Die Modernisierung von Heizung und Trinkwassererwärmung

Die Modernisierung
von Heizung und Trinkwassererwärmung ein Beitrag zum Energiesparen
und zum Umweltschutz
Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli
Fachhochschule Esslingen (FHTE), Hochschule für Technik
Fachbereich Versorgungstechnik und Umwelttechnik
Informationsschrift der Stadtwerke Esslingen
Stadtwerke Esslingen GmbH & Co. KG, Fleischmannstraße 50, 73728 Esslingen
Inhalt
1.
Der Energieverbrauch für Heizen und Trinkwassererwärmung
3
1.1
Endenergieverbrauch
3
1.2
Wärmebedarf und Altersstruktur von Wohngebäuden
4
1.3
Für den Energieverbrauch mitentscheidend: Der Kesseltyp
7
2.
Kennwerte von Heizungsanlagen
9
2.1
Kesselwirkungsgrad
9
2.2
Jahres-Nutzungsgrad
10
2.3
Jahres-Heizarbeit
11
2.4
Kesselauslastung
11
2.5
Norm-Nutzungsgrad
11
3.
Merkmale älterer Heizkessel; Vorteile moderner Anlagen
13
3.1
Welche technischen Kennzeichen haben ältere Heizkessel?
13
3.2
Jahres-Nutzungsgrade älterer Heizkessel
13
3.3
Auslastung älterer Heizkessel
14
3.4
Alte Heizkessel in modernisierten Häusern
14
3.5
Niedertemperatur-Heizkessel
14
3.6
Brennwertkessel
15
3.6.1 Technische Merkmale
15
3.6.2 Heizwert- und Brennwertbezug
16
3.6.3 Energieträger für die Brennwertnutzung
16
4.
Der Nutzen der Heizungsmodernisierung: Zwei Beispiele
16
5.
Entscheidungshilfen für Zeitpunkt und Reihenfolge der Modernisierung
21
6.
Quellenverzeichnis
22
2
1.
Der Energieverbrauch für Heizen und Trinkwassererwärmung
1.1
Endenergieverbrauch
Am Endenergieverbrauch in Deutschland hatte der Bereich der Haushalte im Jahr 2003
einen Anteil von 30,1 %; der als Gewerbe, Handel und Dienstleistungen bezeichnete Bereich
kam auf einen Anteil von 16,6 % [1], [2]. Beide Bereiche benötigten also zusammengenommen fast die Hälfte des Endenergieverbrauchs.
Beim Energieverbrauch weisen Haushalte sowie Gewerbe, Handel und Dienstleistungen
ähnliche Merkmale auf: Der überwiegende Teil der benötigten Endenergie wird fürs Heizen
und für die Trinkwassererwärmung eingesetzt. Bei den Haushalten sind dies zusammengenommen rund 90 %; der Rest entfällt auf die Bereitstellung von mechanischer Energie, von
Licht sowie von Information und Kommunikation [1], [2]. Der Endenergieverbrauch für den
Betrieb von Hausgeräten und für Licht hat also eine wesentlich geringere Bedeutung als
häufig angenommen. Die genannten Zahlen verdeutlichen: Die Bereitstellung von Wärme
fürs Heizen und für die Trinkwassererwärmung hat eine hohe energiewirtschaftliche
Bedeutung (Bild 1).
Bild 1: Endenergieverbrauch im Jahr 2003 in Deutschland: Aufteilung auf die vier Bereiche Industrie,
Haushalte, GHD (Gewerbe, Handel, Dienstleistungen) und Verkehr sowie Zuordnung zu den Anwendungszwecken Raumheizwärme, IuK (Information und Kommunikation), Prozesswärme, Beleuchtung und mechanische Energie
Insgesamt wurden im Jahr 2003 in Deutschland mit
3914 Petajoule (837 Milliarden Kilowattstunden) rund
32,7 % der Endenergie für die Erzeugung von Raumheizwärme eingesetzt; für die Trinkwassererwärmung
waren es mit 830 Petajoule (230 Milliarden Kilowattstunden) etwa 9,0 %. Zusammengenommen waren
also etwa 41,7 % der Endenergie für diese Anwendungen erforderlich (Bild 1) [1], [2]. Der Heizung und
Trinkwassererwärmung kommt also beim Energiesparen und beim Umweltschutz ein hoher Stellenwert zu.
Bild 2: Entwicklung des temperaturbereinigten Endenergieverbrauchs für die Raumheizung in den Haushalten Deutschlands (in TWh = Mrd. kWh) sowie Entwicklung der Wohnfläche (Werte vor 1990:
nur alte Bundesländer)
3
In den vergangenen drei Jahrzehnten ist der Bestand an Wohnflächen in Deutschland erheblich angestiegen; damit verbunden war eine deutliche Zunahme des temperaturbereinigten
Endenergieverbrauchs für die Raumheizung (Bild 2). 2002 wurden in deutschen Haushalten
insgesamt 25,1 Milliarden Liter Heizöl und 28,9 Milliarden Kubikmeter (m3) Gas für Heizzwecke verbrannt [2].
