bezeichnung lautet „außentemperaturgeführte Reglung der
Vorlauftemperatur“, da zu jeder Außentemperatur eine
bestimmte Vorlauftemperatur gehört (s. Abb.2.9)
Eine Außentemperaturgeführte Regelung der Vorlauftemperatur ist heute bei allen Heizungsanlagen eine
Regelungsstandard.
Die Außentemperatur wird kontinuierlich durch einen
Außentemperaturfühler erfasst. Entsprechend der gewählten Heizkurve wird für die Regelung der Vorlauftemperatur jeder Außentemperatur ein bestimmter Sollwert zugeordnet. Regelgröße ist die Vorlauftemperatur,
welche ebenfalls ständig gemessen wird; ihr Istwert ist die
Eingangsgröße am Regelgerät. Im Regelgerät wird der
Ist-Wert mit dem Soll-Wert verglichen. Störgrößen durch
Rev. 1.2
Abb. 2.9: Kennfeld einer Vorlauftemperaturregelung (Vorlauftemperatur als
Funktion der Außentemperatur)
12
das Heizsystem (Zu-/Abschalten von Heizkörpern etc.) oder von „außen“ durch Witterungseinflüsse verursachen Abweichungen zwischen Ist- und Soll-Wert und werden durch Veränderung des RücklaufBeimischstroms ausgeglichen. Hierzu erhält das Stellglied (s. Abb. 2.10, Drei-Wege-Mischventil) vom Regelgerät ein Signal zur Änderung seiner Stellgröße, z-B. des Ventilhubs. Weil die Stellgröße beliebige Werte
zwischen 0 und 100% annehmen kann, spricht man auch von „stetiger Regelung“ im Gegensatz zur Zweipunktreglung bei der Kesselreglung (genau genommen nur eine Steuerung).
Abb. 2.10: Grundprinzip einer außentemperaturgeführten Regelung der Vorlauftemperatur durch
Rücklauf-Beimischung
Das zentrale Steuergerät übernimmt in der Regel die weiteren Aufgaben wie:
Zeitabhängige Absenkung der Raumtemperatur bei Nacht oder an Wochenenden
Wiederanheizen nach einer Nachtabsenkung
Steuerung der Ladung des Trinkwarmwasserspeichers
II.
Kesselregelung
Ebenso wie die Leistung der Heizkörper muss die Leistung des Wärmeerzeugers auf die jeweilige Wärmelast
„heruntergeregelt“ werden. Bei den ölgefeuerten Kesseln unter 100kW Nennleistung ist die Kesselreglung
mit den derzeit am Markt befindlichen Brennern in den meisten Fällen eine Zweipunktregelung. Der Brenner
arbeitet, wenn er gezündet hat, stets mit seiner einmal eingestellten Leistung, dies jedoch immer nur für begrenzte Zeit.
Als Regelgröße dient die Wassertemperatur im Kessel. Ein im Kesselwasser angeordneter Thermostat bewirkt, dass bei Absinken der Kesselwassertemperatur unter den eingestellten Sollwert der Brenner eingeschaltet wird. Nach Erreichen des Sollwerts schaltet ihn der Thermostat wieder aus. Die Einschalttemperatur
liegt meist 5-10K unter dem Sollwert. Diese Schaltdifferenz ist im Allgemeinen vom Kesselhersteller fest eingestellt – im Gegensatz zum Sollwert, der vom Nutzer am Thermostat verändert werden kann. Abb. 2.11
zeigt den typischen Verlauf der Regelgröße, hier der Kesselwassertemperatur, in Abhängigkeit von der Zeit.
Rev. 1.2
13
Abb. 2.11:
Typischer Temperaturverlauf bei Zweipunktregelung
a = Aufheizkurve (extrapoliert)
k = Abkühlkurve (extrapoliert)
n = Abkühlungskurve (z.B. am Ende einer Nachtabsenkung)
Im Unteren Teil des Diagramms ist die Stellgröße aufgetragen, die bei der Zweipunktregelung nur die zwei
Stellungen EIN und AUS kennt. Die beiden Stellungen sind bei der Kesselregelung die Stellungen des Brennerschalters. Es ist ein Merkmal der Zweipunktregelung, dass die Regelgröße (hier die Kesselwassertemperatur) innerhalb der Schaltdifferenz ständig zu- und abnimmt. Bei Betrachtung des Diagramms fällt auf, dass
die Temperatur auch nach Abschalten des Brenners zunächst noch weiter ansteigt und nach Einschalten
zuerst noch etwas abfällt, bevor sie wieder ansteigt. Grund für dieses „Überschwingen“ und die sich dabei
ergebende „Totzeit“ sind die Wärme speichernden Massen des Kesselwassers und der Kesselbaustoffe. Die
Kesselregelung gehört bei Kesseln zur fabrikseitigen Ausstattung.
Auch gasfeuerte Kessel kleinerer Leistung arbeiten mit zweipuktgeregelten Brennern. Im Gegensatz zu Ölbrennern werden hier auch bei kleinen und kleinsten Wärmeleistungen „modulierende“ Gasbrenner mit und
ohne Gebläse angeboten. Eine solche Regelung ist in der Anschaffung teurer als eine Zweipunktregelung,
es lassen sich aber im späteren Betrieb Brennstoffkosten einsparen. Eine Brennerregelung in Stufen (meist
zwei) stellt eine Zwischenlösung dar.
Über das zentrale Steuergerät zur Steuerung der Vorlauftemperatur im Heizkreis ist auch grundsätzlich möglich, die Kesselwassertemperatur zu regeln, wobei der Kessel ebenso wie der Heizkreis bei niedrigen Außentemperaturen mit hoher und bei höheren Außentemperaturen mit entsprechend geringeren Wassertemperaturen betrieben wird. Man bezeichnet dies als „gleitende Fahrweise“ des Kessels. Dabei sind drei Punkte zu
beachten:
Die Kesselwassertemperatur muss immer so eingestellt werden, dass sie größer oder zumindest gleich der Temperatur ist, die der Heizkreis mit dem höchsten Temperaturniveau
(bei > 1 Heizkreisen) erfordert.
Rev. 1.2
14
Wenn die Trinkwarmwassererwärmung mittels Heizwasser erfolgt, so muss dieses eine bestimmte Mindesttemperatur haben (i.d.R. > 60 ºC), damit eine ausreichende Erwärmung des
Trinkwassers sicher gestellt ist.
Eine Reihe von Heizkesseln, vor allem Stahlkessel größerer Leistung, erfordern wasserseitig
eine bestimmte Mindesttemperatur (meist 65-75 ºC), damit im Kessel keine Taupunkttemperatur eintritt.
Die Rücklauftemperatur, mit der das Heizwasser von den Heizkörpern zurückkommt und in den Kessel eintritt, liegt fast immer unter dem für den Kessel erforderlichen Mindestwert. Daher ist bei Kesseln, die nicht
gleitend betrieben werden können, eine Anhebung der Rücklauftemperatur durch Beimischung von (heißem)
Kesselwasser notwendig. Die einfachste Lösung,
o
den Kessel mit Rücksicht auf die zentrale Trinkwarmwassererwärmung und zur Verhinderung von Taupunktkorrosion mit gleichbleibend hoher Temperatur und gleichzeitig
o
die Heizkörper mit veränderlicher, abgesenkter Heizwassertemperatur
zu betreiben, besteht in der Verwendung eines Vierwegemischers. Eine übliche Schaltung ist in Abb. 2.12
dargestellt. Bei Tieftemperaturkesseln oder Brennwertkesseln sind Mischer zur Regelung der Vorlauftemperatur nicht erforderlich, wenn die Kesselwassertemperatur außentemperaturabhängig geführt wird. In allen
anderen Fällen sind zur unabhängigen Regelung von Kessel und Heizkreis Mischer (Mischventile -> Dreioder Vierwegemischventile) vorzusehen.
Abb. 2.12
Die Aufgabe der Kesselregelung ist die Anpassung der Kesselleistung an den Heiz- oder Prozesswärmebedarf (s. Abb. 2.13)
Abb. 2.13: Heizleistung / Brennerleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur
Rev. 1.2
15
Jeder einzelne Kessel kann mit dem zugeordneten Brenner einstufig, mehrstufig oder modulierend (in Grenzen stufenlos) in seiner Leistung angepasst werden. Die stufenlose Leistungsanpassung kann bei den heutigen Kesseln etwa zwischen 30% (bei Mittel- und Großkesseln in NT-Bauweise 60%) und 100% der maximalen Leistung erfolgen - Ausnahmen mit einer Modulation bis unter 20% sind selten.
Die Modulation - einfacher bei Gasbrennern - erfolgt durch Anpassung des Gas- und in der Regel auch des
Verbrennungsluftvolumenstroms. Nach unten ist sie begrenzt, weil bei einer sehr geringen Gasströmung im
Brenner die Flamme nicht mehr stabil brennen kann.
Die Leistungsanpassung der Gesamtanlage erfolgt über Zu- und Abschaltung einzelner Kessel oder Kesselstufen sowie durch Modulation. Hierfür gibt es diverse Regelalternativen. Drei Beispiele:
Abb. 2.14a
Abb. 2.14b
Abb. 2.14c
Abb.: 2.14a
Kessel wird auf Anforderung des Kesselthermostats ein- und ausgeschaltet.
Abb.: 2.14b
Kessel wird auf Anforderung des Kesselthermostats ein- und ausgeschaltet und
abhängig von der Vorlauftemperatur wird der Brenner auf der Stufe 1 oder der
Stufe 2 betrieben.
Kessel wird auf Anforderung des Kesselthermostats ein- und ausgeschaltet. Je
nach Vorlauftemperatur wird der Brenner in Mindestlast (40%) betrieben oder die
Feuerungsleistung wird zwischen 40% und 100% variiert.
Abb.: 2.14c
2.1.8. Brennerprinzip
In den Kap. 6 des Scripts Feuerungstechnik ist das „Brennerprinzip“ von Gas- und Ölbrenner ausführlich
behandelt. In Kap. 8.1 ist die Feuerung eines Pelletkessels beschrieben.
2.1.9. Einbindung Trinkwarmwassererzeugung
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der Wärmeübertragung von Wärme an das Trinkwarmwasser:
a) Speicherladesystem
b) Speicher mit eingebauter Heizfläche (innenliegender Wärmetauscher)
Rev. 1.2
16
Abb. 2.15a: Trinkwarmwassererwärmung mit Speicherladesystem
Abb. 2.15b: Trinkwarmwassererwärmung mit Speicher mit eingebauter Heizfläche
Legende zu Abb. 2.15a und Abb. 2.15b
Rev. 1.2
17
Beim Speicherladesystem wird ein separater „Heizkreis“ installiert, der über einen Wärmetauscher die Heizwärme an das Trinkwarmwasser überträgt. Beim System mit „eingebauter Heizfläche“ ist der Wärmetauscher
in den Speicher integriert.
In Nah- und Fernwärmenetzen kommt für die Trinkwarmwassererzeugung eine weitere Variante zum Einsatz, das Durchflusssystem (siehe Abb. 2.16). Dabei wird auf den Speicher vollständig verzichtet und nur bei
Bedarf das Trinkwarmwasser über einen Wärmetauscher vom Fernheizwasser erwärmt. Der Vorteil ist der
verringerte anlagentechnische Aufwand verbunden mit dem Fortfall der Wärmeverluste des Speichers. Der
„Komfort“ ist aber nicht vergleichbar mit dem eines Speichersystems. Die Anforderungen an die Regelungstechnik sind hoch und die Erzeugung von Trinkwarmwasser mit konstanter Temperatur ist praktisch nicht
möglich. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur) für den Wärmetauscher vom Netz vorgegeben sind und zu weiteren Schwierigkeiten bei der Erzeugung einer konstanten
Trinkwarmwassertemperatur führen; die Möglichkeit einer gleitenden Temperaturfahrweise im Nah/Fernwärmenetz wird eingeschränkt.
Abb.: 2.16: Trinkwarmwassererwärmung im Durchflusssystem
Rev. 1.2
18
2.1.10. Normen und Richtlinien
In der Tabelle Abb. 2.17 sind die wichtigsten Normen für Heizkesselanlagen zusammengestellt.
Normen für Heizkessel
DIN 4702
DIN 3368
Heizkessel
Gasgeräte
Teil 3
Gas-Spezialheizkessel mit Brenner ohne Gebläse
Teil 4
Heizkessel für Holz, Stroh und ähnliche Brennstoffe
Teil 6
Brennwertkessel für gasförmige Brennstoffe
Teil 7
Brennwertkessel für flüssige Brennstoffe
Teil 2
Umlauf-Wasserheizer und Kombi-Wasserheizer (NT)
Teil 4
Durchlauf-Wasserheizer (NT)
Teil 7
Brennwert-Wasserheizer
Teil 8
Wasserheizer mit Vormischbrenner und geschlossener Verbrennungskammer
DIN 4759
DIN EN 303 Heizkessel
Wärmerzeugungsanlagen für mehere Energiearten
Teil 2,4 Heizkessel mit Ölzerstäubungsbrennern
Teil 3
Zentralheizkessel für gasförmige Brennstoffe
Teil 5
Heizkessel für feste Brennstoffe
DIN EN 304 Heizkessel
Prüfregeln für Heizkessel mit Ölzerstäubungsbrennern
DIN EN 483
DIN EN 656
DIN EN 677
Heizkessel für gasförmige Brennstoffe
DIN 18894
DIN 18897
Feuerstätten für feste Brennstoffe (incl. Pelletöfen)
Feuerstätten für feste Brennstoffe (incl. Pelletöfen)
Abb. 2.17: Normen Heizkessel
Rev. 1.2
19
Die Übersicht Abb. 2.18 zeigt den Zusammenhang der verschiedenen BImSchG Gesetze, unterteilt nach
Anlagen/Betrieb, Produkt und Standort (Gebiet) sowie der Genehmigungsbedürftigkeit.
Abb.:2.18: Tabelle Bundesimmissionsschutzgesetz
Rev. 1.2
20
In der nächsten Tabelle sind die Emissionswerte und Mindestwirkungsgrade für Einzelraumfeuerungsanlagen für feste Brennstoffe (Anforderung bei Typprüfung) zusammengestellt.
Abb. 2.19: Emissionswerte und Mindestwirkungsgrade für Einzelraumfeuerungsanlagen
Grade alte Öfen verursachen oft einen hohen Schadstoffausstoß. Deshalb ist besonders wichtig, die Emissionen dieser Anlagen zu begrenzen. Um die Verbraucher nicht übermäßig zu belasten, gelten aber für alte
Öfen besonders lange Übergangsfristen, die je nach Datum der Typprüfung zwischen 2015 und 2025 auslaufen.
Auch danach sind die Grenzwerte für alte Geräte weniger
streng als die für Neuanlagen. Wann genau die Übergangsfrist für ein bestimmtes Gerät abläuft, stellt der Schornsteinfeger anhand des Typschilds fest. Nach Ablauf der Übergangsfrist kann der Betreiber entweder eine nachträgliche
Bescheinigung des Herstellers über die Emissionen der Anlage bei Typprüfung vorlegen (möglich bei neueren Anlagen)
oder die Emissionen messen lassen.
Werden unten stehende Grenzwerte nicht eingehalten,
muss ein Staubabscheider nachgerüstet werden.
Abb. 2.20: Zeitpunkt der Nachrüstung
Abb. 2.21:Grenzwerte für Nachrüstung Staubabscheider
Rev. 1.2
21
Der Zeitraum, zu dem Einzelfeuerungsanlagen die Grenzwerte der Tabelle lt. Abb. 2.21 einhalten müssen,
hängt von Zeitpunkt der Typprüfung ab.
Die Emissionsgrenzwerte für Holzheizkessel (keine Einzelraumfeuerungsanlagen) gehen aus der Tabelle in
Abb. 2.22 hervor.
Abb. 2.22: Emissionsgrenzwerte für Holzheizkessel (keine Einzelfeuerungsanlagen)
Ebenso wie bei den Einzelraumfeuerungen gibt es auch für die
Holzkessel Nachrüstfristen. Für bestehende Holzheizkessel sieht
die neue Verordnung nebenstehende Übergangsfristen vor. Nach
Ablauf dieser Fristen gelten die Grenzwerte der Stufe 1 auch für
bestehende Holzheizkessel.
Abb. 2.23: Übergangsfristen Holzheizkessel
Zu den Kleinfeuerungen, die von der 1. BImSchV betroffen sind,
zählen neben Holz- und Kohlefeuerungen auch Öl- und Gasheizkessel. Für diese Anlagen gelten die nebenstehenden NOxGrenzwerte der novellierten 1. BImSchV.
Abb. 2.24: NOx-Grenzwerte für Öl- und Gasfeuerungen
Rev. 1.2
22
Eine sehr wichtige Richtlinie ist die Druckgeräterichtlinie:
Druckgeräte werden anhand der Diagramme des Anhang II in Abhängigkeit ihres Gefahrenpotentials in sog.
"Kategorien (I-IV)" eingeordnet. Das Gefahrenpotential wird beschrieben durch:
den Aggregatszustand des Mediums (gasförmig, flüssig) und dessen Dampfdruck,
die Gefährlichkeit des Mediums (z.B. giftig, entzündlich, explosiv) und
die gespeicherte Energie (PSxV, PSxDN).
Beispiel:
Ein Druckbehälter mit einem ungefährlichen Medium, 100 Liter Inhalt, soll für einen Druck PS = 12 bar eingeordnet werden. Der Behälter unterliegt somit der Mediengruppe 2. Der Aggregatszustand ist gasförmig.
Das Druck-Inhaltsprodukt PSxV beträgt 1200. Nach Druckgeräterichtlinie ist das Diagramm 2 nach Anhang II
anzuwenden.
Abb. 2.25: PS = 12 bar, V = 100 Liter, PSxV = 1200
Aus dem Diagramm Abb. 2.25 ergibt sich, dass der Behälter in die Kategorie III einzuordnen ist.
Weitere Hilfe zur Bestimmung der Kategorien nach Druckgeräterichtlinie finden Sie unter:
Einstufung von Druckbehältern nach Druckgeräterichtlinie
Einstufung von Rohrleitungen nach Druckgeräterichtlinie
Einstufung von Heißwasser- / Dampferzeugern nach Druckgeräterichtlinie
Einstufung von Ausrüstungsteilen nach Druckgeräterichtlinie
CD ROM zur Druckgeräterichtlinie 97/23/EG
Die Module lassen sich als in sich geschlossene Prüfpakete beschreiben, welche die Entwurfs- und Produktionsphase eines Druckgerätes behandeln mit der Zielsetzung, den Nachweis der Erfüllung der grundlegenden Anforderungen der Richtlinie zu führen. Da nicht jedes Modul die Entwurfs- und Produktionsphase abdeckt, werden auch Modulkombinationen verwendet.
Rev. 1.2
23
2.2. Brennwerttechnik
Eine detaillierte Darstellung und Beispielberechnung ist im Script Teil A „Feuerungstechnik“ Kap. 4.7 beschrieben.
2.3. Wirkungs- und Nutzungsgrad
Die Bestimmung eines Kessels ist die Übertragung der Wärme aus einem Verbrennungsprozess an das
Heizwasser eines Heizwasserkreislaufes. In der Hauptsache unterscheiden sich die Konzeption und der
Betrieb eines Kessels nach dem eingesetzten Brennstoff. Unabhängig davon gelten die folgenden Zusammenhänge:
Hauptaufgabe in den meisten Fällen ist die Bestimmung des Kesselwirkungsgrades ƞK. Dies erfolgt auf der
Grundlage der DIN 4702, Teil 2. Ein grundsätzlicher Unterschied besteht zwischen dem Kesselwirkungsgrad
und dem Kesselnutzungsgrad ηΦ. Der Kesselwirkungsgrad bezieht sich auf einen Momentanzustand bei
Auslegungsbedingung und der Kesselnutzungsgrad auf einen Nutzungszeitraum bei Betriebsbedingungen.
Lt. DIN 4702,Teil 2 beträgt die Prüfdauer zur Ermittlung des Kesselwirkungsgrads 3h bei Auslegungsbedingungen. D.h. dass der Kessel bei der gemäß Baumuster angegebenen Nennleistung für den Brennstoffeinsatz (Feuerungswärme-Nennleistung) während 3 Stunden geprüft wird. Das Messprogramm ist in den Normen genau definiert und muss durch eine Prüfstelle durchgeführt, protokolliert und zertifiziert werden. Das
Ergebnis dieser Prüfung ist die Ermittlung des Kesselwirkungsgrades.
Gegenstand der DIN 4702, Teil 8 ist die Ermittlung des Norm-Nutzungsgrades ηΦ. Zweck dieser Norm ist es,
für Kessel in Kombination mit Brenner und Kesselregelung bezogene Daten über das Betriebsverhalten für
einen definierten Lastverlauf zu ermitteln. In der Norm sind die Durchführung und Auswertungen der Prüfungen auf einem Messstand festgelegt.