1.2
Wärmebedarf und Altersstruktur von Wohngebäuden
Bei Kraftfahrzeugen hat es sich bewährt, einen Norm-Kraftstoffverbrauch anzugeben. So
wird heute unter reproduzierbaren Bedingungen ein EU-Normverbrauch in Litern je 100 km
(l/100 km) ermittelt. Dabei werden Fahrzyklen simuliert, mit denen ein innerstädtischer sowie
ein außerstädtischer Betrieb dargestellt wird, und dabei der Verbrauch gemessen; hieraus
wird ein Gesamtverbrauch ermittelt; zusätzlich werden damit die zugehörigen Kohlendioxid(CO2)-Emissionen in Gramm je Kilometer (g/km) bestimmt. Ob ein Fahrer diesen Normverbrauch erreicht oder ihn unterschreitet bzw. überschreitet, hängt von seiner Fahrweise ab.
Ebenfalls liegt es nahe, für Wohngebäude bzw. Wohnungen einen Primärenergiebedarf in
Kilowattstunden je Quadratmeter Nutzfläche und Jahr (kWh/m2 a) unter Normbedingungen auszuweisen. Wie weit dieser Primärenergiebedarf erreicht oder unterschritten bzw.
überschritten wird, wird in erheblichem Maße vom Verhalten der Benutzer bestimmt - und
z.B. auch davon, welche klimatischen Außenbedingungen über das Jahr gesehen vorliegen.
Allerdings ist die Ermittlung dieses Primärenergiebedarfs recht schwierig: Hier ist die Güte
der Anlagentechnik für Heizung und Trinkwassererwärmung ausschlaggebend; daneben ist
die Güte des Gebäudes hinsichtlich der Wärmedämmung von Außenwänden, Fenster, Dach
und Keller sowie hinsichtlich der Gebäudedichtheit entscheidend - und auch z.B. das
Vermögen des Gebäudes, Wärme zu speichern und seine Fähigkeit, mit den Fenstern über
das Jahr hinweg kostenlose Sonnenenergie zu „ernten“ [3].
Außerdem gilt: Energie ist nicht gleich Energie: Denn es geht dabei nicht nur um die Wärme,
die letztlich für die Trinkwassererwärmung und fürs Heizen benötigt wird, sondern auch
darum, mit welchem Aufwand aus welcher Endenergie und mit welcher Anlagentechnik diese
Wärme erzeugt wird. Es kommt also auf die eingesetzten Endenergien wie etwa Erdgas,
leichtes Heizöl, Strom oder Kohle an - und vor allem auf den Zustand, die Auslegung
und die Güte der eingesetzten Heizkessel. Weiter spielt dabei der technische Zustand
von Heizverteilsystemen, Regelungstechniken sowie von Anlagen zur Trinkwassererwärmung eine Rolle.
Allerdings: Mit der auf diese Weise ermittelten Endenergie ist es noch immer nicht getan:
Denn die jeweils genutzte Endenergie muss zunächst aus der so genannten Primärenergie also einem unveredelten Energieträger in seinem "Rohzustand" - erzeugt werden: So müssen z.B. Erdgas und Heizöl erst einmal gefördert, veredelt und dann über bestimmte Transportentfernungen zum Verbraucher gebracht werden - dazu ist zusätzliche Energie notwendig. Und Strom - eine Endenergie, die praktisch überall gebraucht wird - muss erst einmal in
Kraftwerken erzeugt und über Leitungsnetze zum Ort des Bedarfs transportiert werden, was
ebenfalls nicht ohne Energieverluste abgeht. Der Fachmann spricht in diesem Zusammenhang von Aufwandszahlen, die angeben, welcher energetische Aufwand letztlich vom Anfang
bis zum Ende der jeweiligen Prozesskette erforderlich ist, um zu einem gewünschten energetischen Nutzen zu kommen.
Die im Jahr 2002 in Kraft getretene Energieeinsparverordnung (EnEV) [4] schreibt zur
Ermittlung des Primärenergiebedarfs genaue Vorgehensweisen vor, um zu möglichst objektiven Aussagen zu kommen ([6] - [8]). Ein solcher Vergleich lohnt sich - weil Energiesparen
auf Dauer nicht nur Kosten spart, sondern zugleich auch die wertvollen Energievorräte.
Darüber hinaus wird die Umwelt von einem unnötigen Ausstoß von Schadstoffen und
klimawirksamen Gasen wie z.B. CO2 entlastet.