Aus der folgenden Zusammenstellung gehen die wichtigsten Berechnungsgrundlagen hervor:
Berechnungsgrundlagen Heizkessel
Feldfarben:
Eingabe Ergebnis Formel
Einheit
Betrag
Formel
Brennstoffeinsatz
Q F = B * Hi
Feuerungswärmeleistung
QF
[kW]
Brennstoffeinsatz
B
[m³N/h]
Unterer Heizwert
Hi
[KWh/m³N]
Heizkreis Rücklauftemperatur
40,00
= Kesseleintrittstemperatur
Heizkreis Vorlauftemperatur
Tr
Tv
[°C]
[°C]
70,00
= Kesselaustrittstemperatur
Wasserdurchsatz, Kessel
mw
[kg/s]
Spez. Wärme von Wasser
cpw
[KJ/kg K]
4,186
Kessel-Nennleistung
QN
Vw
[kW]
62,79 Q N = m W * c pw * (Tv -Tr)
Wasserdurchsatz, Kessel
[m³/h]
1,00
Dichte von Wasser
ρw
[kg/m³]
1000
Kessel-Nennleistung
QN
QN
[kW]
34,88 Q N = ρw * V W * c pw * (Tv -Tr) / 3600
[kW]
34,89 Q N = 1,163 * V W * (Tv -Tr)
(1)
gilt nur für den Brennstoff Erdgas
Heizkreis / Kessel-Nennleistung
Rev. 1.2
0,50
(2)
(3)
(4)
24
Kesselwirkungsgrad
Kesselwirkungsgrad
ηK
[-]
ηK =Q N / Q F
(5)
Kesselnutzungsgrad (i = 5 Betriebszustände)
Kesselfeuerungsleistung (Betriebzustand i)
QF,i
[kW]
relative Kesselfeuerungsleistung
im Betriebszustand i
ΦF,i
[-]
ΦF,i = Q F,i / Q F
(6)
Kesselleistung (Betriebzustand i)
relative Kesselleistung im
Betriebszustand i
QK,i
[kW]
QK,i = m Wi * c pw * (Tv,i-Tr,i)
(7)
ΦK,i
[-]
ΦK,i = Q K,i / Q N
(8)
Kesselnutzungsgrad
ηΦ
[-]
ηΦ = ΦK,i / ΦF,i
(8)
QF,i = Bi * Hi
n
Mittelwert aus n=5 Betriebsfällen
[-]
N
n
i 1
Jahreswärmeverbrauch
Volllastbenutzungsstunden
Jahresbetriebsstunden
Qw b,j [kWh / a]
[h/a]
bhv
[h/a]
bKj
1
(10)
,i
bhv = Qw b,j / Q N
(11)
tatsächliche Betriebsstunden eines Kessels pro Jahr
Der Kesselnutzungsgrad berechnet sich nach der DIN 4702 aus 5 definierten Betriebszuständen. Diese sind
genau festgelegt, u.a. durch bestimmte Zapfprogramme für die Erzeugung von Trinkwarmwasser: siehe folgende Tabellen und Diagramme:
Abb. 2.26: Tabellen und Diagramm
aus der DIN 4702 zur
Ermittlung des Kesselnutzungsgrades
Rev. 1.2
25
Auf drei folgende Besonderheiten wird hingewiesen:
1) Der Kesselnutzungsgrad lässt sich auf zwei verschiedenen Arten bestimmen
a. Messung von Brennstoffeinsatz und Wärmeabgabe an den Heizkreis
b. Getrennte Berechnung/Messung der Wärmeverluste
2) Bei der Verbrennung entsteht je nach Brennstoff mehr oder weniger "Wasser" (H2O), das bei Abkühlung auf > Tτ [°C] (Tτ = Taupunkt) als Wasserdampf vorliegt. Je nach Betriebsbedingungen kondensiert das Wasser aus. Die dabei frei werdende Kondensationswärme bedeutet für den Prozess selbst
einen Wärmegewinn und erhöht den Kesselwirkungs/-nutzungsgrad. Kessel die, diesen Umstand
ausnutzen, werden als Brennwertkessel bezeichnet.
3) In der Norm wird der Abgasverlust qA bezogen auf das trockene Abgasvolumen ermittelt. Im Gegensatz dazu wird hier der Abgasverlust auf das feuchte Abgasvolumen bezogen und bei Betriebsbedingungen unterhalb des Taupunkts die Kondensationswärme als Brennwert-Wärmegewinn berücksichtigt.
Prinzipschema eines Heizkessels mit Darstellung
der Feuerungs- und Kesselverlusten
qS
Abstrahlungsverlust
qA
qu
qB
Abgasverlust
Unvollkommene
Verbrennung
Bereitschaftsverluste
Brennstoffleistung Qb
Wärmeleistung Qw
qF
Brennbares in Verbrennungsrückständen
Abb. 2.27: Heizkessel mit schematischer Darstellung der Verlustquellen
Verluste bei Übertragung der Brennstoffwärme an das Heizwasser (siehe Abb. 2.27) entstehen durch:
a) Abgasverluste: Die im Abgas enthalten Wärme kann in der Regel nicht bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Die proportional zum Temperaturgefälle Abgastemperatur>Umgebungstemperatur noch verbleibende Restwärme wird als Abgasverlust bezeichnet.
b) Unvollständige Verbrennung: Als Wärmeverlust durch unvollständige Verbrennung bezeichnet man
die im Abgas als CO auftretenden unverbrannten Bestandteile.
Rev. 1.2
26
c) Unverbrannte Bestandteile: Nur bei festen Brennstoffen bleiben unverbrannte Bestandteile des
Brennstoffs übrig. Die Wärmeverluste aus den unverbrannten Bestandteilen berechnen sich aus deren Masse und dem Heizwert.
d) Abstrahlungsverluste: Entsprechend dem Temperaturgefälle zwischen der Kesseloberfläche und der
Umgebung treten Abstrahlungsverluste auf.
e) Bereitschaftsverluste: Am schwierigsten zu erfassen sind die Bereitschaftsverluste. In der Norm ist
dafür ein Verfahren angegeben, bei dem der Kessel während 24h unter Vermeidung der übrigen
Verlustanteile betrieben wird. Die Bereitschaftsverluste hängen von folgenden Faktoren ab:
o
Isolierung sämtlicher Bauteile
o
Summe der Oberflächen sämtlicher Bauteile
o
Summe Wärmekapazitäten aller Komponenten
o
Taktzeiten / Einschaltfrequenz des Kessels
o
Möglichkeiten zur Durchströmung des Kessels mit Verbrennungsluft / Abgas (Abgasklappe)
Nachfolgend sind zur Demonstration Diagramme und Darstellungen aus den Normen dargestellt, die jeweils
die Anforderungen an die Dimensionierung (Pflichtenheft der Kesselhersteller/-lieferanten) vorschreiben.
Abb. 2.28:Gas- Spezialheizkessel mit Brenner ohne Gebläse: Bereitschaftsverluste qB nach DIN 4702, Teil 3
Abb. 2.29: Brennwertkessel: Bereitschaftsverluste qB nach DIN 4702, Teil 6
Rev. 1.2
27
Abb. 2.30:
Kesselwirkungsgrad für einen atmosphärischen Gaskessel in Abhängigkeit
von der Nennwärmeleistung nach DIN 4702, Teil 3
Abb. 2.31:
Kesselwirkungsgrad für einen atmosphärischen Gaskessel in Abhängigkeit
von der Nennwärmeleistung nach DIN 4702, Teil 3
Rev. 1.2
28
Anhand des folgenden Beispiels soll gezeigt werden, wie sich die oben aufgeführten Kesselverluste ermitteln
lassen und wie sich daraus der Kesselwirkungsgrad ableitet:
Kesselwirkungsgrad
Berechnungen am Beispiel eines Erdgaskessels
Feldfarben:
Verbrennung
QF
Unterer Heizwert
Hi
Brennstoffeinsatz
B
Luftzahl
λ
Abgasvolumen,trocken(bez.auf B) VA,t
Abgasvolumen,feucht (bez. auf B) VA,f
Spez. Wärme des Abgases, feucht c pA,f
Temperatur des Abgases
TA
Taupunkttemperatur
Tτ
Feuerungsleistung
Eingabe
Einheit
[W]
[MJ/m³B]
[m³B/h]
[-]
[m³A/m³B]
[m³A/m³B]
[KJ/m³A K]
[°C]
[°C]
Ergebnis Formel
Betrag
Formel
20.000
37,213
1,05
9,35
11,53
1,39
Ergebnis Arbeitsblatt A4 g)
Ergebnis Arbeitsblatt A4 h)
Ergebnis Arbeitsblatt A1 l) GR. 2.8
80
58
Verbrennungslufttemperatur =
Umgebungslufttemperatur !!
Verbrennungslufttemperatur
TL
[°C]
Kondensationswärme
Abgas, Feuchtegehalt
r
v H2O
Dichte feuchter Luft
ϱH2O,n
[kJ/kgH20]
2442
2,1790
Ergebnis Arbeitsblatt A4 f)
[m³ H2O/m³B]
[kgH2O/m³H20] 0,8038 Normdichte, Cerbe S. 44
0
[-]
Näherungskurve x = 1 -0,000355 T² +
0,0033 T
(siehe Arbeitsblatt A1 n)
rel. Wassergehalt feuchter Luft für xs,H2O
TA < Tτ
15
Kessel (-geometrie)
Oberfläche des Kessel
Wärmeübergang
A
α
[m²]
[W/m² K]
2,00
Wasserdurchsatz
mW
[kg / s]
0,15 m w = Q N / (c pw * (Tv - Tr) )
Spez. Wärme von Wasser
cpw
[KJ/kg K]
4,186
Heizkreis Rücklauftemperatur
Tr
Tv
Tm
CO
Hi,CO
[°C]
[°C]
[°C]
[%]
[MJ/m³]
50
8,00
Heizkreis
Heizkreis Vorlauftemperatur
mittlere Oberflächentemperatur
CO-Gehalt
Heizwert von CO
Rev. 1.2
(1)
80
35
0,5
12,64
29
qA
[-]
0,0280
qA = Vf * cp , f *(TA - TL) / Hi
(2)
qu
[-]
0,0016
qu = Vt * CO * 12,64 / Hi
(3)
Wärmeverlust durch Brennbares im
qF
Verbrennungsrückstand
[-]
0,0000
nur bei festen Brennstoffen
"
Wärmeverlust,Kesseloberfläche (Abstrahlungsverluste)
qs
[-]
0,0160
qs = A * α * (Tm - TL) / QF
Bereitschaftsverluste, geschätzt
qb
[-]
0,0150
siehe Blatt B1.1, Abb. 3
Kondensationswärme
qkond
[-]
0,0000
qkond = r * v H2O * ϱH2O,n * xs,H2O / Hi
(5)
Summe Verluste
qges
qges
[-]
0,0606
qges = qA + qu + qF +qs + qb - qkond
(6)
[%]
6,0582
Kesselwirkungsgrad
ηK
[-]
ηK = 100 - 100 * qges
(7)
Kessel, Nennleistung
QN
[W ]
Q N = 0,01 * ηK
(8)
spez. Abgasverlust
spez. Verlust durch unvollkommene Verbrennung
3,00
2,50
2,80
93,94
18.788
(4)
Kessel mit
und Kesselverluste in %
0,16Erdgasfeuerung:
0,00
1,60Feuerungs1,50
0,16
0,00
1,60
1,50
2,00
1,50
Abgasverlust
Verlust unvollkommene Verbrennung
Brennbares im Verbrennungsrückstand
1,00
Abstrahlungsverlust
Bereitschaftsverlust
0,50
0,00
Abb. 2.32: Balkendiagramm zur Berechnung der Kesselverluste (Verlust durch Brennbares im Verbrennungsrückstand ist hier bei der Erdgasfeuerung „Null“)
Rev. 1.2
30
In dem oben aufgeführten Beispiel wurden Ergebnisse der Verbrennungsrechnung aus dem Arbeitsblatt A4 verwendet. Der Wärmeübergang α zur Berechnung der Abstrahlungsverluste wurde dem
Diagramm Abb. 2.33 entnommen und die spezifische Wärme von
Abgas/trocken dem Diagramm Abb. 2.35. Die spezifischen feuchten
und trockenen Abgasvolumen können dem Diagramm Abb. 2.34
entnommen werden.
Abb. 2.33 Wärmeübergangswert α für
senkrechte Flächen in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur tm
Abb. 2.34: Verbrennungsdiagramm für Erdgas E (bzw. H)
Abb. 2.35: Spezifische Wärmekapazität von Abgas (trocken) und Wasserdampf
Rev. 1.2
31
Anwendungsbeispiel für die Diagramme Abb. 2.34 und Abb. 2.35:
Gr. 2.11: Anwendung des Verbrennungsdiagramms
Feldfarben:
Eingabe
Ergebnis
Ermittlung der Brennstoffleistung
Qw
Wärmeleistung
20 [kW]
Kesselwirkungsgrad
ηk
0,94 [-]
QF
21,28 [kW]
Hi,n
Heizwert (Erdgas H)
37,213 [MJ/m³B]
10,34 [kWh/m³B]
Qb
Brennstoffleistung
2,06 [m³B/h]
Formel
Q F= Q w / ηk
Normzustand
(1)
(Cerbe, S. 38)
Q b = Q F / Hi,n
(2)
Anwendung des Verbrennungsdiagramms
Luftverhältnis
λ
1,050 [ - ]
v
t
Abgasmenge, trocken
9,4 [m³ tA / m³B] aus Diagramm Abb. 2.34
vf
Abgasmenge, feucht
11,5 [m³ fA / m³B] aus Diagramm Abb. 2.34
L
min
=
Verbrennungsluft, stöchiom.
9,8 [m³ L / m³B] aus Diagramm Abb. 2.34 bei λ = 1
Lt =
Verbrennungsluft, tatsächlich
10,29
[m³ L / m³B] Lmin = λ * Lt
(3)
CO2-Gehalt
11,50 [%]
v H2O
[m³ H2O / m³B] v H2O = v f - v t
spez. Wasserghalt im Abgas
2,1
spezifische Wärmekapazitäten oberhalb des Abgastaupunktes T A > Tτ = 58 °C
aus Diagramm Abb.2.35 Bei ca 12% CO 2
Abgas, trocken
cpA,t
1,340 [kJ/m³ K]
Abgas, H2O
aus Diagramm Abb.2.34 Bei ca 12% CO 2
cpA,H2O
1,500 [kJ/m³ K]
Abgas, feucht
cpA,f
1,369
[kJ/m³ K]
cpA,f = (v t cpA,t + v H2O cpA,H2O)/v f (4)
Abgas- und Verbrennungsluftmengen
Vf
Abgasmenge, feucht
Vl
Verbrennungsluftmenge
23,67
21,18
[m³ / h]
[m³ / h]
V f = Q b * vf
V l = Q b * Lt
(5)
(6)
Um wieviel Grad (dT) kann die Abgastemperatur TA= 120 °C absenkt werden, wenn die
Verbrennungsluft mit Abgasabwärme von 15 °C auf 80 °C vorgewärmt wird
Wärmeleistung zur Aufwär495,8
[W]
(7)
Ql
Q l = V l * ρl * cpl * (Tl - T15) / 3,6
mung der Verbrennungsluft
mit ρl=1,29 kg/m³ und cpl =1,0 KJ/Kg K
Aufgabenstellung:
Wärmeinhalt im Abgas pro 1 K QA,dT
Temperaturabsenkung
9,0
[W]
Q A,dT = V f * cpA,f * dT / 3,6
(8)
Temperaturabsenkung
Abgastemperatur
55,1
64,9
[K]
[°C]
dT = Q l / Q A,dT
T'A = TA - dT
(9)
(10)
Rev. 1.2
dT
T'A
32
Berechnungsgrundlagen Energiebilanz Heizkessel
Jahresbilanz
Eingabe Ergebnis Formel
Betrag
Formel
Feldfarben:
Einheit
[kW]
20,00 Angabe des Kesselherstellers
Kessel-Nennleistung
QF
QN
[kW]
Kesselwirkungsgrad
ηK
[-]
Jahresstunden
bj
[h/a]
Jahresbetriebsstunden
[h/a]
bKj
Qb,j
Qw ,j
bhv
Jahreswärmeerzeugung
Qw ,j
[kWh / a]
Jahresbrennstoffverbrauch
Jahreswärmeerzeugung
Qw m
mittlere Brennstoffleistung
Qbm
mittlere jährliche Kesselauslastung
β
mittlerer jährlicher Brennstoffeinstz
w
Jahresnutzungsgrad
ηΦ
mittlere Jahreswärmeleistung
0,90
ηK =QN / QF
8.760
5.000 tatsächliche Betriebsstunden des Kessels
[kWh/a]
37.000 gemessener Brennstoffverbrauch
[kWh / a]
28.000 gemessene Jahreswärmeerzeugung
1.556 bhv = Qw ,j / QN
[h/a]
berechnete Jahreswärmeerzeugung
28.000 Qw ,j = QN * bhv
[kW]
5,6 Qw m = Qw ,j / bkj
[kW]
7,4 Qbm = Qb,j / bkj
[-]
0,31
[-]
0,41
[-]
0,76
β = Qw m / QN oder
w = Qbm / QN
ηΦ = Qw,j / Qb,j
oder
(12)
(13)
(14)
β = bhv / bkj (15)
(16)
ηΦ = β / w (17)
Für technische Konzepte und der Beurteilung deren Wirtschaftlichkeit müssen Jahresbilanzen für Energie
und Kosten erstellt werden. Das folgende Beispiel zeigt beispielhaft eine Energiebilanz. Zu den bekannten
Größen wird hier der Begriff der Volllaststunden verwendet. Er ist ein Indikator für die Auslastung einer Anlage. Je höher die Anzahl Volllaststunden, desto höher besser wird die dimensionierte Kessel-Nennleistung
betrieblich eingesetzt. Ein „guter“ Wert sind ca. 2.500 Volllaststunden. Wird ein Kessel nur mit z.B. 800 Volllaststunden betrieben, so ist er überdimensioniert.
Geordnete Jahresdauerlinie von Heizwärmebedarf = Kesselleistung
QN
Kessel - Wärmeleistung [kW]
20,0
18,0
Qw,j
16,0
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
bkj
2,0
0,0
0
1000
bhv
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Jahresstunden
9000
Abb. 2.36: Diagramm graphische Darstellung zur Jahresdauerlinie und Volllaststunden
Rev. 1.2
33
Für verschiedene Kesseltypen ergeben sich
aufgrund ihres Konstruktions- und Funktionsprinzips andere erreichbare Wirkungs- und
Nutzungsgrade. Eine übliche Darstellung in
Abhängigkeit vom Ausnutzungsgrad des Kessels zeigt Abb. 2.37.
Für den konventionellen Kessel und den atmosphärischen Kessel sinkt der Nutzungsgrad mit
der Auslastung. Der Anteil der nutzenunabhängigen Bereitschafts- und Strahlungsverluste
bleibt konstant vorhanden, auch wenn der Nutzen kleiner wird.
Für Niedertemperaturkessel sinken die Bereitschafts- und Strahlungsverluste, wenn er weniger ausgelastet ist, weil die mittlere Kesselwassertemperatur in diesem Fall abgesenkt wird.
Damit bleibt der Nutzungsgrad bis zu einem
Auslastungsgrad von etwa 10% nahezu konstant. Abb. 2.37: Nutzungsgrad in Abhängigkeit von der Kesselauslastung (Teillast) für verschiedene Kessel
typen
Bei Brennwertkesseln (nicht in gleichem Maß bei Brennwerthermen) führt die Temperaturabsenkung bei
geringen Auslastungen nicht zu reduzierten Bereitschafts- und Strahlungsverlusten sondern auch zu erhöhter Abgaskondensation. Die Abgasverluste sinken in diesem Fall überproportional und der Nutzungsgrad ist
im Teillastfall höher als bei Volllast. Allerdings ist auch hier bei etwa 5% Auslastung ein Maximum erreicht.
bei noch geringerer Nutzwärmeabgabe dominieren dann wieder die Bereitschaftsverluste. Eine entsprechende Darstellung nach / / zeigt Abb.2.38.
Abb. 2.38: Anlagenwirkungsgrad verschiedener Heizungsanlagen in Abhängigkeit von der Auslastung
der Heizungsanlage.
Rev. 1.2
34
Bei dieser Beschreibung wird deutlich: Die Nutzungsgraddefinition hängt stark vom Nutzer selbst ab. Ist der
Nutzen null, kann der Kessel noch so gut sein, der Nutzungsgrad ist dann auch null. Das Problem der Nutzungsgraddefinition ist in Abb. 2.39 wieder gegeben.
Abb. 2.39: Absolute und relative Wärmeverluste von Wärmeerzeugern in Gebäuden mit unterschiedlichen wärmetechnischen Standards
Ergänzend zu den theoretischen Zusammenhängen zur Auslegung und Betrieb von Heizkesseln wird im
folgenden Abschnitt von Messungen an ausgeführten Anlagen berichtet:
Forschungsprojekt Brennwertkessel
In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt wurden über fast 4 Jahre die
Betriebsmerkmale von Brennwertkesseln im Feld untersucht. Untersuchungsschwerpunkt waren Anlagen, in
denen keine besondere Überwachung von Planung und Ausführung stattgefunden hatte. Aus den Ergebnissen des Feldprojektes lassen sich Anforderungen für den effizienten Betrieb von Brennwertkesseln ableiten.
Untersucht wurde das Betriebsverhalten von 67 Heizungsanlagen, davon waren 60 ausgestattet mit GasBrennwertkesseln (GBWK) und 7 mit Gas-Niedertemperaturkesseln (GNTK). Gemessen wurde jeweils die
zugeführte Energie (Gasmenge / Gasmengenzähler) und die abgeführte Nutzenergie (Wärme / Wärmemengenzähler).
Das Messprogramm sollte folgende Fragen beantworten:
Werden die Normnutzungsgrade im Praxisbetrieb erreicht
Reicht der Jahresnutzungsgrad als alleiniges Bewertungskriterium für die Effizienz einer Heizungsanlage aus.
Der Auswertung der Messergebnisse wurden folgende Merkmale zugrunde gelegt:
Hydraulische Einbindung:
Mit oder ohne Überströmventil (zur Einstellung eines Mindestvolumenstroms durch den Kessel)
Aufstellort:
im beheizten oder unbeheizten Bereich
Vorlauftemperaturregelung
Rev. 1.2
35
Weiter wurde versucht, Ursachen für erhöhte Energieverluste zu lokalisieren und daraus Empfehlungen für
die Auslegung neuer Geräte bzw. die Planer der Anlagentechnik abzuleiten.
Erste Ergebnisse waren:

Geringer Energiebedarf der Gebäude und daher nur begrenzte Einsparpotenziale

Wärmeverlust für Systeme mit Zirkulationsleitungen bei der Trinkwarmwasserversorgung in Höhe
von a. 9 kWh/(m² * a)

Unmittelbare Anhängigkeit des Jahresnutzungsgrades vom Wärmeverbrauch und von der mittleren
Kesselauslastung: Große Abweichungen zwischen den im Praxistest ermittelten Normnutzungsgraden und den auf dem Prüfstand ermittelten.
Während der Normnutzungsgrad von einer mittleren Kesselauslastung von 38,8% ausgeht, liegt die mittlere
Belastung aller im Projekt eingesetzten Brennwertkessel bei ca. 9% !!! Hauptgründe für diese hohe Abweichung sind:
o
Im Normnutzungsgrad sind die Heizpausen und Fremdwärmegewinne zu wenig berücksichtigt
o
Gleichsetzung von Kesselnennleistung und Gebäudeheizlast nach DIN 4702-8, obwohl im Einfamilienhausbereich die Kesselleistung von der Leistung für die Trinkwarmwasserbereitung bestimmt wird
und nicht von der Heizwärmelast.