Den Wärmebedarf von Wohngebäuden und Wohnungen kann man danach unterteilen, für
welche Aufgabenbereiche die Wärme benötigt wird:
4
-
den Wärmebedarf für die Trinkwassererwärmung
-
den Wärmebedarf, der die Wärmeverluste ausgleicht, die durch den Wärmeabfluss
über Außenwände, Fenster, Dach und Keller auftreten (Transmissionswärmebedarf)
-
den Wärmebedarf der die Wärmeverluste ausgleicht, die durch den Wärmeabfluss
beim Luftaustausch auftreten (Lüftungswärmebedarf)
Untersucht man die zeitliche Entwicklung des Wärmebedarfs genauer, dann ist dabei der
Gebäude- bzw. Wohnungstyp von wesentlicher Bedeutung. Vor dem Jahr 1984 gab es in
Deutschland keine Rahmenbedingungen, mit denen der Gebäudewärmebedarf gezielt eingeschränkt worden wäre. 1984 hat der Gesetzgeber eine Wärmeschutzverordnung erlassen,
mit welcher der Wärmebedarf für Neubauten begrenzt wurde; diese Wärmeschutzverordnung wurde 1995 verschärft. Nunmehr (seit
dem Jahr 2002) gilt die Energieeinsparverordnung (EnEV), der entsprechend der Wärmebedarf für Neubauten noch weiter verringert
wird; darin wird zum ersten Mal nicht auf den
Wärmebedarf selbst, sondern auf den dadurch
ausgelösten Primärenergiebedarf abgehoben.
Damit sind den Maßnahmen zum Wärmeschutz die Maßnahmen zur Nutzung verbesserter Techniken der Wärmebereitstellung (z. B. energieeffiziente Brennwertkessel) gleichwertig an die Seite gestellt.
Bild 3: Spezifischer jährlicher Wärmebedarf von Wohngebäuden für Heizung und Trinkwassererwärmung in Abhängigkeit des Baujahrs
In Bild 3 ist dargestellt, wie viel Kilowattstunden Wärmeenergie bei Gebäuden in Deutschland je nach Baujahr pro Quadratmeter Nutzfläche und Jahr (kWh/(m2 a)) im Durchschnitt
erforderlich ist; dabei ist nicht nur der gesamte Wärmebedarf als Säule ausgewiesen, sondern auch nach den folgenden Wärmebedarfsbereichen unterschieden:
-
Heizwärmebedarf (unterteilt in Transmissionswärmebedarf und Lüftungswärmebedarf),
-
Wärmebedarf für Trinkwassererwärmung
Für den Bestand aller Wohngebäude, die vor 1984 gebaut und nicht saniert wurden, ist ein
mittlerer Wärmebedarf von zusammengenommen rund 225 kWh/(m2 a) ausgewiesen; der
größte Teil der Wohngebäude in Deutschland gehört hierzu. Für Wohngebäude der Baujahre
1984 bis 1994 kann von einem durchschnittlichen Wert von zusammengenommen etwa 145
kWh/(m2 a) ausgegangen werden. Bei Wohngebäuden der Baujahre 1995 bis 2002 ist ein
durchschnittlicher Wert von insgesamt etwa 105 - 90 kWh/(m2 a) realistisch.
Seit 2002 ist entsprechend der Energieeinsparverordnung (EnEV) [4] bei neuen Wohngebäuden als Mindeststandard ein so genannter "Niedrigenergiehaus-Standard" einzuhalten,
wobei - je nach Entscheidung des Bauherrn - entweder mehr Wert auf die Wärmedämmung
oder mehr Augenmerk auf eine besonders effiziente Anlagentechnik gelegt werden kann. Im
Mittel erscheint dabei ein Wärmebedarfswert von zusammengenommen rund 85 (kWh/m2 a)
zutreffend. Schließlich ist noch - gewissermaßen als Bestmarke des heutigen bautechnischen Standards - ein mittlerer Wärmebedarfswert für ein neues Passivhaus mit Wärmerückgewinnung genannt: Mit insgesamt ungefähr 30 kWh/(m2 a) liegt er an der Untergrenze
des bautechnisch praktisch sinnvoll Machbaren.
Bild 3 zeigt, dass bei allen Gebäudetypen von einem gleich großen mittleren Trinkwasserwärmebedarf ausgegangen wird; der genannte Wert von 15 kWh/(m2 a) ist übrigens in der
5
Energieeinspar-Verordnung 2002 mit 12,5 kWh/(m2 a) festgelegt worden. Große Unterschiede gibt es jedoch beim durchschnittlichen Heizwärmebedarf, der je nach Gebäudetyp mit
210, 130, 90, 70 und 40 kWh/(m2 a) angegeben ist.
Bild 4: Spezifischer jährlicher Heizwärmebedarf und spezifischer jährlicher Primärenergiebedarf verschiedener Gebäudetypen im Neubaubereich
In Bild 4 sind für neue Wohngebäude die möglichen Bandbreiten des Heizwärmebedarfs und
des Primärenergiebedarfs dargestellt. Auf der rechten Seite des Bildes ist das Niedrigenergiehaus aufgeführt; damit kann den Anforderungen der Energieeinsparverordnung des Jahres 2002 Rechnung getragen werden. Beim Niedrigenergiehaus ist eine Warmwasser-Zentralheizung - etwa mit einem Erdgas-Brennwertkessel, einem Heizöl-Brennwertkessel oder
einer elektrischen Wärmepumpe - weiterhin notwendig.
Wird der Wärmeschutz gegenüber dem Niedrigenergiehaus weiter verbessert, so spricht
man vom Energiesparhaus oder 3-Liter-Haus: Hier liegt der Jahresheizwärmebedarf bei 30
kWh/(m2 a) und weniger. Dies entspricht in erster Näherung einem Heizölbedarf von etwa 3
Litern je Quadratmeter und Jahr. Auch hier kann eine Warmwasser-Zentralheizung notwendig sein. Daneben ist man gut beraten, zusätzlich ein zentrales Zuluft/Abluftsystem mit
Wärmerückgewinnung zu betreiben.
In Bild 4 links ist das Passivhaus aufgeführt. Hier ist der Jahresheizwärmebedarf so gering,
dass ohne Komfortverlust auf eine Warmwasser-Zentralheizung verzichtet werden kann.
Stattdessen genügt ein zentrales Zuluft-/Abluftsystem mit Wärmerückgewinnung zum Heizen: Hier kommt zu den Vorzügen eines hygienischen Wohnens, der Vermeidung von
Feuchteschäden und einer konsequenten Energieeinsparung hinzu, dass das Lüftungssystem nebenbei auch noch die Heizungsfunktion übernimmt.
Wärmetechnisch sanierte Wohngebäude erreichen - je nach Aufwand bei der Sanierung Wärmebedarfswerte, die z.B. zwischen 130 und 90 kWh/(m2 a) liegen können; damit werden
Wärmedämm-Qualitäten erzielt, die ohne weiteres den Wärmebedarfswerten von in den
Jahren 1984 bis 2002 errichteten Neubauten entsprechen können. Geht man von einem
mittleren Wärmebedarfswert vor der Sanierung von ca. 210 kWh/(m2 a) aus, kann - bei entsprechend aufwendigen Sanierungsmaßnahmen - der Wärmebedarf auf ca. 105 kWh/(m2 a)
halbiert werden.
Bild 5 zeigt die Altersstruktur des Wohnungsbestands in Deutschland. Es wird sichtbar, dass
75 % des Wohnungsbestandes aus der Zeit vor 1979 stammt. In Bild 6 ist ein MehrfamilienWohnhaus aus dem Jahr 1962 dargestellt.
Bild 5: Altersstruktur des Wohnungsbestands
Bild 6: Mehrfamilien-Wohnhaus Baujahr 1962
6
Anteile von Wohnungen, die vor 1979 bzw. seit 1979 gebaut wurden,
und deren Anteile am Heizwärmeverbrauch
(Angaben in Prozent)
100
80
60
40
20
0
Vor 1979
Wohnungen
Seit 1979
Heizwärmeverbrauch
Bild 7: Anteile von Wohnungen in Deutschland, die vor 1978 bzw. seit 1979 gebaut wurden, und deren
Anteile am Heizwärmeverbrauch (Angaben in Prozent)
Von den etwa 31 Mio. beheizten Wohnungen in Deutschland sind rund 75 % älter als
25 Jahre. In diesen Wohnungen werden 95 % der Heizwärme verbraucht (Bild 7). Dies
verdeutlicht: Bei den Anstrengungen für eine sparsamen Energieverwendung und für einen
wirksamen Umweltschutz im Bereich der Haushalte steht vor allem der Gebäudebestand im
Mittelpunkt. Denn ältere Gebäude weisen eine aus heutiger Sicht oft unzureichende Wärmedämmung und eine teilweise veraltete Heiztechnik auf. Da die Kosten für WärmedämmMaßnahmen bei älteren Wohngebäuden (Fenster, Außenwände, Dach, Keller) im Allgemeinen sehr erheblich sind, stellt sich aus wirtschaftlicher Sicht häufiger die Aufgabe, zunächst
mit einem begrenzten finanziellen Aufwand die bestehende ältere Heizungsanlage zu
sanieren.
1.3
Für den Energieverbrauch mitentscheidend: Der Kesseltyp
Die 1. Bundes-Immissionsschutz-Verordnung (BImSchV) [5] trägt dem hohen Energieeinsparpotenzial im Gebäudebestand Rechnung: Sie schreibt für alle Heizkessel bestimmte
Grenzwerte für den Abgasverlust vor, die verbindlich spätestens seit 2004 eingehalten werden müssen. Damit soll sichergestellt werden, dass insbesondere schlecht arbeitende ältere
Heizkessel, die in älteren Gebäuden bzw. Wohnungen mit hohem spezifischem Wärmebedarf eingesetzt werden, durch effiziente Heizkessel ersetzt werden.