Die Kessel sind daher gegenüber der Gebäudeheizlast um etwa das zwei- bis vierfache überdimensioniert.
Der Nutzungsgrad der Anlagen nimmt mit sinkendem Wärmeverbrauch ab, wobei jedoch die absoluten Kesselverluste geringer werden. Der Nutzungsgrad sollte deshalb nicht das einzige Kriterium zur Beurteilung
eines Wärmeerzeugers sein.
Weiterhin zeigte die Untersuchung, dass gleiche Wärmeerzeuger in verschiedenen Anlagen bei annähernd
gleichem Wärmeverbrauch unterschiedliche Jahresnutzungsgrade aufweisen. Für die Effizienz der Heizungsanlage ist die Qualität des Wärmeerzeugers nur zum Teil verantwortlich; einen mindestens gleich großen Einfluss haben
o
Das Nutzerverhalten
o
Die Reglereinstellung
o
Hydraulische Einbindung
des Kessels in die Hausheizungsanlage
Abb. 2.40: Brennstoffeinsatz in Abhängigkeit von der Kesselauslastung
(Angaben normiert, jeweils bezogen auf die Nennleistung)
Rev. 1.2
36
In Abb. 2.40 sind die Ergebnisse dargestellt in einer Ausgleichsgeraden der Monatsmessungen von Brennstoffeinsatz (Energieaufwand) und Auslastung (Energieabgabe). Beide Größen sind normiert und jeweils
bezogen auf die Kesselnennleistung.
Im Mittel betrug die mittlere Kesselauslastung 9%. Daraus berechnen sich die mittlere Wärmeerzeugung
bzw. Wärmeangabe und der Brennstoffeinsatz für einen Kessel mit 20 kW Nennleistung zu:
Anwendung der Formel (12) - (17) auf die Ergebnisse des Forschungsprojekts Brennwertkessel
Kessel-Nennleistung
mittlere jährliche Kesselauslastung
QN
β
[kW]
[-]
0,090
mittlerer jährlicher Brennstoffeinsatz
wauf,s [-]
0,105 bezogen auf Hs
mittlerer jährlicher Brennstoffeinsatz
wauf,i [-]
0,095 bezogen auf Hi
mittlere Jahreswärmeleistung
Qw m [kW]
1,800 Qw m = QN * β
mittlere Brennstoffleistung
Qbm [kW]
1,909 Qbm = QN *
Jahresnutzungsgrad
ηΦ
[-]
0,943
( wauf,i = wauf,s * Hi / Hs )
w auf,i
ηΦ = β / wauf,i
(13a)
(14a)
(17)
Die Auswertung in Bezug auf die verschiedenen Anlagenmerkmale ergab die in Abb. 2.40 dargestellten Ergebnisse:
Abb. 2.41: Einfluss der Anlagenmerkmale auf den Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad
Rev. 1.2
37
Den Nutzungsgradverlauf in Abhängigkeit von der
Kesselauslastung zeigt die Abb. 2.42.Wie aus
dem Verlauf zu erkennen ist. Fällt der Nutzungsgrad bei Auslastungen unter etwa 30 % bis 40%
ab. Besonders stark ist der Nutzungsgradabfall
bei Auslastungen unter 5 bis 10%. Dieser Bereich
ist vor allem in den Sommermonaten von Bedeutung, in denen der Kessel überwiegend für die
Trinkwarmwassererzeugung genutzt wird. Trotz
des geringen Sommernutzungsgrades sind die
absoluten Verluste in den Sommermonaten sehr
viel kleiner als bi höheren Kesselauslastungen im
Winter.
Abb. 2.42:Nutzungsgrad anhängig von der Auslastung
Faszit: Da der Kesselnutzungsgrad sehr stark vom Verbraucherverhalten und vom Nutzwärmeverbrauch
abhängt, ist der Normnutzungsgrad allein keine ausreichende Bemessungsgrundlage für die Beurteilung
eines Heizkessels.
Zusammengefasst sind die Ergebnisse der Untersuchung in der folgenden Tabelle:
Die Jahresnutzungsgrade der einzelnen Anlagen gehen aus der Abb. 2.43 hervor:
Abb. 2.43: Jahresnutzungsgrade der im Forschungsprojekt Brennwertkessel untersuchten Anlagen.
Rev. 1.2
38
Der Nutzungsgrad lt. Abb.2.44 in
Abhängigkeit vom Nutzwärmeverbrauch bildet nur bedingt die
Theorie nach Abb. 2.xx ab. Für
die meisten der untersuchten
Anlagen steigt der Nutzungsgrad
des Kessels im Teillastfall nicht
an. Der Brennwertkessel im Feldtest ähnelt im Verhalten dem eines Niedertemperaturkessels,
wenn auch mit etwas höheren
Nutzungsgraden.
Abb. 2.44: Nutzungsgrad in Abhängigkeit vom Nutzwärmeverbrauch
2.4. Öl- / Gaskessel
2.4.1. Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW)
Heizkessel dieser Größenklasse kann man als ein „Standardprodukt“ bezeichnen. Es gibt am Markt viele
namhafte Hersteller, deren Kessel die geltenden Normen und Richtlinien einhalten und daher ohne Einschränkung eingesetzt werden können. Besondere Anforderungen sind dann aus den Herstellerunterlagen
zu entnehmen bzw. mit den Herstellern / Lieferanten zu klären. In Abb. 2.5 und 2.6 (Kap. 2.1.5) sind Kessel
der Leistungsklasse 10-20 kW und in Abb.2.45 ein Kesseltyp der Leistungsklasse 90-500 kW dargestellt.
Abb. 2.45: Heizkessel 90 - 500 kW mit ÖL-Gebläsebrenner Vitoplex 300 von Viessmann
Rev. 1.2
39
2.4.2. Industriekessel 0,5 - 2 MW
In Bezug auf den Aufbau unterscheiden sich diese Kessel nur unwesentlich von den Kesseln für die Wohnraumbeheizung. Beachtet werden muss die Schnittstelle zur Kesselregelung, die beim Industrieeinsatz den
jeweiligen Anforderungen wie z.B. der Störungsüberwachung /-Signalweiterleitung entsprechen muss.
2.5. Pelletkessel
Im Kap. 8.1 des Scripts Feuerungstechnik wurden Pelletkessel und deren Komponenten bereits beschrieben.
Hier wird ergänzend dazu die Gesamtanlage behandelt.
Abb. 2.46: Pelletkessel mit Vorratsbehälter und Raumaustragung
Ein Konzept für die Wohnraumbeheizung ist in Abb. 2.46 dargestellt. Je nach Raumangebot können die einzelnen Hauptkomponenten Förderung / Raumaustragung, Vorratssilo und Kessel in einem Raum oder in
verschiedenen Räumen untergebracht bzw. aufgestellt werden. Die Zuteilung der Pellets muss nicht unbedingt durch Förderschnecken, sondern kann auch bei kleinen Anlagen vorteilhaft durch pneumatische Systeme erfolgen. In diesem Fall stellen dann auch Umlenkungen um Hindernisse kein Problem dar.
Fast schon als „Standard“ kann man Heizzentralen mit Pelletkessel der Leistungsklasse 100 - 200 kW bezeichnen, wie sie in den Abb.2.47 und Abb. 2.48 dargestellt sind. Die Einteilung in die drei Hauptkomponenten bzw. Abschnitte unterscheidet sich nicht von dem bei den Anlagen kleinerer Leistung.
Rev. 1.2
40
Abb. 2.47: Grundriss und Seitenansicht einer Heizzentrale mit Pelletkessel
Die Pellets werden in einem Silofahrzeug angeliefert. Das Silofahrzeug führt immer Schläuche mit und besitzt eine Absaugeinrichtung: Die Abfüllstutzen am Fahrzeug werden mit den Einblasstutzen verbunden und
die Pellets in den Lagerraum eingeblasen. Der Druckausgleich erfolgt über den Absaugstutzen, der ebenfalls
mit dem Silofahrzeug verbunden werden muss.
Der Pelletlagerraum muss ein abgeschlossener Raum sein und entsprechend den brandschutztechnischen
Auflagen ausgeführt werden. Im Raum selbst befindet sich mittig angeordnet eine breite Rinne mit einer Austragschnecke. Beidseits der Schnecke sind Schrägböden angeordnet, die ein Abrutschen der Pellets zur
Schnecke hin gewährleisten.
Durch die Schnecke werden die Pellets aus dem Lagerraum abgezogen und in den Kessel gefördert. Alternativ zu den Schrägböden gibt es auch aktive Zufuhrsysteme. Das sind lange „Federn“, die durch einen Antriebsmotor über den Lagerraumboden rotieren und die Pellets in die Austragsrinne /-Schnecke „fegen.
Rev. 1.2
41
Abb. 2.48: Heizzentrale mit Pelletkessel
2.6. Hackschnitzelkessel
Ab etwa 150 kW Wärmeleistung lohnt sich der technisch höhere Aufwand für die Verfeuerung von Hackschnitzeln. Die am meisten verbreiteten Kesseltechniken sind die Unterschubfeuerung und die Rostfeuerung
(siehe Abb. 2.49).
Abb. 2.49: Feuerungsarten Festbrennstoffkessel: Unterschubfeuerung und Rostfeuerung
Rev. 1.2
42
Bei der Unterschubfeuerung werden die Hackschnitzel über eine Förderschnecke von „unten“ in den Feuerraum eingebracht. Weitere aktive Systeme innerhalb des Kessels zur Verteilung des Brennstoffs gibt es
nicht. Im Gegensatz dazu befindet sich in dem Kessel mit Rostfeuerung ein eben oder treppenartig angeordnetes Förderband, der Kesselrost. Dieser ist aus hochwarmfesten Stählen hergestellt und transportiert den
Brennstoff - hier die Hackschnitzel - durch den Kessel.
Beide Kesseltypen arbeiten mit einer gestuften Luftzugabe bzw. einem gestuften Verbrennungsprozess. Es
sind mindesten zwei Stufen, können aber auch mehr sein. Bei der ersten Stufe wird in jedem Fall mit Luftmangel gefahren (unterstöchiometrische Verbrennung) und erst in den folgenden Stufen wird der für die vollständige Verbrennung notwendige Sauerstoff zugeführt.
Bei der Unterschubfeuerung (s. Abb. 2.50) ist die Feuerungswärmeleistung und damit die Nennleistung des
Kessels begrenzt durch die Abbrandleistung. Es kann also nicht mehr Brennstoff dem Kessel zugeführt werden als pro Zeiteinheit „abbrennt“. Diese Beschränkung gibt es bei Kesseln mit Rostfeuerung nicht.
Abb. 2.50: Festbrennstoffkessel mit Unterschubfeuerung
In Abb. 2.51 ist das Schubbodensystem für die Zufuhr der Hackschnitzel zum Kessel dargestellt. Der
Abb. 2.51: Festbrennstoffkessel mit Unterschubfeuerung: Brennstoffzufuhr via Schubboden
Rev. 1.2
43
Schubboden selbst kann in einem separaten Raum oder auch austauschbaren Containern angeordnet werden. Auf dem Boden des Lagerbereichs sind Stangen mit „fischgrätartig“ angebrachten Profilstäben positioniert, die über einen Hydraulikzylinder vor und zurück gezogen werden. Durch diese Bewegung werden die
Hackschnitzel in eine Rinne geschoben, die sich am Kopfende des Lagerbereichs befindet. In dieser Rinne
wiederrum ist eine Förderschnecke untergebracht, mittels der die Hackschnitzle weiter zum Kessel transportiert werden.
Wenn es irgendwie möglich ist, sollten Umlenkungen bzw. Anordnungen mit quer zueinander liegenden
Schnecken vermieden werden.
Abb. 2.52: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Schema Brennstofffluss und Verbrennungsluftzufuhr
Die Abb. 2.52 zeigt das Prinzip einer Rostfeuerung. Dieses Verfahren lässt eine Vielzahl von Möglichkeiten
der Förderung des Brennstoffs im Kessel und die der Zufuhr der Verbrennungsluft zu. Das Ziel ist in jedem
Fall, einen optimalen Verbrennungsablauf zu gewährleisten (s. auch Script Feuerungstechnik Kap. ……….):
Stufenweise Zufuhr der Verbrennungsluft -> Stufenverbrennung (s. Abb.2.53 )
Verbrennungsprozess mit insgesamt geringstmöglichem Luftüberschuss (s. Abb. 2.54)
Möglichst vollständiger Ausbrand -> geringer Anteil Unverbranntes in der Kesselasche
Vermeidung lokaler Bereiche mit hohen Verbrennungstemperaturen
Rev. 1.2
44
Abb. 2.53: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Alternativen Verbrennungsluftzufuhr
Abb. 2.54: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Verteilung der Verbrennungsluft über den Rost-Zonen
Die auf S. 44 genannten „Aufgaben“ der Feuerungstechnik stellen auch hohe Anforderungen an die Kesselregelung. Dazu gibt es aufwändige Systeme wie z.B. die mit einer Erfassung und Auswertung der Verbrennungsabläufe mittels einer Infrarotkamera (s. Abb. 2.55).
Rev. 1.2
45
Abb. 2.55: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Regelung der Verbrennungsluft über den Rost-Zonen
mittels Infrarotkamera
Eine nahezu vollständige Verbrennung wie bei Erdgas oder Heizöl wird bei der Verbrennung von Hackschnitzel nicht erreicht. Unverbrannte Bestandteile finden sich wieder in der Kesselasche und im Abgas. Eine
Entsorgung der Kesselasche ist meist problemlos möglich. die unverbrannten Anteile im Abgas müssen herausgefiltert werden. Dazu stehen zwei Techniken zur Verfügung: Zyklon und Filter.
Abb. 2.56: Festbrennstoffkessel: Entstaubung alternativ mit Zyklon und mit Filter
Rev. 1.2
46
Abb. 2.57a: Gewebefilter
Abb. 2.57b: Zyklonabscheider
Zyklonabscheider (s. Abb. 2.57b) sind
eine einfache technische Lösung für die
Abscheidung von Stäuben. Der mit Staub
beladene Abgasstrom wird tangential in
einen nach unten konisch auslaufenden
„Trichter“ geleitet. Durch die Fliehkraft
werden die Staubpartikel an die Wandung „geschleudert“ und unten am Trichter abgezogen. Durch eine Umlenkung
wird der Reingasstrom im oberen Teil
des Abscheiders abgeleitet.
Beim Gewebefilter (s. Abb. 2.57a) wird
das mit Staub beladene Abgas durch
hitzebeständige Filtertaschen geleitet,
Abb. 2.57c: Abscheidegrad verschiedener Staubabscheider
in denen der Staub „hängen bleibt“ bzw.
abgeschieden wird. Gewebefilter sind erheblich teurer, haben aber einen besseren Abscheidegrad bzw. können auch kleine Kornfraktionen aus dem Abgas entfernen (s. Abb. 2.57.c)
In der Abb. 2.58 ist beispielhaft eine Heizzentrale mit Hackschnitzelfeuerung dargestellt. Man sieht die Anlieferung der Hackschnitzel mit LKW; die Hackschnitzel selbst werden auf eine ebenerdige Lagerfläche abgekippt und von dort mit einem Greifersystem in einen Tiefbunker (?) mit Schubboden verbracht. Der übrige
Förderweg / Verbrennung erfolgt wie oben beschrieben. Zur Staubabscheidung wird ein Gewebefilter verwendet.
In der folgenden Abbildung Abb. 2.59: wird die Abladung in einen Tiefbunker gezeigt. Die ist eine oft verwendete Anordnung. Beachtet werden müssen die festigkeits- und sicherheitstechnischen Anforderungen an den
„Deckel“:
Tragfähigkeit für LKW, falls angeordnet im Fahrweg
Sicherung / Personenschutz beim Öffnen und im offenen Zustand
Rev. 1.2
47
Abb. 2.58: Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel
Abb. 2.59: Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel: Brennstoffanlieferung
Rev. 1.2
48
Der Vollständigkeit halber ist in Abb. 2.60 ein Scheitholzofen für Einzelfeuerungsstätten gezeigt. Diese arbeiten ebenfalls weitestgehend automatisiert und hat die dafür erforderlichen betriebs- und sicherheitstechnischen Einrichtungen
Abb. 2.60: Hackschnitzelkessel als Einzelfeuerungsstätte
Rev. 1.2
49
3. Dampfkessel
Rev. 1.2
50
4. Auslegung von Kesselanlagen
4.1. Wärmebedarf
Abb. 4.1: Ermittlung der Primärenergieaufwandszahl nach ENEV
4.2. Auslegung / Nennleistung
4.3. Integration in die Gesamtanlage
Rev. 1.2
51
4.3.1. Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW)
4.3.2. Industriekessel 0,5 - 2 MW
4.3.3. Industriekessel 2-50 MW
Rev. 1.2
52
5. Trinkwarmwassererzeugung
Die energiesparende Erzeugung von Trinkwarmwasser rückt immer mehr in den Focus, seit die Anstrengungen zur Reduzierung der Energieverluste bei der Raumheizung wirksame Früchte tragen. Bei energiesparsamen Bauen und Wohnen sind ist heutzutage der Energieverbrauch für die Erzeugung von Trinkwarmwasser höher als der für die Raumheizung.
5.1. Grundlagen
In Kap. 2.1.9 sind die Schaltungsmöglichkeiten für die Erzeugung von Trinkwarmwasser dargestellt.
5.2. Auslegung und Anlagentechnik
Hier aus Cerbe die Zusammenhänge und Grundlagen (NL-Zahl) integrieren.
5.2.1. Speicherladesystem
Hauptkomponenten beim Speicherladesystem sind neben den Pumpen / Regelung der Speicher und der
Wärmetauscher. Der Speicher wird in der Regel aus Edelstahl gefertigt, etwas kostengünstiger sind Speicher
aus Stahl mit Email beschichteten Innenflächen. Als Wärmetauscher werden Plattenwärmetauscher verwendet. Das sind aufeinander geschichtete und gelötete Platten mit einer wechselseitigen Prägung derart, dass
auf einer Seite der Platte der Heizwasser und auf der anderen Seite Trinkwarmwasser strömt. Beide Massenströme sind als nur durch eine „dünne“ Platte voneinander getrennt. Plattenwärmetauscher können so
geschaltet werden, dass die Massenströme entweder im Gleich- oder im Gegenstrom geführt werden.
Abb. 5.2: Trinkwarmwassererwärmung nach dem Speicherladesystem
Rev. 1.2
53
Abb. 5.3: Plattenwärmetauscher mit Anschluss im Gegen- oder Gleichstrom
5.2.2. System mit innenliegendem Wärmetauscher
Bei dieser Variante ist der Wärmetauscher im Speicher eingebaut. Es handelt sich dabei ausschließlich um
„Bündelrohrwärmetauscher“.Das sind berippte Rohre aus Edelstahl oder Kupfer, die zu einem „Bündel“ gewickelt werden. Die beiden „Enden“ des Bündels werden auf eine Flanschplatte geschraubt. Die Flanschplatte wird auf den Gegenflansch des Speichers geschraubt, so dass das Wärmetauscherbündel in den Speicher
hineinragt. Die abgebildeten Darstellungen entstammen aus Firmenprospekten der Firma Wieland in Ulm.
Abb. 5.4: Rohrbündelwärmetauscher (Wieland, Ulm)
Die Berechnungsgrundlagen sind:
Nachfolgend sind Anschlussskizzen, die Berechnungsgrundlagen und ein Berechnungsbeispielaus der Planungsmappe der Fa. Wieland:
Rev. 1.2
54
Rev. 1.2
55
Abb. 5.5: Rohrbündelwärmetauscher Leistungsdiagramm (Wieland, Ulm)
Abb. 5.6: Rohrbündelwärmetauscher: Detail Anschlussverschraubung
5.3. Berechnungsbeispiel
Für das folgende Berechnungsbeispiel wurden an Daten verwendet:
Speicherladesystem:
Ergebnisse der Auslegung eines Plattenwärmetauschers mithilfe des
Auslegungsprogramms der Firma Reflex.
Innenliegender WT:
Auslegungsdaten und Berechnungsbeispiel der Firma Wieland, Ulm
Das System „Speicherladung“ lässt sich in einem Schritt berechnen, der „innenliegende Wärmetauscher
nicht. Der Grund liegt darin, dass die Wärmeübertragung zwischen Rohrbündelwärmetauscher und dem
Trinkwarmwasser von der Temperaturdifferenz zwischen Heizwasser (Rohrbündel) und Trinkwasser abhängt. Mit steigender Temperatur des Heizwassers nimmt die Temperaturdifferenz und damit die übertragene Wärmeleistung ab. Deshalb wurde die Berechnung in 6 Schritte (Phase I - IV) unterteilt und für jeden
Schritt bzw. Zeitintervall die Randbedingungen linearisiert.
Die vollständige Berechnung kann im Arbeitsblatt B2 nachvollzogen und ggfs. durch Variation der Eingabeparameter geändert werden
Rev. 1.2
56
Trinkwarmwassererwärmung (TWW)
Index "i" :
Index "sl" :
Speicher mit Wärmetauscher (WT) "innen" im Speicher angeordnet
Speicher mit Wärmetauscher (WT) außerhalb des Speichers angeordnet: Speicherladesystem
1.) Aufgabe:
Trinkwarmwasserspeicher: Berechne die Ladeleistung und Ladezeit der beiden Varianten i und sl
"i" : im Speicher innenliegender Wärmetauscher
"sl" : Speicherladesystem
2.) Lösung:
(i)
(sl)
Symbol
Einheit
Aufteilung des Ladevorgangs in mehre Temperaturschritte (Phase I-VI), da die Wärmeübertragung
im Speicher vom Temperaturgefälle zwischen Ladetemperatur und mittlerer Speichertemperatur
abhängt.
Die Berechnung kann in einem Schritt durchgeführt werden.
Symbol Einheit Betrag Begriff, Definition
TWW-Speicher
Betrag Begriff, Definition
Kessel
QN
Qü
[kW]
ηK
[-]
cpw
ρw
Tv
Ta
[KJ/kg K]
4,186 Spez. Wärme von Wasser
[kg/m³]
1000 Dichte von Wasser
QF
B
Hi
[kW]
18,89 Feuerungswärmeleistung
[m³/h]
Brennstoffeinsatz
[KWh/m³]
11,80 Unterer Heizwert / Brennstoff Erdgas
V A,f
[m³A/m³B]
11,55 Abgasvolumen , feucht
[kW]
[°C]
Vsp
Tu
To
As
ks
QS
17,00 Kessel Nennleistung
an den WT-Kreis übertragene Leist.
0,9
70
[°C]
Kesselwirkungsgrad, Vorgabe
Kessel, Vorlauf Speicher Tv=To+10K
Abgastemp., Ta=Tr,i bzw Tr,sl + dTa , dTa =
[l]
200 Speichervolumen
[°C]
30
Temperatur, entladen
[°C]
60
Temperatur, geladen
[m²]
6
Oberfläche
[W/mK] 0,2 Dämmung,k-Wert
[kWh]
eingespeicherte Wärme
20
Verbrennung
Q F=Q N / ηK
TL
[°C]
15
qA,i
[-]
0,0245
qkond,i
[-]
0,0000
qges,i
[-]
0,0619
qA,sl
[-]
0,0140
qkond = r*v H2O*ϱH2O,n*xs,H2O / Hi qkond,sl
[-]
0,0228
qges,sl
[-]
0,0286
Umgebungstemperatur
B = Qb / Hi
v H2 0 [m³H2O/m³B] 2,326 Abgas, Feuchte
cpmA,f
[KJ/m³A K]
qges
[-]
qA
[-]
qu
[-]
0,0064 spez. Verlust durch Unverbranntes
qs
[-]
0,0160
qb
[-]
0,0150 Bereitschaftsverluste, geschätzt
qkond
[-]
Rev. 1.2
1,39 spez. Wärme Abgas, feucht
0,0374 Kesselwirkungsgrad hängt von T r,i bzw. Tr,sl ab !!
Abgasv.
qA = V A,f * cpmA, f *(Ta - TL) / Hi
" Wärmeverlust,Kesseloberfläche
Kond.-W.
Kesselverluste
System "i"
Kesselverluste
System "sl"
57
Speicher-/Heizkreis
i -> innenliegender Wärmetauscher
Tv,i
Tr,i
[°C]
[°C]
Vorlauftemperatur, Tv,i = Tv
Rücklauftemperatur : hängt vom
Ladezustand ab (ist zu berechnen)
Q Ü,i
[kW]
Ladeleistung
tlz,i
[min]
Ladezeit
Ta
[°C]
Tr,sl
dph
Vh
Tv,h
Tr,h
tlz,sl
Ta
70
79,90 Abgastemperatur
Heizkreis
[°C]
30
0,80
[kPa]
[m³/h]
0,53
[°C]
70
[°C]
32
[min]
[°C]
52,00
4.) Berechnung (i)
To'
Qs
qs,i
Q ü,i
Q ü,i
dT
T' r,i
tlz,i
Tu
To'
Qs
qs,i
Q ü,i
Q ü,i
dT
T' r,i
tlz,i
Phase II
35,0 [°C]
40,0 [°C]
1,16 [kWh]
475 [W/K]
15,4 [kW]
15,4 [kW]
13,3 [K]
56,7 [°C]
4,52 [min]
Summen I-VI
Rev. 1.2
Qs
tlz,i
T' r,i
dpi
[W/K]
[m³/h]
[bar]
475 WT-Wärmeleistung
1,00 Wasserdurchsatz
0,20 Druckverlust
Ta = Tr,i + dT
Speicherkreis
17,1 WT-Wärmeleistung
1,30 Druckverlust
0,74 Wasserdurchsatz
30 Vorlauftemperatur
60 Rücklauftemperatur
Abgastemperatur Ta = Tr,h + dT
Temp.-Schritt dT
30,0 [°C]
35,0 [°C]
1,16 [kWh]
475 [W/K]
17,8 [kW]
17,0 [kW]
14,6 [K]
55,4 [°C]
4,10 [min]
Vi
sl -> Speicherladesystem
Rücklauftemperatur, Tr,sl = Tu Ergebnisse des
Q s,sl-wt [kW]
Druckverlust
dpsl
[kPa]
Programms für
WärmetauscherWasserdurchsatz
V sl [m³/h]
Auslegung der Fa.
Vorlauftemperatur
Tv,sl [°C]
REFLEX
Rücklauftemperatur
Tr,sl [°C]
Ladezeit
Phase I
Tu
q s,i
Speicher-/Heizkreis
Tu
To'
Qs
qs,i
Q ü,i
Q ü,i
dT
T' r,i
tlz,i
Tu
To'
Qs
qs,i
Q ü,i
Q ü,i
dT
T' r,i
tlz,i
5
[K]
Phase III
40,0 [°C]
45,0 [°C]
1,16 [kWh]
475 [W/K]
13,1 [kW]
13,1 [kW]
11,2 [K]
58,8 [°C]
5,34 [min]
Phase IV
45,0 [°C]
50,0 [°C]
1,16 [kWh]
475 [W/K]
10,7 [kW]
10,7 [kW]
9,2 [K]
60,8 [°C]
6,53 [min]
6,98 [kWh]
40,64 [min]
59,9 [°C]
Tu
To'
Qs
qs,i
Q ü,i
Q ü,i
dT
T' r,i
tlz,i
Tu
To'
Qs
qs,i
Q ü,i
Q ü,i
dT
T' r,i
tlz,i
Phase V
50,0 [°C]
55,0 [°C]
1,16 [kWh]
475 [W/K]
8,3 [kW]
8,3 [kW]
7,1 [K]
62,9 [°C]
8,39 [min]
Qs,i = ρw * V sp*cpw*(To'-Tu)/3600
aus Diagramm WRW 23, Abb. 1
Qü,i = 0,001*qs *(Tv-0,5(Tu+To' ))
wenn Qü,i > QN, dann Qü,i = QN
dT = 3600 * QÜ,i / (ρw*V i *cpw*1000)
Tr,i = Tv,i - dT
tlz,i = QS * 60 / Qü
Phase VI
55,0 [°C]
60,0 [°C]
1,16 [kWh]
475 [W/K]
5,9 [kW]
5,9 [kW]
5,1 [K]
64,9 [°C]
11,75 [min]
Qs,i = ρw * V sp*cpw*(To'-Tu)/3600
aus Diagramm WRW 23, Abb. 1
Qü,i = 0,001*qs *(Tv-0,5(Tu+To' ))
wenn Qü,i > QN, dann Qü,i = QN
dT = 3600 * QÜ,i / (ρw*V i *cpw*1000)
Tr,i = Tv,i - dT
tlz,i = QS * 60 / Qü
T'r,i = Mittelwert aus T'r,i I-VI
58
Abb. 5.7: Rohrbündelwärmetauscher Leistungsdiagramm (Wieland, Ulm)
5.) Berechnung (sl)
Qs,sl [kWh]
tlz,sl
[min]
6,98 eingespeicherte Wärme
24,5 Ladezeit tlz,sl = Qs,sl * 60 / Q s,sl-wt
Qs,sl = ρw * Vsp*cpw*(To-Tu) /3600
Qs,sl = ρw * Vsp*cpw*(To-Tu) /3600
5.) Ergebnisse
Titel
Kessel-Speicher
mittl. Übertragene Wärmeleistung
eingespeicherte Wärmemenge
Ladezeit
mittl. Rücklauftemperatur, Kesselkreis
Temperaturdifferenz Abgas-Kesselrücklauf
Abgastemperatur
Kesselwirkungsgrad
Rev. 1.2
Anordnung des Speicherlade-Wärmetauschers
Einheit
"innen"
"aussen"
[kW]
[kWh]
[h]
[min]
[°C]
[°C]
[°C]
[%]
11,74
6,98
0,68
40,64
59,9
20
79,9
93,81
17,10
6,98
0,41
24,48
32
20
52,0
97,14
59
A) TWW-Speicher mit "innen" angeordnetem Wärmetauscher (Index "i")
TWW, Z
TWW, VL
Vsp
Tu
To
Qsp
200
30
60
6,98
Kesselwirkungsgrad
ηk = 100 - 100 * qges,i
ηK [%] 93,81 Ta [°C]
l
°C
°C
kWh
q s,i 475 W/K
79,9
Erdgas-Brenwert
Kessel
Q N 17,0 kW
Tv,i [°C] 70,0
Erdgas
T'r,i [°C] 59,9
Q B [kW] 18,89
Abb. 5.8: Berechnungsbeispiel: TWW-Speicher mit „innen“ angeordnetem Wärmetauscher
B) TWW-Speicher mit "externem" Wärmetauscher / Speicherladesystem (Index "sl")
Kesselwirkungsgrad
ηk = 100 - 100 * qges,sl
η K [%] 97,14
TWW, Z
TWW, V L
Vsp 200 l
Tu 30 °C
To 60 °C
Qsp 6,98 kWh
Ta [°C]
52,0
V sl [m³/h]
0,74
Tv,sl [°C]
60
Tv,h [°C]
70
Erdgas-Brenwert
Kessel
17,0 kW
QN
Erdgas
32
Tr,h [°C]
30
Tr,sl [°C]
q s,sl
17,1
Q B [kW] 18,89
V h [m³/h]
kW
0,53
Abb. 5.9: Berechnungsbeispiel: TWW-Speicher mit „externem“ Wärmetauscher nach dem Speicherladeprinzip
Rev. 1.2
60
Trinkwarmwasserspeicher: Ladezeit abhängig vom Ladesystem
Ladeleistung [kW]
18,0
Wärmetauscher "innen"
16,0
0,01 14,0
4,10 12,0
8,62
13,96 10,0
20,49 8,0
24,48
28,89 6,0
40,64 4,0
17,0
17,0
15,4
13,1
10,7
9,5
8,3
5,9
17,1
17,1
17,1
17,1
17,1
17,1
0,01
4,10
8,62
13,96
20,49
28,89
40,64
32
32
32
32
32
32
32
Wärmetauscher "außen"
(Speicherladesystem)
55,4
55,4
56,7
58,8
60,8
62,9
64,9
2,0
0,0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
Ladezeit [min]
Abb. 5.9: Trinkwarmwassererwärmung: Ladezeit in Abhängigkeit von der Anordnung des Wärmetauschers
Trinkwarmwasserspeicher: Rücklauftemperaturen abhängig vom
Ladesystem
70
60
Achsentitel
50
40
30
Tr,h : Speicherladesystem,
Kesselrücklauftemperatur
20
T'r,i : Speicher mit innenligendem
Wärmetauscher, Kesselrücklauftemperatur
10
0
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
Achsentitel
Abb. 5.11: Trinkwarmwassererwärmung: TWW-/Kesselrücklauftemperaturen in Abhängigkeit von der
Anordnung des Wärmetauschers
Rev. 1.2
61
6. Nahwärmeversorgung
Eine verbindliche Abgrenzung der Begriffe Nahwärme und Fernwärme gibt es nicht. Hier wird dann von
Nahwärme gesprochen, wenn es darum geht, einen Wärmeverbund zwischen lokal angeordnete Liegenschaften (s. Abb. 6.1) herzustellen. Realisiert wird dies durch ein mit Heizwasser durchströmtes Rohrleitungsnetz, in das aus einem zentralen Wärmeerzeuger (Heizkessel, BHKW o.ä.) Wärme eingespeist wird
und aus dem die umliegenden Verbraucher ihren Wärmebedarf decken können.
Abb. 6.1: Beispiel einer ortszentralen Nahwärmeversorgung
6.1. Grundlagen
Die Hauptkomponenten sind in Abb.6.2 am Beispiel eines Nahwärmenetzes mit einem Biomasse- und Ölkessel dargestellt.
Abb. 6.2: Hauptkomponenten eines Nahwärmenetzes
Rev. 1.2
62
Der Wärmeverbund besteht grundsätzlich aus den drei Bereichen:
a) Heizzentrale mit Wärmeerzeugung sowie sämtlichen, zum Betrieb der Heizzentrale erforderlichen
Nebeneinrichtungen incl. der Netzpumpen zur Umwälzung des Heizwassers im Nahwärmenetz.
b) Nahwärmenetz (Rohrleitungen mit Haupt-, Verteil- und Hausanschlussleitungen)
c) Hausübergabestation („Übergabe der Wärme an die Hausheizanlage)
In Abb.6.3.ist die Abgrenzung zwischen diesen drei Bereichen dargestellt.
Abb. 6.3: Abgrenzung der Nahwärmenetzbereiche Wärmeerzeugung, Wärmenetz, und Hausstation
Abb. 6.4: Hausanschlussleitungen mit Zweigstellen
Eine überschlägige Dimensionierung der Fernwärmeleitung und
des Kraftbedarfs für den Heizwassertransport im Netz kann nach
folgendem Schema durchgeführt werden:
Rev. 1.2
63
Der Rechengang für die Ermittlung der übertragbaren Wärmeleistung und der erforderlichen Pumpleistung
zeigt das folgende Beispiel. Bei der Berechnung der Pumpleistung kann man zur Vermeidung aufwändiger
Umrechnungen die einfachere Formel (7) anstelle der Formel (6) verwenden.
Rohrleitung / Übertragbare Wärmeleistung (Medium: Wasser)
Feldfarben:
Eingabe
Ergebnis
Formel
d
i
Rohr, Innendurchmesser
0,1 [m]
Ai
Rohr, Durchlussquerschnitt
0,00785
[m²] Ai = π di² / 4
c pw
spez. Wärme
4,186 [KJ/kg K]
ϱw
Dichte
1000 [kg/m³]
Temperaturdifferenz
dT
20 [K]
Fließgeschwindigkeit
w
1,2 [m/s] Auslegungsrichtlinie : w < 1,5 m/s
Ausgangsgleichung
Q = m w *c pw *dT = ϱw *V *c pw *dT
Qü
Wärmeleistung, übertragen
788,64
[KW] Q ü = ϱw * Ai * w * c pw * dT
Volumenstrom
V
0,00942
[m³/s] V = Ai * w
33,91
[m³/h]
Druckdifferenz nach/vor Pumpe
0,20 [bar]
Wirkungsgrad mech+el.
60,00 [%]
Pumpenleistung
P
314,00
[W] P = (dp/ƞp) * Q ü / (c pw * ϱw * dT)
mit
dp in bar
ƞ p in %
Q ü in kW und dT in K
P
314,01
[W]
P = 2389* (dp/ƞ p) * (Q ü /dT)
(1)
(2)
(3)
(4)
(6)
(7)
oft ist die Wärmleistung vorgegeben und gefragt ist der Innenrohrdurchmesser
Wärmeleistung
Q
2000,00 [KW]
Fließgeschwindigkeit
w
1,5 [m/s]
Temperaturdifferenz
dT
20 [K]
di
Innenrohrdurchmesser
0,14
[m]
di = √ 4*Q/(π*ϱw *w*c pw *dT)
Wärmeleistung Q [kW]
di/dT
4.000 20
0,040
3.500
38
Abb. A1.1 Übertragene Wärmeleistung Q [kW] als Funktion von di [m]
30
40
57
75
59
88
dT=20
118K
132
199
dT=30
265K
2.500 236
0,100
353
dT=471
40 K
0,125
2.000 368
552
736
0,150
1.500 530
795
1.060
0,175
721 1.082
1.442
0,200
942 1.413
1.884
0,050
3.000
0,075
1.000
500
0,225
1.192
1.788
0,250 01.472 2.208
0,000
0,275
1.781
2.671
2.384
2.944
0,050
3.562
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
Rohrinnendurchmesser di [m]
Abb. 6.5: Übertragbare Wärmeleistung in Abhängigkeit vom Rohrinnendurchmesser di nach Gl. (3)
Rev. 1.2
64
6.2. Wärmebedarf - geordnete Jahresdauerlinie
Der Wärmeleistungsbedarf während eines Jahres hat den typischen Verlauf, wie er in Abb. 6.6 dargestellt ist,
wobei die Wärmeleistung hier willkürlich gewählt ist:
Abb. 6.6: Wärmeleistung verteilt über ein Jahr
Unter einer geordneten Jahresdauerlinie versteht man eine Graphik, bei der - in der Regel über eine Stunde
gemittelte - Leistungswerte der Größe nach "sortiert" dargestellt sind. Dabei fängt die Sortierung mit dem
Maximalwert an und fällt dann stetig bis auf den Minimalwert ab.
"Sortiert" werden können in der Wärme-/Klimatechnik die verschiedensten Größen; hier handelt es sich um
die Summe der mittleren stündlichen Wärmebedarfswerte eines Jahres. Der Zweck der graphischen Darstellung des Wärmebedarfs in einer geordneten Jahresdauerlinie ist die Struktur zu erkennen, welche Leistungen mit welcher Häufigkeit während eines Jahres auftreten.
Diese Informationen können dann weiter verarbeitet werden für die Dimensionierung wärme-technischer
Anlagen. Dabei handelt es sich im Rahmen dieses Manuskriptes um:
- Anlagen mit mehreren Heizkesseln (Festbrennstoffkessel / Gas- oder Ölkessel)
- Gaskessel mit zusätzlicher Eigenstromerzeugung durch BHKW
Die Struktur des Wärmebedarf teilt sich auf in: Lastspitze und Grundlast sowie die dazwischen liegenden
Mittellast. Die Grundlast ergibt sich in der Regel aus dem, von der Jahreszeit unabhängigen Wärmebedarf
für Trinkwarmwasser.
Kennzeichen der Grundlast ist eine hohe Benutzungsdauer pro Jahr, während die Spitzenlast zwar eine hohe Leistung ausmacht, aber nur für wenige Stunden im Jahr benötigt wird.
Die Jahresdauerlinie dient zur Auslegung der Wärmeerzeuger in Grund- und Spitzenlast. In der Grundlast
werden "teure" Anlagen wie z.B. BHKW oder Festbrennstoffkessel eingesetzt. Für die Abdeckung der Lastspitzen werden "kostengünstige" Wärmeerzeuger wie Gaskessel verwendet.
Am weitesten verbreitet ist die Darstellung des "geordneten" Wärmebedarf QWB,j [kW] über die Jahresstunden j, j=0-8760. Diese Form der Darstellung gilt dann nur für den Einzelfall.
Rev. 1.2
65
Die geordnete Jahresdauerlinie wird konstruiert aus
20
30
40
100
200
220
165
180
90 50
70
120
190
- dem stündlichen
für Raumheizung
Trinkwarmwasser
den 40
255
220
210 Wärmeverbrauch
200
190
180
165
120 und100
90
70 oder50
- Tagesganglinien des Wärmeverbrauch für Raumheizung und Trinkwarmwasser
255
30
210
20
Die Verbrauchsdaten können gemessene oder nach DIN 2067,Blatt 7 berechnete Werte sein. Sie hängen
von vielerlei Einflussfaktoren (Klima, Nutzerverhalten) ab und können sich von Stunde zu Stunde
verändern. Werden sie dem Betrag (Leistung) nach geordnet ( Q j > Qj+1), so erhält man die "geordnete
Jahresdauerlinie".
Wärmebedarf QWB,j [kWh/h] "ungeordnet"
Wärmebedarf QWB,j, [kWh/h]"geordnet"
300
300
250
250
200
200
150
150
100
100
50
50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
j
QWB,max
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
j
Abb. 6.7: Konstruktion einer geordneten Jahresdauerlinie
Zur Veranschaulichung des Unterschieds zwischen einer aus Messungen gewonnen Jahresdauerlinie und
einer nach DIN 2067, Teil 7 berechneten dient das unten Diagramm Abb.6.8 nach / /.
Abb. 6.8: Geordnete Jahresdauerlinie einer Wärmelast: Messung und Berechnung nach VDI 2067
Rev. 1.2
66
Im weiteren Verlauf wird hier der normierte, also auf den maximalen Wärmebedarf bezogene Wärmebedarf
als Basisgröße verwendet qWB = QWB,j / QWB,max.(siehe Abb. 6.9). Der Zweck dieser Vorgehensweise ist es,
verschiedene Jahresdauerlinien miteinander vergleichen zu können.
Abb. B5.2: Geordnete, normierte Jahresdauerlinie des Trinkwarmwasserund Heizwärmebedarfs qWB (t) nach /1/
qWB (t) [-]
1,000
0,900
0,800
0,700
0,600
0,500
0,400
dqWB
qWB (tx)
0,300
0,200
0,100
0,000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
tx
Jahresstunden t [a]
Abb. 6.9: Normierte geordnete Jahresdauerlinie
Im Arbeitsblatt B4.2 wurden Jahresdauerlinien (s. Abb. 6.10) aus verschiedenen Quellen ausgesucht, ausgewertet, normiert und im Diagramm Abb.6.12 miteinander verglichen.
Abb. B5.6: Geordnete Jahresdauerlinie des Trinkwarmwasser- und
Heizwärmebedarfs QWB (t) nach /1/
QWB (t) [kWh/h]
QWB (t) [kWh/h]
250,0
Abb. B5.7: Geordnete Jahresdauerlinie des Trinkwarmwasser- und
Heizwärmebedarfs QWB (t) nach /2/
200,0
150,0
50,0
40,0
30,0
100,0
20,0
50,0
10,0
0,0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0,0
8000
0
Jahresstunden t [a]
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Jahresstunden t [a]
Abb. B5.8: Geordnete Jahresdauerlinie des spezifischen
Trinkwarmwasser- und Heizwärmebedarfs qWB (t) nach /3/
1,000
qWB (t) [kWh/h]
Abb. 6.10: Geordnete Jahresdauerlinien nach /1/
und /2/ und /3/
0,900
0,800
0,700
0,600
0,500
0,400
0,300
0,200
0,100
0,000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Jahresstunden t [a]
Rev. 1.2
67
Abb. B5.4: Geordnete Jahresdauerlinien nach /1/, /2/, /3/ aus Arbeitsblatt B4.2
qWB (t) [h/a]
1,000
0,900
Jahresdauerlinie 1 (QWB,max 250kW)
0,800
Jahresdauerlinie 2 (QWB,max = 55 kW)
Jahresdauerlinie 3 (qWB, max = 1)
0,700
0,600
0,500
0,400
0,300
0,200
0,100
0,000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Jahresstunden t [a]
Abb. 6.12: Zusammenstellung der geordneten, normierten Jahresdauerlinien aus Abb. 6.11
Das Integral der Jahresdauerlinie (Diagramm "Jahreswärmeverbrauch qWB in Abhängigkeit von der normierten Benutzungsdauer t" ) ermöglicht in einem Arbeitsgang die Aufteilung in Grund- und Spitzenlast
sowie die Ermittlung des zugehörenden Wärmeverbrauchs QWB.