Heizkesselgröße [kW]
Abgasverlust [%]
Über 4 bis 25
Über 25 bis 50
Über 50
11
10
9
Tafel 1: Maximal zulässige Abgasverluste von Öl- und Gasfeuerungsanlagen (Alt- und Neuanlagen) nach
1. BImSchV [5], gültig seit 1.11.2004
Die Energieeinsparverordnung (EnEV) sieht für diejenigen Heizungsanlagen, die vor
dem 1.10.1978 in Betrieb genommen wurden, eine Umrüstung auf moderne Kessel
(insbesondere Niedertemperatur- und Brennwertkessel) bis spätestens zum 31. Dezember 2006 vor. Allerdings gibt es dabei Ausnahmeregelungen: Zum Beispiel verlängert
sich die Nachrüstfrist für Anlagen mit nachträglich (nach dem 1.11.1996) eingebauten
Brennern bis zum 31.12.2008; für Anlagen in selbst genutzten Eigenheimen verlängert sich
die Nachrüstfrist auf zwei Jahre nach dem Eigentümerwechsel (frühestens jedoch zum
31.12.2006 bis 2008). Diese Aussagen gelten mit Ausnahmen, z. B. sind Anlagen mit weniger als 4 kW oder mehr als 400 kW Leistung von diesen Fristenregelungen nicht betroffen
[8], [9].
Ältere Heizkessel sind häufig überdimensioniert. Eine solche Überdimensionierung war zu
Zeiten geringer Energiekosten - also vor der 1. Ölpreiskrise 1973/74 und vor der 2. Ölpreiskrise 1980/81 –, aber zum Teil auch noch in den achtziger Jahren üblich. Bei alten Kesseln
7
führt sie zusammen mit einer konstant hohen Kesselwassertemperatur und der nach heutigen Maßstäben unzureichenden Wärmedämmung der Heizkessel zu sehr erheblichen Verlusten.
Altersstruktur von Öl-Feuerungsanlagen
und Gas-Feuerungsanlagen
in Deutschland - ZIV-Erhebung im Jahr 2002
(Angaben in Millionen Anlagen)
8
6
4
2
0
Bis 1978
1979-1982
Öl-Feuerungsanlagen
1983-1988
Ab 1989
Gas-Feuerungsanlagen
Bild 8: Altersstruktur von Öl-Feuerungsanlagen und von Gas-Feuerungsanlagen in Deutschland (Angaben in Millionen Anlagen)
In Bild 8 ist eine statistische Auswertung von Erhebungen der Schornsteinfeger wiedergegeben; diese zeigt, dass von den rund 15 Millionen Heizungsanlagen in Deutschland rund
4,4 Millionen - also fast 30 % aller Anlagen - älter als 15 Jahre sind; 2,4 Millionen hiervon
(also mehr als 16 %) sind sogar älter als 19 Jahre [7]. Schätzungen (vgl. [10]) gehen davon
aus, dass in Deutschland das Einsparpotenzial bei sofortiger Modernisierung aller Heizkessel, die die Grenzwerte nicht einhalten, bei insgesamt 1,6 Mrd. Litern Heizöl und 1 Mrd. m3
Erdgas je Jahr liegt. Damit kann nicht nur Energie eingespart, sondern es können auch
Emissionen in erheblichem Umfang verringert und deshalb ein nennenswerter großer Beitrag
zur Entlastung unserer Umwelt geleistet werden.
Bei der technischen Beurteilung von Kesseln zur Erzeugung von Heizwärme und zur Trinkwassererwärmung ist es von besonderer Bedeutung, welchem Typ der jeweilige Kessel zuzuordnen ist [9]:
Standardkessel: Heizkessel, bei dem die durchschnittliche Betriebstemperatur durch seine
Auslegung beschränkt sein kann bzw. konstant gehalten wird. Der Standardkessel ist so zu
betreiben, dass entlang des Abgasweges keine Kondensation des Wasserdampfs auftritt,
der in den Abgasen enthalten ist.
Niedertemperatur-Heizkessel: Heizkessel, der bei Bedarf kontinuierlich auch mit niedrigen
Vorlauf-Eintrittstemperaturen von bis herunter zu 35 bis 40 °C betrieben werden kann, und in
dem es unter Umständen zur Kondensation begrenzter Teilmengen des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes kommen kann (Bild 9). Niedertemperatur-Heizkessel sind deshalb
wesentlich energieeffizienter als Standardkessel. Für Heizkessel mit einer Nennwärmeleistung von mehr als 400 kW und für Heizkessel mit mehrstufiger oder stufenlos verstellbarer
Feuerungsleistung gelten darüber hinausgehende Festlegungen.
Brennwertkessel: Heizkessel, der auch für die Kondensation eines Großteils des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes konstruiert ist (Bild 10); damit kann neben der so genannten „fühlbaren“ Wärme (Enthalpie) der Abgase auch ein erheblicher Teil der so
genannten „latenten“ Wärme (Kondensationsenthalpie) für die Wärmebereitstellung genutzt
werden (Bild 11). Brennwertkessel haben damit wesentlich günstigere Wirkungsgrade und
Nutzungsgrade als Standardkessel und Niedertemperatur-Heizkessel.
8
Bild 9: Niedertemperatur-Heizkessel
Bild 10: Brennwertkessel
2.
Kennwerte von Heizungsanlagen
2.1.
Kesselwirkungsgrad
Bild 11: Kondensation
Wenn es um die Modernisierung von Anlagen zur Heizung und Trinkwassererwärmung geht,
spielt die wirtschaftliche Bewertung der Alt- bzw. Neuanlage eine wesentliche Rolle. Eine
wirtschaftliche Wärmeerzeugung sollte durch ein begrenztes Maß an Energieaufwand und
eine im Vergleich hierzu optimale Wärmebereitstellung gekennzeichnet sein.