Das Integral der Jahresdauelinie berechnet sich je nachdem der Wärmebedarf als Leistung Q [kW] oder
als relative Leistung q [-], mit q= Q / Q max a ngegeben ist nach den Formeln:
oder
Abb. B5.3: Jahreswärmebedarf qWB in Abhängigkeit von der rel. Leistung q /1/
qWB [h/a]
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
relative Leistung q [-]
Abb. 6.13: Intergral der Jahresdauerlinie von Abb. 6.9
Rev. 1.2
68
Von den einzelnen, normierten Jahresdauerlinien aus Diagramm Abb. 6.12 wurden die Integralkurven
berechnet und gemeinsam in ein Diagramm eingetragen: s. Abb. 6.14. Diese Darstellung zeigt folgendes:
a) Jeder relativen (normierten) Wärmeleistung kann ein Jahreswärmebedarf (normiert) zugeordnet
werden.
b) Im Bereich der Spitzenlast kann zwar die relative (normierte) Wärmeleistung erhöht werden, aber der
zugeordnete Jahreswärmebedarf erhöht sich nur unwesentlich.
c) Der Fall „Spitzenlast“ von b) tritt ab einer relativen Leistung von 0,4 ein. Das bedeutet umgerechnet
auf absolute Werte eine Wärmeleistung von 40% von der maximalen Wärmeleistung.
Zum besseren Verständnis und für die praktische Anwendung ein Beispiel mit zwei BHKW Motoren angefügt.
Abb. B5.5: Jahreswärmeverbrauch qWB in Abhängigkeit von der rel. Leistung q
qWB [h/a]
3000
Grundlast
Spitzenlast
2500
2430
qWB2
2000
1500
qWB1
Jahresdauerlinie nach /1/
1000
500
0
0,000
0,100
0,200
q1
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
BHKW Modul i=1
q1
qWB1
Q BHKW1
q2
qWB2-1
Q BHKW2
QBHKW2
[kWhth / a]
[-]
[h/a]
[kW th]
[kWhth / a]
[-]
[h/a]
[kW th]
250
0,2
1.400
50
350.000
0,2
600
50
Bh=QBHKWi/Q BHKWi
Formeln
1,000
BHKW Modul i=2
QBHKW1
[kW th]
Stromerzeugung
0,900
q2
Bezugsgröße
QWB,max
0,300
[h/a]
7.000
150.000
[h/a]
3.000
ηel
ηth
Pkl
W el
ηel
ηth
Pkl
W el
[%]
[%]
[kW el]
[kWhel / a]
[%]
[%]
[kW el]
[kWhel / a]
30
55
27
190.909
30
55
27
81.818
Q BHKW,i = qi * QWB,max
Pkl,i = qi * QWB,max * ηel / ηth
QBHKW,i = qWB,i * QWB,max
W el,i = qWB,i * QWB,max * ηel / ηth
Abb. 6.13: Intergral der gemittelten, normierten Jahresdauerlinie von Abb. 6.12 mit einer Auslegung von
2 BHKW Motoren als Anwendungsbespiel
Rev. 1.2
69
6.3. Rohrleitungen und Absperrungen
Der „unsichtbare“, aber kostenintensive Teil einer Nah- bzw. Fernwärmeversorgung ist das Wärmenetz.
Grundsätzlich unterscheiden muss man zwischen zwei verschiedenen Rohrleitungsarten:
KMR Rohr
PEX Rohr
Bei den KMR (Kunststoffmantelrohr) Rohren handelt es sich um isolierte Stahlrohre, die außen mit einem
Kunststoffmantel umgeben sind (s. Abb. 6.14). Sie kommen ab Rohrdimensionen DN 80 zum Einsatz. Für
geringere Rohrdurchmesser werden PEX (Peroxydvernetztes Polyethylen, PE-Xa) Rohre verwendet. Bei den
PEX Rohren ist im Gegensatz zu den KMR Rohren auch das Innenrohr aus Kunststoff.
Abb. 6.14: KMR Rohr und Rohrgraben mit verlegten KMR Rohren
Im diesem Script werden nur die PEX Rohre behandelt. Dabei wird ausschließlich auf Firmenunterlagen der Firma WeKa Bezug genommen.
Die WeKa-pex Fernwärmeleitungen sind ein flexibles Rohrsystem für den Temperaturbereich <95 ºC. Ihr
Einsatzgebiet sind Fernwärmenetze kleiner und mittlerer Anschlussleistung bis ca 1-2 MW. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich in Industrie, Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung, Abwasserentsorgung,
Kälteanlagen, Thermalwassersysteme und Schwimmbadtechnik.
WeKa-pex ist als Einzelrohr bis DN 100 und als Doppelrohr bis 2x DN 50 lieferbar. Die Doppelrohrausführung hat aufgrund der kompakten Bauweise einen geringeren Wärmeverlust der Rohrtrasse als zwei Einzelrohre.
Da mit WeKa-pex kleine Biegeradien möglich sind, können die Rohre problemlos im Bogen, um vorhandene
Hindernisse herum, zu den einzelnen Gebäuden verlegt werden. Vorhandene Versorgungsleitungen können
unter - oder überquert werden. Aufgrund der großen Lieferlängen erreicht man eine einfache Verlegung,
nahezu ohne Verbindungsstellen, in kürzester Zeit.
Auch im Tiefbau ergeben sich durch den Einsatz von WeKa-pex erhebliche Einsparungen, da die Rohrgräben extrem schmal ausgeführt werden können. Die Doppelrohrausführung begünstigt das nochmals. Aufgrund der kurzen Verlegezeiten reduzieren sich die Baubehinderungen und damit auch Folgekosten auf ein
Minimum.
Das WeKa-pex Mediumrohr besteht aus einem peroxydvernetzten Polyethylen, PE-Xa nach DIN 16892,
Rohrreihe nach DIN 16893, Grundmaterial PE-HD. Es ist sehr gut beständig gegen aggressives Wasser und
Chemikalien und hat vorzügliche thermische Eigenschaften. Das Heizungsrohr - 6 bar - ist mit einer organischen Sauerstoffdiffusionssperre - E/VAL - (Ethylenvenyalkohol) Schicht nach DIN 4726, ausgestattet. Auf-
Rev. 1.2
70
grund der glatten, ablagerungsfreien Rohrinnenwandung hat das WeKa-pex Mediumrohr einen extrem niedrigen Reibungswiederstand.
Die Wärmedämmung besteht aus einem umweltfreundlichen, zu 100% FCKW- und H-FCKW-freien Cyclopentan getriebenen PUR-Schaum. Der ODP- und GWP-Wert ist Null! Die sehr gute Wärmeleitfähigkeit liegt
bei max. 0,024 W/mK bei geringen spez. Gewicht. Das Mantelrohr besteht auch bei WeKa-pex aus bewährtem, nahtlos extrudierten Polyethylen mit hoher Dichte. Der Mantel ist zähelastisch, schlag- und bruchfest.
Die Verbindung der PEX-Rohre erfolgt über schraubbare oder zu verpressende Verbindungs- oder Anschlussstücke. Pressverbindungen werden vorzugsweise bei größeren Heiznetzen eingesetzt. Für den Sanitärbereich werden Schraubverbindungen empfohlen.
Abb. 6.15: Technische Daten von WeKa PEX Rohr.
Abb. 6.16: Grabenprofil für WeKa PEX Rohre für Zweirohrsystem
(Vor- und Rücklauf getrennt) und Duo Rohrsysteme (Vor- und Rücklauf in einem Hüllmantel integriert)
Rev. 1.2
71
6.4. Hauseinführungen
Eine konstruktiv zusätzliche Komponente ist die Hauseinführung.
Ihre Funktion ist die Herstellung einer „dichten“ Verbindung zwischen Rohrleitung und der Haus-Außenwand. Für jedes Rohrleitungssystem werden dafür spezielle Hauseinführungen geliefert
(s. Abb. 6.17).
Abb. 6.17: Hauseinführungen
6.5. Hausübergabestation
Die indirekte Fernwärmeübergabestation des Typs FSI-S Ü ist zur
Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern konzipiert. Ihre Ausführung als komplett wärmegedämmte, wandhängende Anlage mit
optimal minimierten Baumaßen gestattet es, sie selbst bei geringen Platzverhältnissen problemlos einzusetzen.
Das Anlagenkonzept umfasst einen Leistungsbereich der es gestattet, bis zu ca 70 Wohnungen zu versorgen. Die Station ist für den sekundären Anschluss eines Heizkreises sowie einer Trinkwarmwasserversorgungsanlage (Speicherwassererwärmer oder Speicherladesystem) geeignet.
Da die sekundärseitigen Durchflüsse und Netztemperaturen variabel gestaltet sind, sind hierzu erforderliche
Umwälzpumpen nicht im Anlagenumfang enthalten und müssen bauseits gestellt werden. Die Ansteuerung
und Elektroversorgung dieser ist im Steuerteil der Anlage vorbereitet.
Als indirekte Anlage ausgeführt, sind bei diesem Anlagentyp Primär- und Sekundärseite hydraulisch voneinander getrennt. Zum einen sind hiermit Druck- und Temperaturunterschiede relativ einfach überbrückbar
und zum anderen werden Havariefälle des Sekundärsystems nicht auf die Primäranlage übertragen. Das
führt zu erhöhter Betriebssicherheit im Primärnetz und u.a. werden andere Anschlüsse / Nutzer nicht betroffen. Wie auch bei direkten Anlagen dient ein Durchgangsregelventil (8a) im Primärkreis der Anlage zur Anpassung der sekundären Temperaturparameter.
Der Energieaustausch erfolgt über einen Wärmeübertrager (12). Hierbei wird der Energieinhalt des heißeren
Primärmediums durch Abkühlung desselben an der Wärmeübertragungsfläche (profilierte Platte) an das
kältere Sekundärmedium übertragen. Das geschieht im sogenannten Gegenstromprinzip. Die verbrauchte
Wärmeenergie wird mittels eines Wärmemengenzählers (10 - bauseits) zum Zweck der Abrechnung gemessen. Hierfür ist ein entsprechendes Zählerpassstück incl. Messstelle eingebaut.
Da keine weiteren primärseitigen Abgänge vorhanden sind und vorausgesetzt wird, dass der Primärdifferenzdruck keinen großen und / oder kurzzeitigen Schwankungen unterliegt, kann diese Regelfunktion mit
der Begrenzungsfunktion in einer sogenannten Kombiarmatur (8a) zusammengefasst werden. Dadurch ist
ein permanent konstanter Druckabfall über dem Ventil sichergestellt, der die Regelungsqualität erhöht und
der primärseitige Volumenstrom kann auf den vertraglichen Wert begrenzt werden. Führungsgrößen sind die
gemessene Vorlauftemperatur am Fühler (19) sowie die einzuhaltenden Rücklauftemperatur am Fühler (13),
deren Sollwert im elektronischen Regler z.B. über eine Heizkurve entsprechend der gemessenen Außentemperatur ermittelt wird.
Rev. 1.2
72
Abb. 6.18: Anschlussschemata von Hausübergabestationen
Abb. 6.19: Auslegungsdaten von Hausübergabestationen
Abb. 6.20: Abmessungen und Bild einer Hausübergabestation
Rev. 1.2
73
6.6. Regelung
Die witterungsgeführte Regelung ist direkt an der Kompaktstation installiert und hat in den meisten Fällen die
folgenden, wesentlichen Funktionen:
Misst die Vorlauftemperatur auf der Sekundärseite und die Außentemperatur
Verändert den Hub des Regelventils auf der Primärseite so, dass sich die erforderliche sekundäre
Vorlauftemperatur ergibt
Begrenzt die Rücklauftemperatur auf der Primärseite auf einen vorher eingestellten Wert
Schaltet auf der Sekundärseite die Umwälzpumpe / Umwälzpumpe (bauseits) bei Bedarf ein oder
aus und sorgt für eine Frostsicherung
Bei angeschlossenem Trinkwarmwassersystem wird im Bedarfsfall eine Vorrangschaltung aktiviert
Da keine weiteren primärseitigen Abgänge vorhanden sind und vorausgesetzt wird, dass der Primärdifferenzdruck keinen großen und / oder kurzzeitigen Schwankungen unterliegt, kann diese Regelfunktion mit
der Begrenzungsfunktion in einer sogenannten Kombiarmatur (8a) zusammengefasst werden. Dadurch ist
ein permanent konstanter Druckabfall über dem Ventil sichergestellt, der die Regelungsqualität erhöht und
der primärseitige Volumenstrom kann auf den vertraglichen Wert begrenzt werden. Führungsgrößen sind die
gemessene Vorlauftemperatur am Fühler (19) sowie die einzuhaltenden Rücklauftemperatur am Fühler (13),
deren Sollwert im elektronischen Regler z.B. über eine Heizkurve entsprechend der gemessenen Außentemperatur ermittelt wird.
Abb. 6.21: Außentemperaturgeführte Regelung einer Hausstation
Rev. 1.2
74
6.7. Anschlussbedingungen
Von jedem Nah- / Fernwärmeversorger werden Anschlussbedingungen vorgegeben, die eine wichtige
Grundlage für die Dimensionierung der Hausübergabestationen.sind. Diese Anschlussbedingungen sind von
Versorger zu Versorger verschieden und angepasst an die Anlagentechnik der Wärmeerzeugung und -verteilung des Unternehmens.
Von den Anschlussbedingungen sind hier zwei Vorgaben genannt:
Vorlauftemperatur des Nah- / Fernwärmenetzes (s. Abb. 6.22)
Sicherheitstechnische Ausrüstung (s. Abb. 6.23)
Abb. 6.22: Außentemperaturgeführte Vorlauftemperatur eines Fernwärmenetzes
Eine nicht zu vernachlässigender Faktor bei der Nah-/Fernwärmeversorgung sind die Wärmeverluste des
Netzes. Daher muss es das gemeinsame Interesse aller Beteiligter sein, diese Verluste durch Absenken der
Netztemperaturen zu minimieren.
In Abb. 6.22 ist eine typische Netzvorlauf - Temperaturregelung dargestellt. Bei kalter Witterung wird die
Vorlauftemperatur angehoben und in der Sommerzeit abgesenkt. Die Absenkung ist begrenzt durch die minimal zur Trinkwarmwassererzeugung benötigte Temperatur.
Die sicherheitstechnische Ausrüstung (s. Abb. 6.23) ist in der DIN festgelegt, sollte aber in jedem Fall beim
Versorger nochmals abgefragt werden, das sie Grundlage ist für die Ausschreibung der Hausstation.
Rev. 1.2
75
Abb. 6.23: Sicherheitstechnische Anforderungen an eine Hausübergabestation
Rev. 1.2
76
7. Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerke sind ein fester Bestandteil der Energietechnik heute. Im Gegensatz zur Wärmeerzeugung mit Heizkesseln „produzieren“ sie Wärme + Strom
7.1. Anlagentechnik
Ausgangsprodukt der BHKW-Technik sind die vom Automobil bekannten Basistechniken Otto-Motor und
Dieselmotor. Das Prinzip konnte übernommen werden, die technische Ausführung musste angepasst werden. Wenn ein Automobil ausgelegt wird auf 200.000 km Laufleistung, so einspricht dies bei einer mittleren
Geschwindigkeit von 50km/h nur 4.000 h. Komponenten zur Wärmeerzeugung (Kessel) können in der Regel
problemlos 25 Jahre x 2.000 Volllaststunden, also 50.000 Stunden betrieben werden.
BHKW-Motor wurden konstruktiv angepasst, dass sie bei Einhaltung der kleinen und großen Inspektionen /
Wartungen (10.000 h Intervall) / Überholungen (20.000 h Intervall) eine, den Kesseln vergleichbare Lebensdauer erreichen.
Lieferbar sind BHKW-Motore von wenigen kW bis mehreren MW elektrischer Leistung. Sie unterscheiden
sich hauptsächlich nach dem konstruktiv-verfahrenstechnischen Aufbau:
Gas-Otto-Motor
Gas-Magermotor
Dieselmotor (Brennstoffe Diesel/HEL, Biodiesel und flüssige Sonderbrennstoffe wie z.B. Nussöl)
1.) Einteilung der BHKW nach Konstruktion und Verwendung
Konstruktion
λ-1-Motor*
Magermotor*
Diesel-Motor
Brennstoffe
- Erdgas
- Klärgas
- Erdgas
- Klärgas
- Heizöl EL
- Bio-Diesel
* jeweils auch mit Turbolader
Abb. 7.1: Typ und Brennstoff von BHKW Motoren
Wegen der vergleichsweise hohen Schadstoffemissionen werden Dieselmotoren in der dezentralen BHKWHeiztechnik nur selten eingesetzt. Es sind teure Maßnahmen zu Reduzierung der Ruß- und NOxEmissionen notwendig. Mit Katalysatoren ausgestattete
Gas-Otto-Motor sind eine kostengünstigere Alternative
und Stand der Technik, obwohl im Lamda=1 Betrieb
hohe NOx-Emissionen produziert werden, die es dann
wieder "vernichten" gilt.
Eine Alternative zum Gas-Otto-Motor ist der Magermotor. Er wird mit einem Luftüberschussgefahren, bei dem
nur wenig NOx-Emissionen entstehen (siehe nebenstehende Abb. 7.2).Allerdings steigt der CO-Gehalt,
weshalb ein Oxidationskatalysator nachgeschaltet
Rev. 1.2
Abb. 7.2: BHKW: Wirkungsgrad und Emissionen
77
werden muss. In dem werden dann auch die NMHC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) "verbrannt" werden.
Ein BHKW-Motor stellt immer eine ergänzende Komponente in einem Wärmeversorgungskonzept dar. Die
Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Störungen und Unterbrechungen im Rahmen geplanter Stillstände ist
im Gegensatz zu Kesselanlagen wesentlich größer. Daher gibt es vier Grundsätze für die Planung von
BHKW-Anlagen:
a) Abdeckung der Spitzenlast durch Heizkessel, BHKW nur als ergänzende Komponente
b) Aufteilung der Grundlast auf mehrere BHKW-Motore (siehe Arbeitsblatt )
c) Dimensionierung eines Pufferspeichers auf die lt. Hersteller vorgegebenen Mindestlaufzeit des/der
BHKW-Motore
d) Maßnahmen zur Reduzierung der Schallemissionen auf die Vorgaben des Schallschutzes
BHKW-Motore können die nebenstehenden Wirkungsgrade (s. Abb. 7.3) erreichen. Das Prinzip der Wärmeauskopplung und Stromerzeugung mit einem BHKW Motor zeigt Abb. 7.4. Weitere Grundlagen und Faktoren sowie Kostenangaben gehen aus unten stehenden Tabellen und Graphiken hervor. Sie stammen aus
einem Jahresbericht der ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Abb. 7.3: Tabelle mit Wirkungsgraden von BHKW Motoren
d
c
e
b
f
b
g
a
80°
1
Abb. 7.4: Wärmeauskopplung aus einem BHKW Motor
Rev. 1.2
78
T [ºC]
d
350
300
250
200
150
e
f
100
50
g
c
b
a
Q [kW]
Abb. 7.5: Temperatur – Wärmeleistungsdiagramm der Wärmeauskopplung aus dem
BHKW Motor von Abb. 7.4
Basis- und Bezugsgröße in den einschlägigen Herstellerunterlagen und der Literatur ist die elektrische Leistung (ab Generator -> Klemmenleistung) PBHKW . Aus ihr können mit den elektrischen und thermischen bzw.
Gesamtwirkungsgrad alle übrigen Leistungsgrößen berechnet werden.
Blockheizkraftwerk, Grundgleichungen
- Elektrische Leistung (Klemme)
- Brennstoffleistung
- Brennstoffeinsatz
- Brennstoff, Heizwert
- Wirkungsgrad Stromerzeugung
- Brennstoffleistung
PBHKW
QB,BHKW
m B,BHKW
Hi
Eingabe
QB,BHKW
Ergebnis
50,0 [kWhel]
[kWhth]
[kg/h]
[kWh/kg]
0,33 [kWhel/kWhB]
151,5 [kWhth]
- Wirkungsgrad Nutzwärmeerz.
ŋth,BHKW
Feldfarben:
ŋel,BHKW
- Thermisch genutzte Abwärme QBKW
(5) berechnet sich aus PBHKW mit (2) und (4)
- Brennstoffausnutzungsgrad
ωBHKW
Formel
Q B,BHKW = m B,BHKW * Hi
(1)
ŋel,BHKW = PBHKW / Q B,BHKW
QB,BHKW = PBHKW / ŋel,BHKW
(2)
(3)
0,55 [kWhth/kWhB]
ŋth,BHKW = QBHKW / Q B,BHKW
(4)
83,3 [kWhth]
QBHKW = PBHKW * ŋth,BHKW / ŋel,BHKW (5)
0,88 [kWhnutz /kWhB] ωK = (Q BHKW+PBHKW) / Q B,BHKW
(6)
(ASUE)
ωBHKW
0,88 [kWhnutz /kWhB] ωBHKW = ŋel,BHKW + ŋth,BHKW
(7)
- spez. Brennstoffeinsatz
qB,BHKW
1,14 [kWhB/kWhnutz ] qB,BHKW = 1 / ωBHKW
(8)
Rev. 1.2
79
In Abb. 7.6 sind die Energieströme Brennstoffeinsatz, Energieverluste und Nutzenergien für einen BHKW
Motor aufgezeigt.
Abb. 7.6: Energiefluss - Schema eines BHKW (Sankeydiagramm)
Das Schaltschema in Abb. 7.7 zeigt das Prinzip der die wärmetechnischen Integration von zwei BHKW Motoren in eine Gesamtanlage: Der BHKW-Motor stellt immer eine ergänzende Komponente in einem Wärmeversorgungskonzept dar.
Abb. 7.7: Schaltschema eines BHKW mit 2 Motoren
Rev. 1.2
80
Bei der Planung eines BHKW muss dem Schallschutz besondere Beachtung geschenkt werden. Das sind lt.
Abb. 7.8 die folgenden Bereiche:
Körperschall BHKW Motor
Direkte Schallabstrahlung vom Motor
Schallemissionen im Abgas
Schallemissionen über die Zu-/Abluftöffnungen
BHKW Motore mit einer Leistung < 1 MW werden meistens in schallgedämmten Containern (s. Abb. 7.8)
aufgestellt und betrieben. Für größere Aggregate werden bauseits separate Räume errichtet. Die Motoren
werden dann auf körperschallgedämmten (schallentkoppelten) Grundrahmen montiert. Für Aggregate mit
einer Leistung > 3 MW muss geprüft werden, ob nicht ein separates, vom übrigen Baukörper entkoppeltes
Fundament gebaut wird.
Mit dem Abgas wird besonders tief frequenter Schall an die Umgebung abgegeben. Ein Abgasschalldämpfer
ist in jedem Fall zwingend notwendig, das Einbauschalldämmmaß nachgeschalteter Abgaswärmetausche
reicht nicht aus!
Der Motor selbst kann nicht wärmegedämmt werden und strahlt daher Wärme (lt. Abb. 7.6 ca 3%) direkt in
den Container oder den Aufstellungsraum ab. Diese Wärme muss über eine Zwangsbelüftung abgeführt
werden. An den Zu-/Abluftöffnungen bzw. Kanälen wirkt der vom Motor abgegebene Luftschall. An diesen
Stellen müssen ebenfalls Schalldämpfer installiert werden, wobei wiederum besonders die tiefen Frequenzen
zu absorbieren sind.
Abb. 7.8: Aufbau eines BHKW, integriert in einen Schallschutzcontainer
Rev. 1.2
81
7.2. Betriebsweise
In Bezug auf die Betriebsweise sind BHKW Motore weitestgehend „unkritische“ Komponenten, da die konstruktive Ausführung auf den Erfahrungen des Automotorenbaus basiert und mit der Integration in die Gesamt-Heizungsanlage ausreichend viele Erfahrungen vorliegen. Häufig auftretende Themen sind:

Motoröl:
In den meisten Fällen reicht es aus, „einfache“ und kostengünstige Motoröle zu verwenden. Synthetische Öle sind teuer und gewähren keine angemessene längere
Laufzeit. In regelmäßigen Abständen Ölanalysen geben Auskunft über den Verschleiß von Öl und ggfs. Motor.

Zündkerzen:
Werden besonders konstruierte Zündkerzen oder besonders verschleißarme Zünd
kerzen lt. Herstellerangaben benötigt, kann das teuer werden.

Betriebsdaten: Eine automatische Erfassung der Betriebsdaten erleichtert die Störfallanalyse

Abgas-WT:
Abgaswärmetauscher sind in den meisten Fällen Wasserraumkessel, also „Wasser
behälter durch die das heiße Abgas in Rohren geführt wird: Auf gute Reinigungsmöglichkeit der Abgasrohre achten.
7.3. Technische Daten
In diesem Kapitel sind ASUE Angaben zusammengestellt. Sie geben einen guten Überblick über den Stand
der BHKW Technik anhand der jeweils aufgeführten Diagramme. In Abb. 7.9 sind die installierten BHKW
eingeteilt nach der Häufigkeit der elektrischen Leistungen.
Abb. 7.9: Häufigkeit von BHKW, sortiert nach elektrischen Leistungsklassen
Rev. 1.2
82
Das Diagramm in Abb. 7.10 zeigt, dass der elektrische Wirkungsgrad mit der elektrischen Leistung ansteigt:
„kleine“ BHKW haben einen niedrigen und „große“ BHKW einen hohen Wirkungsgrad. Das Ziel ist in jedem
Fall ein hoher Wirkungsgrad, da der erzeugte Strom „wertvoller“ ist als die erzeugte Wärme.
Abb. 7.10: Elektrischer Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung
7.4. Investitions- und Betriebskosten
Aus der Tabelle Abb. 7.11 geht die Aufteilung der Gesamtinvestition für ein BHKW auf die einzelnen Hauptkomponenten hervor. Ein Nebeneffekt der Tabelle ist der Überblick, aus welchen Hauptkomponenten sich
ein BHKW zusammensetzt.
Abb. 7.11: Aufteilung der Gesamtkosten auf die einzelnen Komponenten eines BHKW
Rev. 1.2
83
7.4.1. Investitionskosten
Das Diagramm Abb. 7.12 zeigt den hohen Degressionsfaktor bei den Investitionskosten: „kleine“ Aggregate
sind relativ teuer im Gegensatz zu „großen“ Aggregaten. Mit der angegebenen Regressionsfunktion können
sehr einfach Wirtschaftlichkeitsanalysen erstellt werden
Abb. 7.12: Investitionskosten abhängig von der elektrischen Leistung
7.4.2. Betriebskosten
Abb. 7.13: Betriebskosten für Vollwartung in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung
Rev. 1.2
84
Dem Betreiber einer Heizzentrale mit BHKW steht in der Regel nicht das Personal mit der notwendigen Qualifikation für die Wartung und Störungsbeseitigung von Motoren zur Verfügung. Zudem benötigt er eine zuverlässige Planungsgrundlage, was im späteren Betrieb an Kosten auf ihn zukommen. Deshalb hat sich mit
dem Kauf eines BHKW der gleichzeitige Abschluss eines Vollwartungsvertrages durchgesetzt. Der Preis wird
immer angegeben in Ct pro erzeugter kWh. In diesem Betrag enthalten sind:
Regelmäßige Wartung gem. Wartungsplan des Motorherstellers
Störungsdienst / Rufbereitschaft
Störungsbeseitigung
Nicht enthalten sind:
o Austausch von Verschleißteilen (Zündkerzen etc.)
o
Ölwechsel
o
Große Überholung nach 20.000 h und 40.000 h
Die in Abb. 7.13 angegebene Regressionsfunktion ist nicht korrekt. Deshalb wurden die Daten selbst ausgewertet und in Abb. 7.14 die passende Regressionsfunktion angegeben.
Abb. 7.14: Preise für Vollwartung in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung
7.4.3. Wirtschaftlichkeit
Wie wirtschaftlich ein BHKW betrieben werden kann, hängt von folgenden Einflussfaktoren ab:
„Größe“ des Aggregats bzw. der Klemmenleistung und der davon abhängenden Investitionskosten
und dem Preis für die Vollwartung
Gaspreis
In den folgenden Tabellen wurden die Stromgestehungskosten für zwei BHKW unterschiedlicher Leistung
und in Abhängigkeit von den Volllastbenutzungsstunden berechnet. Unter Stromgestehungskosten versteht
Rev. 1.2
85
man dabei den Preis für die mit dem BHKW erzeugte kWh, in dem die gesamten Kosten für den Betrieb des
BHKW berücksichtigt sind.
Eingabe
Feldfarben:
Ergebnis
Formel
Stromgestehungskosten in Abhängigkeit von der Benutzungsdauer
Klemmenleistung
El. Wirkungsgrad
Th. Wirkungsgrad
Pkl
Ƞth,BHKW
[kW el]
[-]
[-]
Wirkungsgrad, Kessel
ȠΦ,Kessel
[-]
Zinssatz
Laufzeit
p
n
q
a
[%]
[a]
[-]
[1/a]
Annuität
Ƞel,BHKW
spez. Investkosten Pos. 5 IK
Vollwartungsvertrag Pos. 5 BKv
spez. Brennstoffeinsatz für Strom
aus Arbeitsblatt B3
Gp
10,00
0,35
0,50
0,85
6
15
1,06
0,1030 a = 0,01 * (q^n * p) / (q^n - 1)
[€/kW el]
[Ct/kWhel]
3.229 IK = 9332,6 * PKL ^-0,461
4,94 BKv = 13,533 * PKL ^-0,438
1,18 q'B,BHKW-el =(1/Ƞ el,BHKW)*[1-(Ƞ th,BHKW/Ƞ Φ,Kessel)]
q'B,BHKW-el
(18)
[Ct/kWh],Hi
5,00 variabel 4 bis 6 Ct/kWh,Hi
Volllastbetriebsstunden bvh
[h/a]
4000 variabel 2000 bis 8000 h/a
Stromgestehungskosten SG
[Ct / kWhel]
19,72 SG = (100* IK * a / bvh) + BKv + q'B,BHKW-el * GP * Hs /Hi
Erdgaspreis
Stromgestehungskosten S G [Ct / kWhel]
Ergebnisse für PKl = 100 kW el
Stromgestehungskosten
S GIKin =
Abhängigkeit
den
[€/kW el]
spez. Investkosten Pos. BHKW:
5 IK
1.117
9332,6 * PKL von
^-0,461
Volllastbenutzungsstunden b vh
B
Kv
[Ct/kWh
el
]
Vollwartungsvertrag Pos. 5
1,80 BKv = 13,533 * PKL ^-0,438
50,00
SG
Stromgestehungskosten
[Ct / kWhel]
11,15 SG = (100* IK * a / bvh) + BKv + q'B,BHKW-el * GP * Hs /Hi
45,00
bvh
40,00
1000
35,001500
2000
2500
25,003000
3500
20,00
4000
15,004500
5000
10,005500
6000
5,00
6500
0,007000
7500
0
8000
30,00
PKL
10
44,65
33,57
28,03
24,70
22,49
20,90
19,72
18,79
18,06
17,45
16,95
16,52
16,16
15,84
15,56
PKL
100
19,77
15,94
14,02
12,87
12,10
11,56
11,15
10,83
10,57
10,36
10,19
10,04
9,91
9,80
1000
9,71
Pkl = 10 kWel
Pkl = 100 kWel
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Volllastbenutzungsstunden bvh [h/a]
Abb. 7.15: Stromgestehungskosten für zwei BHKW in Abhängigkeit von den Volllastbenutzungsstunden
Rev. 1.2
86
8. Kraft-Wärme-Kopplung
8.1. Grundlagen
Mit Kraft-Wärme-Kopplung werden Techniken
zur gleichzeitigen (geKoppelten) Erzeugung
von Kraft in Form elektrischer Energie und
Wärme bezeichnet. Mit der KWK-Technik kann
Primarenergie eingespart werden. Daher besitzt sie einen besonders hohen Stellenwert
beim Erreichen klimapolitischer Ziele zur Reduzierung der Klimagase (CO2).
Hier wird unterschieden zwischen zentraler
und dezentraler KWK-Technik.
Zentrale KWK-Technik
Unter "zentraler" KWK wird hier die Auskopplung von Wärme aus Kraftwerken (Großkraftwerken) sowie die KWK in Industriekraftwerken eingeordnet. Traditionell dienen große
Kraftwerke nur zur Stromerzeugung. Die bei
der Stromerzeugung unvermeidlich anfallende Abb. 8.1: Stromerzeugung ohne / mit KWK
Abwärme wurde über Gewässer oder Kühltürme
ungenutzt abgeführt.
In Ballungszentren bot es sich an, diese "Abfallwärme" als Fernwärme zu nutzen. Diese wurde in Form von
Dampf/Heizwasser für die Raumheizung in privaten Haushalten oder als Dampf in Industriebetrieben eingesetzt. Ein klassisches Beispiel dafür ist die "Ruhrschiene"; heutzutage gibt es viele derartige Konzepte in
Ballungszentren wie Berlin, Frankfurt, Mannheim, Stuttgart usw.
Dezentrale KWK-Technik
Alternativ zu diesen Konzepten bildete sich die dezentrale KWK heraus. Der Grundgedanke dabei war, sich
von der auf Ballungszentren beschränkten Möglichkeit der KWK aus (Groß-) Kraftwerken zu lösen. Am Anfang dieser Entwicklung stand der Einsatz von Verbrennungsmotoren. Erprobt werden neue Techniken mit
Stirling-Motoren und Brennstoffzellen.
Weitere Einzelheiten zu den Verbrennungsmotoren sind im Arbeitsblatt B3 "BHKW-Technik" angegeben.
Hier wird näher auf das Einsparpotenzial und die Berechnungsmethoden zur Ermittlung der eingesparten
Primärenergie eingegangen.
Der Rechengang besteht aus zwei "Pfaden":
a) Berechnung der zentralen Strom- und Wärmeerzeugung
b) Berechnung der dezentralen Strom-und Wärmeerzeugung mit BHKW
Daten zur zentralen Strom- und Wärmeerzeugung können den Statistiken der BRD entnommen werden. Hier
ist der jeweilige "Energiemix" dokumentiert und kann als Bezugsbasis verwendet werden. Dieser Energiemix
verändert sich von Jahr zu Jahr, weshalb diese ergänzende Angabe wichtig ist. Vermieden werden sollte die
Manipulation in dem Sinn, dass ohne Nennung der Bezugsbasis oder nur regional geltender Vergleichswerte
eine "günstige" Vergleichsbasis hergestellt wird.
Rev. 1.2
87
Angaben zur KWK-Technik mit BHKW können aus Herstellerunterlagen oder den jährlich erscheinenden
Statistiken der ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
entnommen werden.
Als Bezugsbasis für den Vergleich zentraler/dezentraler KWK und damit der Berechnung der eingesparten
Primärenergie wird die "netto" erzeugte Kilowattstunde Strom genommen. Bei der dezentralen KWK wird
aber gleichzeitig Wärme erzeugt, weshalb diese separat bewertet werden muss. Ohne BHKW muss die
Wärme mit einem bestehenden/neuen Kessel erzeugt werden. Dieser Weg und die dabei anfallenden Umwandlungsverluste entfallen bei einem Konzept mit BHKW.
Die oben beschriebenen Zusammenhänge sind graphisch in Abb. 8.2 dargestellt. Eine Beispielrechnung
vervollständigt dieses Thema.
8.2. Berechnungen
In den folgenden Berechnungen wird der Zusammenhang für die Berechnung einer dezentralen KWK hergeleitet. Graphisch dargestellt sind die Zusammenhänge in Abb. 8.2. Für die Anwendung wichtig sind die Gleichungen (18) und (19) für den spezifischen Brennstoffeinsatz für die mit einem BHKW erzeugte kWh und
den eingesparten spezifischen Brennstoffanteil durch die dezentrale KWK.
Feldfarben:
Eingabe
1) Einsparung an Primärenergie durch KWK mit BHKW
a) Kondensationskraftwerk
- Thermisch genutzte Abwärme
- Stromeinspeisung, HS-Netz
- Brennstoffeinsatz
Größe
QK
PK
m B,K
Hi
ωK
Ergebnis
Formel
Indizes
K = Kraftwerk, BHKW = Blockheizkraftwerk
Index HS = Hochspannungsnetz, Index NS=Niederspannungsnetz
B = Brennstoff, el = elektrisch, th = thermisch, nutz = el+th
0,41 [kWhnutz /kWhB] ωK = (QK+PK) / (m B,K * Hi)
(1)
(Statistik 2005)
- Verluste Stromnetz HS-NS
- Wirkungsgrad ", NS-Netz
ŋel,K
ŋel,HS-NS
ŋel,K-NS
ŋth,K
ωK
0,36
0,02
0,34
0,05
qB,K
qB,K
qB,K-NS
2,44 [kWhB/kWhnutz ] qB,K = 1 / ωK
2,44 [kWhB/kWhnutz ] qB,K = 1 / (ŋel,K + ŋth,K)
2,56 [kWhB/kWhnutz ] qB,K-NS = 1 / (ŋel,K-NS + ŋth,K)
- spez. Brennstoffeinsatz, NS-Netz
b) Blockheizkraftwerk
- Stromeinspeisung, NS-Netz
- Brennstoffeinsatz
QBKW
PBHKW
mB,BHKW
Hi
ωBHKW
[kWhel/kWhB]
[kWhel/kWhB]
[kWhel/kWhB]
[kWhth/kWhB]
[kWhnutz /kWhB]
[kWhth]
[kWhel]
ŋel,K = PK / (m B,K * Hi)
(2)
ŋel,K-NS = ŋel,K - ŋel,K-HS-NS
ŋth,K = Q K / (m B,K*Hi)
ωK = ŋel,K + ŋth,K
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
siehe Gl.(14)
siehe Vorgabe unter c)
0,88 [kWhnutz /kWhB] ωK = (QBHKW+PBHKW) / (m B,BHKW * Hi)
(8)
(ASUE)
ŋel,BHKW
ŋth,BHKW
ωBHKW
0,33 [kWhel/kWhB] ŋel,BHKW = PBHKW / (m B,BHKW * Hi)
0,55 [kWhth/kWhB] ŋth,BHKW = QBHKW / (m B,BHKW * Hi)
0,88 [kWhnutz /kWhB] ωBHKW = ŋel,BHKW + ŋth,BHKW
(9)
(10)
(11)
qB,BHKW
1,14 [kWhB/kWhnutz ] qB,BHKW = 1 / ωBHKW
(12)
c) Vergleich Kondensationskraftwerk mit Blockheizkraftwerk
PBHKW
- Bezugsbasis 1 kWhel Strom
1,00 [kWhel]
Rev. 1.2
Vergleichsbasis Kraftwerk/NS - BHKW
88
i) Dezentrale Wärmeerzeugung und Strom aus Kondensationskraftwerk
- spez. Brennstoffeinsatz, Strom, NS-Netz qB,K-NS
2,56 [kWhB/kWhel]
qB,K = 1 / (ŋel,K-NS+ŋth,K)
ii) Dezentrale Stromerzeugung mit Blockheizkraftwerk
qB,BHKW-el 3,03 [kWhB/kWhel]
qB,BHKW = 1 / ŋel,BHKW
(13)
in q B,BHKW-el sind die Verluste und der Brennstoffaufwand für die mit dem BHKW erzeugten Wärme enthalten.Die
Verluste werden dem Strom zugerechnet, der Anteil für Wärme muss von q B,BHKW-el abgezogen werden:
- Anteil Wärme folgt aus (9) und (10)
- mit PBHKW = 1 folgt
QBHKW
1,67 [kWhth]
qBHKW-th-el 1,67 [kWhth/kWhel]
QBHKW = PBHKW * ŋth,BHKW / ŋel,BHKW
qBHKW-th-el = ŋth,BHKW / ŋel,BHKW
(14)
(15)
Diese Wärme müsste ohne BHKW mit einem Kessel erzeugt werden. Durch das BHKW entfallen die Kesselverluste,
daher müssen bei Q BHKW die Kesselverluste berücksichtigt werden:
- Kesselnutzungsgrad
0,85 [-]
ŋΦ,Kessel
q'B,BHKW-th 1,96 [kWhB/kWhth]
q'B,BHKW-el 1,07 [kWhB/kWhel]
aus (13), (15), (16) und (17) folgt
q'B,BHKW-el 1,07 q'B,BHKW-el =(1/Ƞ el,BHKW)*[1-(Ƞ th,BHKW/Ƞ Φ,Kessel)]
iii) Brennstoffeinsparung
- spez. Brennstoffeinsatz i)
- spez.
"ii)
- Brennstoffeinsparung
qB,K-NS
q'B,BHKW-el
qeinspar
2,56 [kWhB/kWhel]
1,07 [kWhB/kWhel]
1,49 [kWhB/kWhel]
q'B,BHKW-th = qBHKW-th-el / ŋΦ,Kessel
q'B,BHKW-el = qB,BHKWel - q'b,BHKW-th
qeinspar = qB,K-NS - q'B,BHKW-el
(16)
(17)
(18)
(19)
iv) Berechnung absoluter Größen (Beispiel)
- BHKW, Generatorleistung
PBHKW
50,0 [kWhel]
0,33 [kWhel/kWhB]
ŋel,BHKW
ŋth,BHKW
QBKW
83,3 [kWhth]
- Brennstoffeinsatz
ωBHKW
QB,BHKW
- Wärmeverluste
QV,BHKW
0,55 [kWhth/kWhB]
s. Gl. (14)
0,88 [kWhnutz /kWhB] s. Gl. (11)
151,5 [kWhB]
QB,BHKW = (PBHKW + QBHKW)/ω BHKW
18,2 [kWhth]
QV,BHKW = QB,BHKW -PBHKW - QBHKW
(20)
(21)
v) Brennstoffeinsparung in Abhängigkeit vom elektrischen BHKW-Wirkungsgrad
ŋel,BHKW
ŋth,BHKW
ω BHKW
qeinspar
[kWhel/kWhB]
[kWhth/kWhB]
[kWhnutz /kWhB]
[kWhB/kWhel]
25,00
63,00
88,00
1,5288
33,00
55,00
88,00
1,4946
40,00
48,00
88,00
1,4759
Rev. 1.2
89
QB,K = mB,K * Hi
Kraftwerk / Wärme+Stromerzeugung
Verluste
QK
ω K = (PK + QK) / (mB,K*Hi)
ω K = ŋel,K + ŋth,K
PK
qB,K = 1 / ω K
Kraftwerk /
Strom Netzverluste
qB,K = 1 / (ŋel,K + ŋth,K)
HS-NS Netze
qB,K-NS = 1 / (ŋel,K-NS + ŋth,K)
Kraftwerk/Strom +
dez. Strom- /
Wärmeerzeugung
mit BHKW
Kraftwerk / Strom +
dez. Wärmeerzeugung,Kessel
PNS = 1
QB,Kessel = m Kessel*Hi =
QBHKW /ȠKessel
QBHKW
Verluste
Verluste
PBHKW = 1
QBHKW
QB,BHKW
q'B,BHKW-el
q'B,BHKW-el = (1/Ƞel ,BHKW)*[PBHKW-(Ƞth,BHKW/ȠΦ,Kes s el )] [kWhB/kWhel]
qeinsp = q B,K-NS - q'B,BHKW-el
[kWhB/kWhel ]
Abb. 8.2 Konzeptvergleich zentrale Stromerzeugung mit einem Kondensationskraftwerk und dezentrale
Stromerzeugung mit einem BHKW
Rev. 1.2
90
9. Wirtschaftlichkeitsberechnung
Die Berechnung der Wirtschaftlichkeit ist neben technischen Gesichtspunkten die kaufmännische Methode zur Bewertung eines Konzeptes. Dazu folgende Grundsätze:
der Wirtschaftlichkeitsvergleich bezieht sich nur auf die Planungsphase (siehe Abb. 9.1). Für einen
Investitionsentscheid oder die Bewertung während der Betriebsphase werden andere Methoden angewandt.
Die Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsberechnung folgen den bekannten "Gesetzmäßigkeiten" von
Finanzierung (Darlehen), Verzinsung pro Jahr oder rückwirkend der Barwertung (Bewertung) einer
in der Zukunft zu tätigenden Zahlung auf den momentanen Betrachtungszeitpunkt.