In Bild 12 [10] sind die Wärmeströme beim Betrieb eines Heizkessels dargestellt. Die wesentlichen Verluste bei der Energieumsetzung im Heizkessel entstehen durch
- die im Abgas mitgeführte zeitbezogene Verlustenergie (Abgasverluste QA)
- die zeitbezogenen Oberflächenverluste des Heizkessels während des Brennerbetriebes QS
und bei Stillstand (Bereitschaftsverluste) QB .
Eine Einstufungsmessung, die durch den Schornsteinfeger an allen Heizkesseln durchgeführt wird, ermöglicht nur eine bedingte Bewertung der Wirtschaftlichkeit, denn diese Messung erfasst lediglich die Abgasverluste und berücksichtigt nicht die Oberflächenverluste.
Zur sinnvollen Beurteilung eines Heizkessels dienen verschiedene Kennzahlen, die im folgenden erläutert werden.
Bild 12: Wärmeströme bei einem Heizkessel
9
Der Kesselwirkungsgrad ηK gibt das Verhältnis von abgegebener Nutzleistung QK (KesselNennleistung) zum Aufwand an. Der Aufwand wird als Feuerungsleistung, Wärmebelastung
oder Brennerleistung QF bezeichnet.
ηK =
Q K Q F - Q A - QS
=
QF
QF
Für die Ermittlung des Kesselwirkungsgrades wird gemäß EN 303 (früher: DIN 4702) die
Vorlauftemperatur auf 80 °C gehalten; dabei beträgt die Differenz von Vorlauf- und Rücklauftemperatur (Spreizung) des Heizungskreislaufs 20 °C.
2.2
Jahres-Nutzungsgrad
Damit eine längere Betriebszeit - z. B. ein Jahr – betrachtet werden kann, muss der JahresNutzungsgrad ηN nach VDI 2067 und VDI 3808 herangezogen werden. Der Jahres-Nutzungsgrad bezieht auch die Stillstands- bzw. Bereitschaftsverluste mit ein. Diese Betrachtung nach VDI 2067 kann jedoch nur für Heizkessel angewandt werden, die mit gleich
bleibender Kesselwassertemperatur betrieben werden, da die Bereitschaftsverluste sowie
der Kesselwirkungsgrad als konstant angenommen werden (z. B. ältere Standardkessel). Für
die Berechnung werden Wärmemengen statt Wärmeströme herangezogen.
Bei der Ermittlung der Nutzwärme sind die auftretenden Verluste über den gesamten Betrachtungszeitraum zu berücksichtigen. Während bei der Ermittlung des Kesselwirkungsgrades eine Augenblicksbetrachtung vorgenommen wird, werden bei der Ermittlung des JahresNutzungsgrades auch die Bereitschaftsverluste QB beachtet, die während der Brennerstillstandszeiten auftreten.
Im Vergleich mit der Beziehung für den Kesselwirkungsgrad ηK wird deutlich, dass für den
Jahres-Nutzungsgrad die Bereitschaftsverluste QB deutlich an Bedeutung zunehmen, da sie
zeitlich einen hohen Anteil ausmachen [10].
Die Nutzungsgradberechnung von Heizkesseln mit konstanter Kesselwassertemperatur wird
entsprechend der folgenden Beziehung vorgenommen:
ηN =
ηK
(
b
− 1) qB + 1
bVK
ηN:
Jahres-Nutzungsgrad
ηK:
Kesselwirkungsgrad
b:
Betriebsbereitschaftszeit
bVK:
Jährliche Vollbenutzungsstunden des Heizkessels
qB:
Betriebsbereitschaftsverlustfaktor (0,4 bis 5,5 %; umso größer, je kleiner die Kesselleistung und je älter der Kessel ist)
2.3
Jahres-Heizarbeit
Für moderne Heizkessel wie Niedertemperatur-Heizkessel und Brennwertkessel, bei denen
die Heizwassertemperatur dem aktuellen Bedarf angepasst wird (gleitende Vorlauftemperatur), gilt die Berechnung des Jahres-Nutzungsgrades gemäß Abschnitt 2.2 nicht, da bei
variabler Kesselwassertemperatur die Abgas-, Strahlungs- und Bereitschaftsverluste nicht
mehr gleich bleiben. Der energie- und umwelttechnische Vorzug von Niedertemperatur- und
Brennwertkesseln liegt in ihren geringeren Abgas-, Strahlungs- und Bereitschaftsverlusten
bei abgesenkter Kesselwassertemperatur.
10
Ein Heizkessel wird daraufhin ausgelegt, dass bei der tiefsten auftretenden Außentemperatur
der Wärmebedarf vollständig gedeckt werden kann. Die Auslegungstemperaturen liegen für
Deutschland - je nach den vorgegebenen klimatischen Bedingungen - bei -12 °C bis -16 °C.