In den hier gewählten Beispielen wird ausschließlich mit dem Nominalzins (kalkulatorischer Zinssatz)
und ohne Inflationsraten gerechnet.
Grundsatz sollte immer der Vergleich von Alternativen sein! Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bzw.
Kostenermittlung für ein Konzept allein besitzt ebenso wenig eine Aussagekraft wie das Konzept
selbst, wenn die jeweilige Lösung nicht mit einer Alternative vergleichen und die Vor- und Nachteile
bewertet werden.
In der Übersichtstabelle Tab. 9.1 sind die hier verwendeten Begriffe, Abkürzungen, Formeln und
Zahlenwerte zusammengestellt.
Projektphasen und die jeweils angewandten kaufmännischen Bewertungs- und
Beschaffungsinstrumente
Planung
Bauentscheid, Bau
Betrieb
Wirtschaftlichkeitsvergleich
Finanzierung
Kostenrechnung
Controlling
Abb. 9.1: Die Anwendung der Wirtschaftlichkeitsberechnung beschränkt sich auf die Planungsphase eines
Projektes
In diesem Script werden nur Wirtschaftlichkeitsberechnungen für die oben genannten Randbedingungen
beschrieben. Für weitere Anwendungen bzw. Methoden wird auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Rev. 1.2
91
Tab. 9.1: Begriffe, Abkürzungen, Formelzeichen und Einheiten, Beträge
Begriff
Abk.
Formel
Einheit
Betrag
Zinsatz
Realzinsatz
%/a
Nominalzinsatz bzw. kalkulatorischer Zinssatz
"Zwischenwert" für Berechnungen
p
%/a
q
q = 1 + 0,01 * p
bi
bi = 1 / q (i-m)
Effektivzinsatz
Abzinsungs- oder Barwertfaktor
%/a
-
Vertragslaufzeit
Laufzeit
n
a
Jahr innerhalb der Laufzeit
i
a
Fälligkeit einer Zahlung
m
vorschüssig (am Jahresanfang)
m
0,0
laufend (monatlich, gemittelt zur Jahresmitte)
m
0,5
nachschüssig (am Jahresende)
m
1,0
Ik
€
Feste Betriebskosten
Kfest
€
Variable Betriebskosten
Kvar
€
Summe Betriebskosten = Gesamtkosten
Gesamtkosten im Jahr i, wenn sich innerhalb der
Laufzeit n die Kosten verändern
KG
KG (i)
€
€
Erlöse, unabhängig bzw. fest innerhalb der Laufzeit
E
€
Erlöse veränderlich innerhalb der Laufzeit
E (i)
€
Investitionskosten
Betriebskosten
Erlöse
Annuitätsmethode
qn * p
Annuitätsfaktor
a
%/a
Kapitaldienst
Kd
Kd = I k * 0,01 * a
Abzinsungs- oder Barwertfaktor
bi
bi = 1 / q
Barwertsummenfaktor
bS
bS =
Barwert im Jahr i
SB (i)
SB (i) = - I K + (E-KG) * 1/q
qn - 1
€/a
Barwertmethode
(i-m)
Σ bi
-
, i=1,n
Barwertsumme bei unveränderlichen Kosten / Erlösen SB
innerhalb der Laufzeit
SB = - I K + [E - KG] * bS
Barwertsumme bei veränderlichen Kosten / Erlösen
innerhalb der Laufzeit
SB = - I K +
SB
-
(i-m)
Σ [E(i) - KG(i) ] * bi
€
€
, i=1,n
€
An dieser Stelle werden zwei Begriffe grundsätzlich noch beschrieben:
Inflation
Zins
Inflation (von lat.: das Sich-Aufblasen; das Aufschwellen) bezeichnet in der Volkswirtschaftslehre eine
allgemeine Erhöhung der Güterpreise, gleichbedeutend mit einer Minderung der Kaufkraft des Geldes.
Rev. 1.2
92
Gemessen wird die Inflation entweder durch Preisänderungen von Gütern bestimmter Warenkörbe oder
durch den BIP-Deflator, der die Preisänderungen aller Güter einer Volkswirtschaft abbildet. Die Inflation ist
Forschungsgegenstand der Volkswirtschaftslehre, speziell der Makroökonomie.
Der Begriff Realzins bezeichnet in der Wirtschaft den Zinssatz, der die Verzinsung bzw. Wertveränderung
eines Vermögenswertes angibt unter Berücksichtigung der Preisveränderungsrate. Es soll also berücksichtigt
werden, dass insbesondere ein Geldvermögen bei allgemein steigendem Preisniveau an Wert oder Kaufkraft
verliert oder auch gegebenenfalls bei allgemein sinkenden Preisen an Wert gewinnt.
Der Realzins wird errechnet durch Abzug einer geeigneten Preisveränderungsrate - des privaten Verbrauchs
oder des Bruttoinlandsprodukts - vom Nominalzins. Der Realzins hat Einfluss auf das Sparverhalten von
Haushalten und das Investitionsverhalten von Unternehmen und ist damit wichtig für das Wachstum einer
Volkswirtschaft. Des Weiteren gibt er Aufschluss über die Finanzierungsbedingungen der Wirtschaft. Problematisch ist die exakte Bestimmung des Realzinses, da die Preisveränderungsrate nur rückwirkend genauer
bestimmt werden kann.
Nominalzins
Die Definition für den Nominalzinssatz lautet: der reale Zins, der im Vertrag zwischen dem Kapitalgeber und
dem Kapitalnehmer vereinbart wird. Der Nominal Zins ist der Zins zum Nennwert, ohne weitere Nebenkosten
und anderer Finanzkosten-Effekte, also der ungekürzte reale Ertrag in Prozent der überlassenen / aufgenommenen Summe.
Das Wort Nominal ist auf das lateinische „nomen“ was Namen oder zu dem Nennwert bedeutet zurückzuführen. Üblicherweise bezieht sich der Zins auf den Zeitraum von einem Jahr, was mit p.a. per anno ausgedrückt wird.
Durch die Einführung dieses Zinsbegriffs ist zunächst eine ortsunabhängige, vergleichbare Maßzahl entstanden, die den Ertrag aus der zeitlichen Überlassung von Geldvermögen (oder auch Sachkapital) beschreibt.
Dies gilt für Geldanlagen, bei denen keine Nebenkosten oder Kosten für die Bearbeitung in Zusammenhang
mit der Kontoführung, oder dem Vertragsabschluss bestehen. Denn der Nominal Zins berücksichtigt solche
Kosten nicht. Daher ermöglicht der Nominal Zinssatz bei Tagesgeldkonten und Festgeldkonten den Vergleich, ist aber dafür bei Krediten weniger geeignet.
Effektivzins
Beim Gegenüberstellen von den Zinskonditionen wird unterschieden zwischen dem Nominalzinssatz und
dem Effektivzinssatz. Dazu folgendes Beispiel:
Wenn beispielsweise ein Kredit über 150.000 € genommen und ein jährlicher Nominalzins von 5 Prozent
vereinbart wird, dann bedeutet dies, dass jeweils am 31. Dezember 7.500 € Zinsen bezahlt werden müssen.
Tatsächlich werden aber diese 7.500 € in 12 monatlichen Raten zu jeweils 625 € bezahlt. Genau genommen
wird also die erste Rate um 11 Monate zu früh, die zweite um 10 Monate zu früh, usw. bezahlt. Weil früher
bezahlt wird als eigentlich notwendig, entsteht dadurch "effektiv" ein geringer Zinsverlust, und genau der wird
durch den höheren Effektivzins berücksichtigt.
Der zweite Teil des Unterschieds erklärt sich aus Darlehensnebenkosten, wie zum Beispiel den Bearbeitungs-gebühren. Da die Darlehensnebenkosten von Bank zu Bank unterschiedlich sein können, erklärt dies
auch, weshalb zwei Anbieter mit gleichem Nominalzins unterschiedliche Effektivzinssätze ausweisen.
Rev. 1.2
93
9.1. Grundlagen
In der Abb. 9.2 ist das (fest) verzinste Anlagenkapital nach einer Laufzeit von "i" Jahren in Abhängigkeit vom
Zinssatz (nominal) dargestellt. Das Anlagekapital ist in diesem Beispiel als ein „positiver“ Betrag dargestellt
weil angenommen wird, dass der Betrag jederzeit wieder abgerufen werden kann.
Anlagenkapital bzw. Projektfinanzierung [€]
Alternativ zu einer hier nicht näher definierten Form der Kapitalanlage kann ein vergleichbarer Betrag z.B. in
ein Projekt investieren. Damit diese Investition vergleichbar mit der Variante "Anlagenkapital" ist, muss sie
denselben Gesetzmäßigkeiten folgen. Das heißt, der investierte Betrag (Ausgabe = negativer Pfeil) muss
sich durch den erzielten Ertrag (Einnahmen abzüglich Ausgaben) ebenso "entwickeln". Das investierte Kapital ist in diesem Beispiel im Gegensatz zu der Bankeinlage als „negativer“ Betrag dargestellt, weil es nicht
wie die Bankeinlage jederzeit wieder abgerufen werden kann.
Verzinsung (Var. 1) bzw. Rekapitalisierung (Var. 2) eines Anlagekapital von 1000 €:
Kapital = Investition
[€]Bank, Var. 2Kapital
= Investition
Var. 1 = Geldanlage1.000
bei der
= Finanzierung
eines Projektes -1.000 [€]
5.000 p=2%/a
p=5%/a
p=10%/a
p=2%/a
p=5%/a
p=10%/a
Jahr
2
5 2% Zins
10
Jahr
2
5
10
Anlkap
0
1.000
1.000
1.000
0
-1.000
-1.000
-1.000
Anlkap 5% Zins
I(i) = I0 * (1+p)i
4.000
1
1.020 Anlkap 10%
1.050
1.100
1
-980
-950
-900
Zins
2
1.040
1.103
1.210
2
-960
-898
-790
Inv 2% Zins
3.000
3
1.061
1.158
1.331
3
-939
-842
-669
Inv 5% Zins
4
1.082
1.216
1.464
4
-918
-784
-536
Inv 10%1.276
Zins
5
1.104
1.611
5
-896
-724
-389
2.000
6
1.126
1.340
1.772
6
-874
-660
-228
7
1.149
1.407
1.949
7
-851
-593
-51
1.000
8
1.172
1.477
2.144
8
-828
-523
144
9
1.195
1.551
2.358
9
-805
-449
358
10
1.219
1.629
2.594
10
-781
-371
594
0
11 0
1.243 2
1.710 4
2.8536
11
-757
-290
8
10
12
14853
12
1.268
1.796
3.138
12
-732
-204
1.138
-1.000
13
1.294
1.886
3.452
13
-706
-114
1.452
14
1.319
1.980
3.797
14
-681
-20 Laufzeit1.797
i [a]
15
1.346
2.079
4.177
15
-654
79
2.177
Abb. 9.2: Vergleich der Alternativen von Geldanlage (Bank) und eigener Investition in ein Projekt
Zum besseren Verständnisses dieses Vergleichs dienen folgende Berechnungen:

Fall A: Kapitaleinlage bei einer Bank von 100.000 € für 10 Jahre zu einem Festzins von 5 %/a

Fall B: Aufnahme eines Darlehens von 100.000 € bei einer Bank zur Finanzierung eines Projektes.
Die Konditionen sind Darlehenszinsen von 5 %/a, einer Laufzeit n von 10 Jahren und der sich daraus
ergebenden Tilgungsrate von 12,95 %/a.
Die jeweiligen jährlichen Zahlungsflüsse und Kapitalbeträge / Restschulden gehen aus den folgenden Tabellen hervor:
Rev. 1.2
94
Fall A
Vorgaben
Einheit Betrag
Investition €
Zinssatz %/a
Laufzeit
a
100.000
5
10
Jahr
0
Haben
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
100.000 100.000 105.000 110.250 115.763 121.551 127.628 134.010 140.710 147.746 155.133
Zinsen
5.000
5.250
5.513
5.788
6.078
6.381
6.700
7.036
7.387
7.757
"Ertrag"
55.133
Fall B
Vorgaben
Einheit Betrag
Darlehen
Zinssatz
Laufzeit
Tilgungsrate
€
%/a
a
%
-100.000
5
10
12,9505
Jahr
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Soll
-100.000
-92.050
-83.701
-74.936
-65.732
-56.068
-45.921
-35.267
-24.080
-12.333
1
Zinsen
5.000
4.602
4.185
3.747
3.287
2.803
2.296
1.763
1.204
617
Tilgung
12.951
12.951
12.951
12.951
12.951
12.951
12.951
12.951
12.951
12.951
"Zins+Tilgung"
159.009
"Aufwand"
59.009
Haben bzw. Soll in €
Die Datenreihen in das Diagramm in Abb. 9.3 eingetragen ergeben dann eine der Abb. 9.2 vergleichbare
Darstellung:
0
1eines Guthabens
2
3
4
5eines Darlehens
6
7 jeweils
8 für
9
Verzinsung
und Tilgung
100.000 100.000 105.000 110.250
115.763 121.551
127.628 134.010 140.710 147.746
einen Zinssatz
von 5 %/a
-100.000 -92.050 -83.701 -74.936 -65.732 -56.068 -45.921 -35.267 -24.080 -12.333
200.000
10
155.133
1
Guthaben
Darlehen
150.000
100.000
50.000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-50.000
-100.000
-150.000
Jahr i [a]
Abb. 9.3: Graphische Darstellung der Verzinsung eines Guthabens und Tilgung eines Darlehens
Rev. 1.2
95
In den beiden Kurven der Abb. 9.3 wurde angenommen, dass die Verzinsung des Guthabens nach dem ersten Jahr (nachschüssig) und die Fälligkeit der Zinsen für das Darlehen am Anfang des Jahres (vorschüssig)
geleistet werden. In der Wirtschaftlichkeitsberechnung werden diese Einflüsse mit dem m-Faktor berücksichtigt:
Fälligkeit einer Zahlung:
m = 0,0 vorschüssig
m = 0,5 laufend
m = 1,0 nachschüssig
Nur die Barwertmethode berücksichtigt die Fälligkeit einer Zahlung, die dynamische Annuitätsmethode nicht!
Zentraler Begriff bei der Barwertmethode ist der „Abzinsungsfaktor“ Das Diagramm Abb. 9.4. zeigt den Abzinsungsfaktor bi als Funktion der Laufzeit bzw. der Jahre i. Der Abzinsungsfaktor ist der "Wertigkeitsverlust"
einer Zahlung abhängig vom Zeitpunkt der Zahlung. Je später eine Zahlung erfolgt, desto weniger wert ist
sie, da alternativ dieser Betrag Zinsen erbracht hätte.
In der Barwertberechnung werden die innerhalb der Laufzeit fälligen Jahreskosten "gebarwertet", also entsprechend dem Zeitpunkt ihrer Fälligkeit abgezinst.
i
bi
0
1,00
1
0,95
2
0,91
3
0,86
4
0,82
5
0,78
6
0,75
7
0,71
8
0,68
9
0,64
10
0,61
11
0,58
12
0,56
13
0,53
14 15
0,51 0,48
Abzinsungs- oder Barwertfaktor bi (bi = 1 / q i-m mit q = 1 + p/100 und p = 5 %/a, m=0)
Abzinsungsfaktor bi
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0
2
4
6
8
10
12
14
Laufzeit, Jahr i
Abb. 9.4: Abzinsungsfaktor in Abhängigkeit von der Laufzeit für einen Zinssatz von 5 %/a
Der Abzinsungs- oder Barwertfaktor nimmt für jedes Jahr i innerhalb des Betrachtungszeitraums einen bestimmten Wert an. In demselben Jahr fallen Kosten / Erträge an. Multipliziert man den Abzinsungs- oder
Barwertfaktor für das Jahr i mit den Kosten / Erträgen des Jahres i, so erhält man die auf das „Jahr 0“ bezogenen bzw. gebarwerteten Kosten / Erträgen. Führt man diese Betrachtungsweise bzw. Rechengang für
jedes Jahr innerhalb des Betrachtungszeitraums durch und summiert die einzelnen Beträge auf, so ergibt
sich daraus die Barwertsumme SB.
Verändern sich während der Laufzeit die Kosten / Erträge nicht, so erhält man die Barwertsumme durch
Multiplikation der Kosten / Erträge mit dem Barwertsummenfaktor bS, also der aufsummierten Abzinsungs-/
Rev. 1.2
96
Barwertfaktoren für die Jahre i, i Є 0,n. In der Abbildung Abb. 9.5. ist der Barwertsummenfaktor für verschiedene Zinssätze dargestellt.
Barwertsummenfaktor bs als Funktion von der Laufzeit n und dem Zinssatz p
Zinssatz p [%/a]
17,0
16,0
p=5
15,0
p=6
14,0
p=7
p=8
13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
Laufzeit n
30
[a]
Abb. 9.5: Barwertsummenfaktor für verschiedene Zinssätze
Die Wirtschaftlichkeitsberechnungen unterscheiden sich hauptsächlich in der Berücksichtigung der Einflussfaktoren Zins und Tilgung auf zeitlich veränderte Zahlungen:
A) Statische Wirtschaftlichkeitsberechnung
- Statische Annuitätsmethode
B) Dynamische Wirtschaftlichkeitsberechnung
- B1) Dynamische Annuitätsmethode
- B2) Kapital- oder Barwertmethode
- B3) Methode des Internen Zinsfußes
A) Statische Annuitätsmethode
Bei der statischen Annuitätsmethode werden die Investitionskosten IK [€] durch die pro Jahr eingesparten
Betriebskosten dBi = E – KG [€/a] dividiert. Das Ergebnis ist die "statische" Laufzeit (ohne Verzinsung), nach
der sich die Investition durch die eingesparten Betriebskosten erwirtschaftet hat.
B1 ) Dynamische Annuitätsmethode
Die dynamische Annuitätsmethode ermittelt die durchschnittlichen Jahreskosten innerhalb der Laufzeit n, die
sich für die Nutzungsdauer unter Berücksichtigung des Kalkulationszinssatzes ergeben.
Durch Multiplikation der Investition mit dem Annuitätsfaktor erhält man die mittleren Jahreskosten für Zins
und Tilgung des eingesetzten Kapitals. Diese Größe bzw. der so berechnete Betrag wird als Kapitaldienst
Kd bezeichnet. Die Kosten für Ausgaben und Einnahmen sind während der Laufzeit konstant.
B2) Kapital- oder Barwertmethode
Bei der Barwertmethode werden die Ausgaben/Einnahmen mit dem Kalkulationszinssatz auf den Gegenwartswert umgerechnet. Der Barwert der Gesamtkosten ist gleich der Summe der Einzelbarwerte. Sind die
Rev. 1.2
97
Ausgaben/Einnahmen konstant während des Betrachtungszeitraumes, so ergibt sich der Barwert der Gesamtkosten durch Multiplikation der Ausgaben/ Einnahmen eines Jahres mit dem Barwertsummenfaktor.
Andernfalls müssen die im Jahr i fälligen Ausgaben/ Einnahmen mit dem Barwertfaktor bi multipliziert und
über die Laufzeit n aufsummiert werden.
B3) Methode des internen Zinsfußes
Die Methode des internen Zinsfußes macht sich zunutze, dass der Kapitalwert Null wird, wenn sich das im
Projekt investierte Kapital mit dem kalkulatorischen Zinsfuß verzinst. Der interne Zinsfuß ist der Kalkulationszins, bei dem der Barwert der Ausgaben gleich dem Barwert der Einnahmen wird. Der interne Zinsfuß gibt
die Verzinsung des Kapitals an.
9.2. Dynamische Annuitätsmethode
Bei der Annuitätsmethode werden die pro Jahr fälligen Zinsen und der zur Tilgung des Darlehens notwendige Betrag in dem Annuitätsfaktor a zusammengefasst.
Annuität
a
[%/a]
a=
mit q=1+p/100
Der Annuitätsfaktor ist eine konstante Größe. Die Kosten für Zins und Tilgung aus dem Darlehen berechnen
sich aus der Multiplikation der Investitionssumme IK mit dem Annuitätsfaktor a und werden als Kapitaldienst
bezeichnet:
Kapitaldienst:
KD = IK * 0,01 * a
Die gesamten Kosten für eine kalkulatorische Projektfinanzierung berechnen sich dann aus dem Kapitaldienst zuzüglich der festen Betriebskosten Kfest und den variablen Betriebskosten Kvar.
Ein Beispiel ist erst im folgenden Kapitel 9.3 aufgeführt, um die dynamische Annuitätsmethode dann direkt
mit der Barwertmethode vergleichen zu können.
9.3. Barwertmethode
Im Gegensatz zur dynamischen Annuitätsmethode kann die Barwertmethode über die Laufzeit veränderliche
Kosten / Erlöse berücksichtigen. Das Berechnungsprinzip beruht auf der „Barwertung“ von Kosten / Erlösen,
also durch Multiplikation und Summenbildung der Kosten / Erlöse für ein bestimmtes Jahr i innerhalb der
Laufzeit n mit dem Abzinsungs- bzw- Barwertfaktor (siehe Kap. 9.1).
Für die dynamische Annuitätsmethode und die Barwertmethode wurde ein Beispiel ausgewählt, anhand dessen beide Verfahren transparent und nachvollziehbar sind.
Beispiel mit zwei Varianten zur Wärmeversorgung eines Objektes:

Var. 1: Heizzentrale mit Kessel und Solaranlage

Var. 2: Heizzentral mit Kessel und Blockheizkraftwerk (BHKW)
Rev. 1.2
98
Für beide Varianten fallen unterschiedliche Kosten an (s. Tab. 9.2); die Erlöse (s. Tab. 9.2) sind gleich hoch,
da in beiden Fällen derselbe Betrag an Wärme abgenommen bzw. verkauft wird. Es wird angenommen, dass
die Kosten und Erlöse sich innerhalb der Laufzeit von 15 Jahren nicht verändern.
Bei der Dynamischen Annuitätsmethode berechnet sich der Kapitaldienst aus den Investitionskosten (s.
Tab. 9.2), damit liegen alle Daten dieser Berechnungsmethode vor: Das Ergebnis wird in der Regel als Balkendiagramm dargestellt -> siehe Abb. 9.5. Einzige Beurteilungsgröße sind die Jahreskosten; die Variante
mit den geringsten Jahreskosten ist die wirtschaftlichste Lösung.
Annuitätsmethode Barwertmethode
Wirtschaftlichkeitsvergleich nach der dynamischen
Annuitäts- und der Barwertmethode
Titel
Abk.