Solch niedrige Temperaturen werden freilich nur sehr selten erreicht. Deshalb hat der Heizkessel nur an wenigen Tagen im Jahr seine volle Leistung - und damit hohe Vorlauftemperaturen - bereitzustellen. In der übrigen Zeit werden nur geringere Anteile der maximalen
Wärmeleistung benötigt [10].
Über das Jahr betrachtet werden rund 64 % der Heizarbeit bei Außentemperaturen oberhalb
von 0 °C benötigt. Nur etwa 6 % der Heizarbeit entfallen auf Tage, an denen die Außentemperaturen niedriger als -10°C sind (Bild 13).
Bild 13: Anteile der Jahres-Heizarbeit, angegeben für unterschiedliche Außentemperaturbereiche: Nur
etwa 6 % der Jahres-Heizarbeit sind in Deutschland an sehr kalten Tagen (Außentemperatur niedriger als -10°C) erforderlich [10].
2.4
Kesselauslastung
Mit einer relativen Heizkessel-Auslastung von 0 bis 50 % werden insgesamt etwa 85 bis 90
% der Jahres-Heizarbeit erbracht. Dies ist hinsichtlich der Effizienz von Heizkesseln von
großer Bedeutung: Während ältere Heizkessel auch bei geringerem Heizwärmebedarf
ihre konstant hohe Kesselwassertemperatur halten müssen (Standardkessel) und
damit gleichbleibend hohe Verluste verursachen, passen moderne Heizkessel (Niedertemperatur-Heizkessel und Brennwertkessel) ihre Temperatur dem Bedarf an; damit
erreichen sie wesentlich geringere Bereitschaftsverluste. Deshalb kann bei der Ermittlung des Jahres-Nutzungsgrades nicht mit gleichbleibenden Verlusten wie für Standardkessel gerechnet werden.
2.5
Norm-Nutzungsgrad
Zur Ermittlung der Energieausnutzung von Niedertemperatur- und Brennwertkesseln wurde
folglich ein erweiterter Nutzungsgrad - der Norm-Nutzungsgrad - nach DIN 4702 Teil 8 eingeführt. Der Norm-Nutzungsgrad berücksichtigt alle Verluste eines Heizkessels (Abgasverlust,
Strahlungs- und Bereitschaftsverlust), die maßgeblich von der Kesselwassertemperatur und
der Kesselauslastung bestimmt werden.
Bei fünf verschiedenen Auslastungen wird jeweils ein Teillast-Nutzungsgrad gemessen. Für
jede Auslastung sind die Vor- und Rücklauftemperaturen der Auslegungs-Temperaturpaare
75 °C / 60 °C und 40 °C / 30 °C des Heizungskreislaufs festgelegt. Aus den fünf TeillastNutzungsgraden wird dann der Norm-Nutzungsgrad ηN ermittelt. Die Norm-NutzungsgradPrüfung entspricht somit dem typischen Betrieb einer Heizungsanlage über den Jahresverlauf (Bild 14).
11
Bild 14: Der Norm-Nutzungsgrad wird anhand von fünf Teillast-Nutzungsgraden bestimmt. Damit wird
dem Sachverhalt Rechnung getragen, dass Kessel überwiegend im Teillastbetrieb eingesetzt
werden [10].
Der effektive Kesselwirkungsgrad bei Teillast ηKTeil kann mit QK als der abgegebenen Nutzleistung (Kessel-Nennleistung) bei Volllast und QKTeil als der abgegebenen Nutzleistung bei
der betrachteten Teillast in der folgenden Weise angegeben werden [9]:
η KTeil = η K
1 + qB
QK
1 + qB
Q KTeil
Tafel 2: Teillast-Nutzungsgrade eines Niedertemperatur-Kessels zur Ermittlung des Norm-Nutzungsgrades gemäß Bild 14 [10]
Zur Beurteilung eines älteren Heizkessels ist es sinnvoll, dessen Auslastung zu bestimmen.
Diese ist definiert als Verhältnis der jährlichen Vollbenutzungsstunden bVK des Heizkessels
zur jährlichen Betriebsbereitschaftszeit b:
ϕ=
bVK
b
Die jährliche Betriebsbereitschaftszeit b kann bei integrierter Warmwasserbereitung (d. h.
das System wird ganzjährig auf der erforderlichen Temperatur gehalten) maximal 8760 Stunden (Jahresstundenzahl) betragen. Die jährliche Vollbenutzungsstunden bVK umfassen die
Brennerlaufzeit, die zur Bereitstellung der Nutzwärmemenge erforderlich ist. Verglichen mit
der gesamten Brennerlaufzeit bF ist bVK um diejenige Brennerlaufzeit geringer, die zur
Deckung der Bereitschaftsverluste notwendig ist.