Investitionskosten
- Grundausstattung
- Kessel
- Solaranlage
- BHKW
IK
Zinssatz (nominal)
"
Laufzeit
Jahr innerhalb der Laufzeit
p
q
n
i
Annuität
a
Kapitaldienst
Kd
- Wartung
- Instandhaltung
- Personal
- Betriebsführung
Formel
Var. 1
Var. 1
Var. 2
Einheit Betrag
€
€
€
€
€
q = 1+p/100
Var.2
110.000 137.500
75.000
75.000
15.000
15.000
20.000
47.500
%/a
a
a
5,00
1,05
15
%/a
9,63
110.000 137.500
75.000
75.000
15.000
15.000
20.000
47.500
€/a
10.598
13.247
Kf est
€/a
€/a
€/a
€/a
€/a
2.950
500
750
900
800
6.100
3.250
1.150
900
800
2.950
500
750
900
800
6.100
3.250
1.150
900
800
Variable Betriebskosten Kv ar
€/a
17.500
9.500
17.500
9.500
17.500
8.500
17.500
8.500
Kd = 0,01*a*IK
- Erdgas für Kessel
KB,K
€/a
- Erdgas für BHKW
- Minderung Stromkosten
KB,BHKW
€/a
10.500
10.500
dKs
€/a
-9.500
-9.500
Gesamtkosten
KG = Kd+Kf est +Kv ar
€/a
31.048
28.847
20.450
15.600
Erlöse, Wärmeabgabe
E
€/a
33.725
33.725
33.725
33.725
Tab. 9.2: Kosten und Erlöse für zwei Varianten der Wärmeversorgung mit einer Heizzentrale
In der Tab. 9.3 sind die Barwerte bzw. auf den Zeitpunkt „Jahr 0“ abgezinsten Jahreskoste angegeben. Die
graphische Darstellung geht aus der Abb. 9.6 hervor.
Rev. 1.2
99
Annuitätsmethode Barwertmethode
Var. 1
Var.2
Var. 1
Var. 2
Titel
Abk.
Formel
Einheit Betrag
Zahlungsflüsse innerhalb der Laufzeit
Barwertsumme SB
€
1/qn
1,00
-110.000 -137.500
€/a
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
0,95
0,91
0,86
0,82
0,78
0,75
0,71
0,68
0,64
0,61
0,58
0,56
0,53
0,51
0,48
-97.357 -120.238
-85.316 -103.798
-73.849 -88.141
-62.928 -73.230
-52.526 -59.028
-42.620 -45.503
-33.186 -32.622
-24.201 -20.354
-15.644
-8.671
-7.494
2.456
268
13.054
7.660
23.146
14.700
32.759
21.404
41.913
27.790
50.631
Jahr i
0
- IK
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
SB(i) SB (i) = - IK +(E-KG)*1/q
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
Tab. 9.3: Barwertmethode: Barwerte für zwei Varianten der Wärmeversorgung mit einer Heizzentrale
Wirtschaftlichkeitsvergleich: Dynamische
Annuitätsmethode
Var. 1
Var. 2
Var. 1
40.000
####
####
####
35.000
0
0
0
####
13.247
6.100
9.500
0
0
0
33.725
30.000
25.000
Erlöse
Variable Betriebskosten
20.000
15.000
Kapitaldient
10.000
5.000
0
1
Var. 1 2
3
4
Var. 2 5
Abb. 9.5: Dynamische Annuitätsmethode: Jahreskosten für die Varianten Var.1 und Var.2
Rev. 1.2
100
Zur Beurteilung der Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsberechnung nach der Barwertmethode müssen die
Barwertkurven in ein Diagramm eingetragen werden. Nur so sind die Ergebnisse interpretierbar (s. Diagramm Abb. 9.6).
In Abb. 9.6 sind die Barwertkurven der Varianten Var.1 und Var.2 dargestellt. Daraus lassen sich folgende
Ergebnisse ableiten:
1. Die Variante 1 amortisiert sich nach etwa 11 Jahren
2. Die Variante 2
„
„
„
„
10
„
3. Die Variante 2 stellt sich im Vergleich zur Variante 1 nach etwa 7 Jahren als die wirtschaftlichere dar.
Mit dem Begriff „amortisiert“ wird hier der Schnittpunkt vom Übergang aus der Rekapitalisierungsphase ind
die Ertragsphase bezeichnet. Innerhalb der Rekapitalisierungsphase dienen die Ertragsüberschüsse zur
Refinanzierung des eingesetzten Kapitals. Wenn diese Bilanz ausgeglichen ist und die „Schulden“ abbezahlt
sind, beginnt die Phase, ab der dann Erträge erwirtschaftet werden.
Amortisationszeit Var. 1
Barwertsumme
30.000
10.000
-10.000 0
Amortisationszeit Var. 2
Amortisationszeit Var. 2 zu Var.1
2
4
6
8
10
12
14
Jahr i
-30.000
-50.000
-70.000
-90.000
Var. 1: Kessel + Solaranlage
Var. 2: Kessel + BHKW
Rekapitalisierungsphase
50.000
Ertragsphase
Wirtschaftlichkeitsvergleich: Barwertmethode
-110.000
-130.000
-150.000
Abb. 9.6: Barwertmethode: Barwertkurven für die Varianten Var.1 und Var.2
Rev. 1.2
101
9.4. Interner Zinsfuß
Wird noch ausgearbeitet
Rev. 1.2
102
10. Berechnungsbeispiel Nahwärmeversorgung
1.) Aufgabe: Vergleich eines Konzeptes mit dezentraler gegenüber einem Konzept
mit zentraler Wärmeversorgung.
Vorgabe:
Versorgung von 45 Reihenhäusern mit Wärme für Raumheizung und Trinkwarmwasser
Dezentrale Wärmeversorgung (Gas-Einzelheizung)
Variante 0:
Brennwertkessel mit TWW-Speicher (innenligender Wärmetauscher)
Zentrale Wärmeversorgung (Nahwäreversorgung)
Variante 1:
Heizzentrale mit Gas-NT-Kessel + Nahwärmenetz + 45 Hausübergabestationen
Variante 2:
Heizzentrale mit Pelletkessel+ Nahwärmenetz + 45 Hausübergabestationen
Variante 3:
Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel + Nahwärmenetz + 45 Hausübergabestationen
Variante 4:
Heizzentrale mit Gas-NT-Kessel + BHKW * Nahwärmenetz + 45 Hausübergabestationen
Aufgabe: Weitere Vorgaben
Ausführung des Nahwärmenetzes mit
Kunstoffleitungen (PEX, siehe Arbeitsblatt 9).
Verwendung von getrennten Rohrleitungen (kei n DUO Rohr).
Betrieb des Nahwärmenetzes mit
Vor-/Rücklauftemperaturen von 70/40
C.
Ausführung der Hausübergabestationen mit Netztrennung (Wärmetauscher) und TWW Erwärmung mit innenliegendem Wärmetauscher.
Unterschiedliche Gaspreise für dezentrale und zentrale Wärmeversorgung (bei der dezentralen
Wärmesorgung sind in den Gaspreis die Kosten für Investition und UNterhalt des Gasnetzes mit
eingerechnet).
Die angegebenen Investitionskosten resultieren aus abgerechneten Projekten, sind aber nicht abgegrenzt auf die hier verwendete Aufteilung in Einzelkomponenten.
Die Grundlagen für die Berechnung des Nahwärmenetzes (Dimensionierung, Druck- und Wärmeverluste)sind in Arbeitsblatt 9 zusammengestellt.
Rev. 1.2
103
Hinweis:
Als erster Schritt bei der Dimensionierung eines Nah-/Fernwärmenetzes muss der "ca." Durchmesser der
Rohrleitungen festgelegt werden. Dazu dient das Diagramm 1. Anhängig von der geplanten Fahrweise
bzw. der Temperaturdifferenz zwischen Vor- u nd Rücklauf und der zu übertragenden Wärmeleistung
kann hier der Rohr(Innen-)durchemsser festgelegt weden.
Mit Hilfe von Diagramm 2 wird der für den Druckverlust maßgebende Volumenstrom bestimmt.
a
b
c
Heizwärme:
Wärme für TWW:
Gesamt, dez. Wärmeversorgung
Anzahl Wohneinheiten (WE)
Mittlere beheizte Wohnfläche
spezifischer Jahreswärmeverbrauch
Qwb,h (Ist)
Mittlerer Wärmeverbrauch pro WE
QWB,TWW
QWB
Netzverluste (siehe Arbeitsblatt 12.2)
Gesamt, zentrale Wärmeversorgung
Hauptleitungen
a
125 [m]
Verteilleitungen
b
440 [m]
Hausanschlussleitungen
(HA=Hausanschluss)
c
360 [m]
Rev. 1.2
45 [WE]
100 [m²/WE]
60 [kWh/m² a]
270.000 [kWh/a]
5.250 [kWh/a]
236.250 [kWh/a]
506.250 [kWh/a]
101.607 [kWh/a]
607.857 [kWh/a]
(8m pro HA)
104
QWB (t) [kWh / h]
Geordnete Jahresdauerlinie für Konzepte zentrale Wärmeversorgung (Var. 1-4)
250,0
200,0
150,0
100,0
BHKW Modul 2
50,0
BHKW Modul 1
0,0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Jahresstunden t [a]
Jahreswärmebedarf lt. Abb.Q
Xwb=qwB*QWB,max
mittlere Wärmeleistung übers Jahr
2430 [h/a] x
250 [kW] =
607.500 [kWh/a]
69 [kW]
Wärmeerzeugung
BHKW, Modul 1
Leistung, thermisch (Qth)
0,2 [-] x 250
=
Jahresarbeit:QWB = qWB * QWB,max
1400 [h/a] x 250 [kW] =
Einsatz des Moduls in Volllastbenutzungsstunden
50 [kWth]
350.000 [kWh/a]
7.000 [h/a]
BHKW, Modul 2
Leistung, thermisch (Qth)
0,2 [-] x 250
=
Jahresarbeit:QWB = qWB * QWB,max 2100 - 1400 [h/a] x 250 [kW] =
Einsatz des Moduls in Volllastbenutzungsstunden
50 [kWth]
175.000 [kWh/a]
3.500 [h/a]
Spitzenlasteinheit (Kessel)
Wassermenge
Q=V*ro*dt
82.500 [kWh/a]
30 1,163
Eigenstromerzeugung mit BHKW
BHKW, Modul 1,2
Wirkungsgrad, thermisch ƞth
"
, elektrisch
ƞel
"
, gesamt
ƞG
BHKW, Modul 1,2
Leistung, elektrisch (P el ) Pel = Qth* ƞel/ƞth
Rev. 1.2
17412 [m³/a]
1,99 [m³/h]
54,00 [%]
33,00 [%]
87,00 [%]
30,6 [kW]
105
Jahreswärmebedarf qWB in Abhängigkeit von der Benutzungsdauer
qWB [h/a]
2500
2000
1500
1000
500
0
0
0,1
0,2
BHKW
Modul 1
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
BHKW
Modul 2
0,8
0,9
1
QWB (t) [kWh / h]
Geordnete Jahresdauerlinie; Konzept zentrale Wärmeversorgung
250,0
200,0
150,0
Spitzen
-last
100,0
Mittellast
50,0
Grundlast
0,0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Jahresstunden t [a]
Spitzenlast
Mittellast
Grundlast
Summe
Rev. 1.2
ti
Q 'WB,i
[h/a]
[kWh/h]
1000 171,250
3000 94,825
4760 34,000
QWB
[kWh/a]
171.250
284.475
161.840
617.565
dT
V
[K] [m³/h]
30 4,91
30 2,72
30 0,97
106
Energiebilanz
1.) Wärmebedarf
Heizwärme
TWW-Wärmebedarf
Netzverluste
Summe
Einheit
16,72 %
3.) Brennstoffeinsatz Grundlast
BHKW, Erdgas (Mod1+2)
56,0 ƞth[%]
Hackschnitzelkessel
81,0 ƞk[%]
Spitzenlast
Erdgaskessel
92,0 ƞk[%]
Grund-+Spitzenlast
Brennwertkessel, Heizung 98,0 ƞk[%]
Brennwertkessel, TWW
94,0 ƞk[%]
Erdgaskessel
92,0 ƞk[%]
Pelletkessel
86,0 ƞk[%]
4.) Strombedarf
Netzpumpen
[kW]
Heizzentrale, Kesselpumpe, geschätzt
6.) Summen Brennstoffeinsatz
Erdgas
Pellet
270.000
236.250
zentrale Wärmeversorgung
Var. 1 Var. 2 Var. 3
Var. 4
270.000
236.250
101.607
607.857
270.000
236.250
101.607
607.857
270.000
236.250
101.607
607.857
kWh
kWh
kWh
525.000
kWh
82.857
kWh
kWh
kWh
kWh
4,8 MWh/t
270.000
236.250
101.607
607.857
350.000
175.000
82.857
270.000
236.250
607.857
607.857
kWh
kWh
648.148
kWh
90.062
90.062
1.631
1.800
2.115
1.800
kWh
kWh
kWh
kWh
937.500
275.510
251.330
660.714
706.811
kWh
kWh
1.631
1.800
1.631
1.800
32,0 ƞel [%]
32,0 ƞel [%]
Hackschnitzel
1,4 MWh/Sm
(Einheit: Sm=Schüttkubikmeter)
Rev. 1.2
kWh
kWh
kWh
dez.
Wärme-
506.250
2.) Wärmeerzeugung Grundlast
BHKW, Modul1
50 kW
BHKW, Modul2
50 kW
Hackschnitzelkessel
100 kW
Spitzenlast
Erdgaskessel
kW
Grund-+Spitzenlast
Brennwertkessel, Heizung
kW
Brennwertkessel, TWW
Erdgaskessel
kW
Pelletkessel
kW
5.) Eigenstromerzeugung
BHKW, Modul1
BHKW, Modul2
Summe
Einheit
112.000
56.000
168.000
kWh
kWh
t
kWh
Sm3
526.840
660.714
90.062 1.027.562
706.811
147
648.148
463
107
aktivieren der
Inves-titio n
durch
ankreuzen.
Einheitspreis (EP),
netto
[€]
Gewerk, Komponente,
Menge
Dimension,
Einheit
X X X X X
X
Brennwertkessel
TWW-Speicher
Installation
Schornstein
Gasanschluss
45
45
45
45
45
2200
1500
3500
1800
800
Zentrale Wärme-, Krafterzeugung
Var.1
Var.2
Var.3
Var.4
X
X
X
X
441.000
A) Dezentrale Wärm eerzeugung (incl. Lieferung und Montage)
x
x
x
x
x
Dezentrale
Wärmeerzeugung
18
200
80
25
kW
l
DN
DN
99.000
67.500
157.500
81.000
36.000
B) Zentrale Wärm eerzeugung
279.000 279.000 279.000 279.000
B1) Zentrale Wärm eerzeugung, Hausübergabestation
x x x x Hausübergabstation
x x x x TWW-Speicher
x x x x Installation
45
45
45
2200
1500
2500
99.000 99.000 99.000 99.000
67.500 67.500 67.500 67.500
112.500 112.500 112.500 112.500
197.325 197.325 197.325 197.325
B2) Zentrale Wärm eerzeugung, Nahw ärm enetz
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Tiefbau, Trassenmeter
Rohrleitungen
Rohrleitungen
Rohrleitungen
Hausabsperrungen
Hausanschlüsse
Inbetriebnahme, Doku.
925
250
880
720
45
45
1
110
65
50
40
120
25
5000 -
m,DN
50 m,DN
32 m,DN
25 m,DN
St
St
-
101.750 101.750 101.750 101.750
16.250 16.250 16.250 16.250
44.000 44.000 44.000 44.000
28.800 28.800 28.800 28.800
5.400
5.400
5.400
5.400
1.125
1.125
1.125
1.125
5.000
7.500 10.000
7.000
86.850 132.630 156.020 180.350
B3) Zentrale Wärm eerzeugung, Heizzentrale
Wärm e-/Strom erzeugung incl. Feuerung u. IB
x
x Gaskessel,NT
1
1
1
2
25.000
65.000
52.000
42.000
250
250
100
31
kW
kW
kW
kWel
25.000
Pelletkessel
1
1
1
1
1
1
3.200
2.100
5.200
1.800
1.600
2.500
250
DN
St.
DN
m2
St.
St.
3.200
2.100
5.200
1.800
1.600
2.500
3.520
2.520
6.240
1.980
1.760
2.500
3.840
3.150
7.800
2.160
1.920
3.200
2.100
7.800
2.700
1.600
3.750
1
1
1
1
1
6500
7200
6000
5800
600
6.500
7.200
6.000
5.800
600
6.500
8.640
7.200
6.500
10.800
7.200
6.500
7.200
7.200
720
900
900
1
1
2400
3600
2.400
3.600
2.880
3.600
3.600
3.600
2.400
3.600
1
1
1
5600
1500
750
5.600
1.500
750
6.720
1.500
750
8.400
1.500
900
8.400
1.500
1.500
1
5500
5.500
6.600
8.250
11.000
1
4000
8500
x
x
Hackschnitzel-Kessel
25.000
52.000
84.000
x BHKW "komplett"
EP nur für Var.1, Anpassungsfaktoren für Var.2-4 in Spalten G-H-I)
x x x x Abgaskanäle
x x x x Abgasschalldämpfer
x x x x Schornstein
15 m
x x x x Zu- / Abluftkanäle
x x x x Zu- / Abluftschalldämpfer
x x x x Verteiler
250
25.000
65.000
Behälter, Rohrltg., Arm aturen
x x x x Wärmespeicher
x x x x Rohrltg.-Bau incl. Isol.
x x x x Armaturen
x x x x Pumpen
x x x x Inbetriebnahme
6000 l
Druckhaltung
x x x x Druckh. Kessel
x x x x Druckh. Heizw assersp.+Netz
Mess-, Steuer-, Regeltechnik
x x x x überg. Steuerung
x x x x Datenfernübertragung
x x x x Wärmezähler
Elektrotechnik
x x x x Elektroinstallation
Brennstoffbevorratung
x
Pelletlagerung+Fördertechnik
x
Hackschnitzelbunker+Fördertechnik
1
4.000
8.500
84.476 91.343 94.852 98.501
B4) Bautechnik, Planung, Unvorhergesehenes
x x x x Bautechnik
x x x x Planung
x x x x Stundenlohnarbeiten
x x x x
Unvorhergesehenes
1
1
1
Investitionskosten, gesamt
Rev. 1.2
10 %
56.318
60.896
63.235
65.668
5 %
28.159
30.448
31.617
32.834
441.000
647.651 700.298 727.197 755.176
108
Energiebilanz
1.) Kapitaldienst
Laufzeit
Zinssatz
Annuität
Einheit
q=
[a]
[%/a]
[%/a]
1,07
Investitionskosten
Kapitaldienst
2.) Variable Betriebskosten
Erdgas, Menge
Preis/Kosten (Hi)
Preis/Kosten
Pellet, Menge
Preis/Kosten
Hackschnitzel, Menge
Preis/Kosten
Einheit
7,00 Ct/kWh
5,00 Ct/kWh
190,0
32,0
€/t
€/m3
647.651 700.298 727.197
755.176
71.109
[kWh/a]
[€/a]
[€/a]
[t/a]
[€/a]
[m3/a]
[€/a]
526.840
40.567
660.714
[€/a]
3.) Feste Betriebskosten
Miete, Pacht
Bauunterhaltung
Instandhaltung Techn. Anlage lt VDI 2067
Instandhaltung Techn. Anlage lt Angebot
Wartung (ohne BHKW)
200 x
45
[€/a]
[€/a]
[€/a]
[€/a]
[€/a]
Versicherug, TÜV
Bedienung, Überwachung, Reinigung
Stördienst
Verwaltung
[€/a]
[€/a]
[€/a]
[€/a]
BHKW, Vollwartung
[€/a]
Rev. 1.2
15
7,00
10,98
48.419
[kWh/a]
[€/a]
Summe feste Betriebskosten
15
7,00
10,98
[€/a]
Stromverbrauch
Preis/Kosten
1,54 3,00 Ct/kWhel
falsch richtig
15
7,00
10,98
441.000
[kWh/a]
[kWh/a]
[kWh/a]
[€/a]
Summe variable Betriebskosten
15
7,00
10,98
zentrale Wärmeversorgung
Var. 1 Var. 2
Var. 3
Var. 4
[€]
Erlöse, Eigenstromerzeugung
Eigenbedarf
Netzeinspeisung
Preis/Kosten
-5,11 Ct/kWh
20,00 Ct/kWh
dez.
Wärme-
15
7,00
10,98
76.889
79.842
82.914
90.062 1.027.562
36.339
4.953
56.516
147
27.978
463
14.815
168.000
1957
166.043
-8.485
40.567
8.820
3431
686
3431
686
3431
686
1957
391
37.026
28.664
20.454
48.423
400
400
400
400
1.800
2.500
3.800
1.800
1.200
120
350
500
350
1.800
180
650
900
650
2.400
250
1.400
1.200
850
1.200
250
350
500
500
9.000
5.040
17.820
4.720
7.080
10.300
10.040
109
4.) Wärmegestehungskosten
Wärmeverbrauch
Jahreskosten
Wärmegestehungskosten
Erlös aus Wärmeversorgung
15 %
[kWh/a] 506.250
[€/a]
106.806
[Ct/kWh]
21,10
[Ct/kWh]
506.250 506.250 506.250
112.854 112.633 110.597
22,29
22,25
21,85
24,26
24,26
24,26
506.250
141.377
27,93
24,26
Annuitätsmethode: Jahreskosten (ohne Erlöse)
160.000
Jahreskosten [€/a]
140.000
120.000
100.000
80.000
60.000
40.000
20.000
0
Var 0
Var. 1
Var. 2
Var. 3
Var. 4
4.720
7.080
10.300
10.040
37.026
28.664
20.454
48.423
76.889
79.842
82.914
Feste BK
17.820
Variable BK
40.567
Kap.-Dienst
48.419
71.109
Rev. 1.2
110
Rev. 1.2
111
11. Anlagencontracting
Rev. 1.2
112
12. Referenzen
/1/
………..
/2/
……….
/3/
……….
/4/
……
Rev. 1.2
113

FHTE Vorlesung Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung

Transcription

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