Die jährlichen Vollbenutzungsstunden bVK lassen sich aus dem Jahres-Brennstoffverbrauch
Ba, der Heizkessel-Nennleistung QK und dem Bereitschaftsverlust qB über die jährliche
Feuerungszeit bF errechnen [10]:
bVK =
bF − bqB
1 − qB
12
bF =
Ba H iη K
QK
Der jährliche Brennstoffverbrauch Ba ist im allgemeinen bekannt (z. B. über die Gasrechnung); der zugehörige Heizwert des Brennstoffes Hi liegt ebenfalls fest (z. B. für Erdgas H:
rund 10 kWh/m3; für Heizöl EL: 10 kWh/l). Die Heizkessel-Nennleistung QK ist auf dem
Typenschild des Kessels angegeben, als Kesselwirkungsgrad ηK kann für Altanlagen 0,80
bis 0,85 angenommen werden [10]. Eine Auslastung von 100 % würde sich nur dann
ergeben, wenn der Brenner des Kessels das ganze Jahr hindurch ohne Unterbrechung arbeiten würde. Dies ist praktisch nie der Fall, weil der Auslegungszustand (entsprechend der
tiefsten Außentemperatur) nur an wenigen Tagen im Jahr erreicht wird. Bei richtiger Dimensionierung des Heizkessels werden im Allgemeinen Auslastungen von rund 20 % erreicht.
3.
Merkmale älterer Heizkessel; Vorteile moderner Anlagen
3.1
Welche technischen Kennzeichen haben ältere Heizkessel?
Für ältere Heizkessel sind im Allgemeinen mehrere der folgenden Merkmale typisch [10]:
-
Es handelt sich um einen Wechsel- oder Umstellbrandkessel. Die Installation erfolgte zum Beispiel während der 1. Ölpreiskrise 1973/4 oder während der 2. Ölpreiskrise 1980/81, als - aus Unsicherheit über die künftige Energieversorgungssituation eine Umstellmöglichkeit auf feste Brennstoffe erwünscht war.
-
Der Heizkessel wird mit gleich bleibender Kesselwassertemperatur von mehr als
70 °C betrieben.
-
Heizkessel, Warmwasserspeicher und Armaturen verfügen lediglich über eine unzulängliche Wärmedämmung, die während des Betriebs zu vergleichsweise hohen
Temperaturen im Kessel-Aufstellungsraum (Strahlungsverluste) führen.
-
Der Heizkessel weist darüber hinaus auch hohe Abgasverluste auf: Die Abgastemperatur liegt oft über 200 °C.
-
Der Heizkessel ist deutlich zu groß ausgelegt (Überdimensionierung). Dies ist z. B.
die Folge einer zu großzügigen Auslegung zum Zeitpunkt des Einbaus oder auch die
Folge einer inzwischen vorgenommenen besseren Gebäude-Wärmedämmung (etwa
der Einbau neuer Isolierglas-Fenster, Dach-Wärmedämmung; Außenwand-Wärmedämmung).
-
Die Anlage weist nur eine einfache Steuerungstechnik auf; der witterungsgeführte,
außentemperaturabhängige Betrieb einschließlich einer programmierbaren Nachtabsenkung und einer zeitweiligen Abschaltung der Heizungspumpen (Stromeinsparung)
ist nicht möglich.
3.2
Jahres-Nutzungsgrade älterer Heizkessel
Ältere Heizkessel mit diesen Kennzeichen kommen im allgemeinen nur auf mittlere JahresNutzungsgrade zwischen 60 und 70 % [10]. Dies liegt neben den gleich bleibend hohen Vorlauftemperaturen und den hohen Abgasverlusten vor allem an den hohen Bereitschaftsverlusten, die durch die Wärmeabstrahlung über die Kesseloberfläche entstehen.
3.3
Auslastung älterer Heizkessel
Die Bereitschaftsverluste wirken sich umso stärker aus, je geringer die Jahres-Auslastung
des Heizkessels ist. Eine solch geringe Auslastung liegt bei Altanlagen oft vor, da die Heizkessel nicht selten doppelt überdimensioniert sind und deshalb niedrige Brennerlaufzeiten
13
aufweisen. Typische Auslastungen sind für ältere Heizkessel 10 bis 15 %; dementsprechend
hoch kann der Verlustanteil während der Bereitschaftszeiten sein.
3.4
Ältere Heizkessel in Gebäuden mit nachträglich verbesserter Wärmedämmung
Werden am Gebäude nachträglich Wärmedämm-Maßnahmen durchgeführt, so wird der
Wärmebedarf weiter gesenkt. Damit sinkt auch die Auslastung der Heizungsanlage. Bei alten
Heizkesseln führt dies dazu, dass der dadurch ansteigende Anteil der Bereitschaftsverluste
den Einspareffekt der Wärmedämmung teilweise wieder aufzehrt.
Moderne Niedertemperatur- und Brennwertkessel zeigen im Gegensatz zu alten Heizkesseln
einen völlig anderen Nutzungsgradverlauf. Sie werden mit gleitend abgesenkter Kesselwassertemperatur betrieben, die jeweils dem aktuellen Bedarf des Gebäudes angepasst wird.
Der Entwicklung des Niedertemperatur-Heizkessels und des Brennwertkessels lag die Erkenntnis zugrunde, dass Heizungsanlagen überwiegend im Teillastbereich, also mit Auslastungen von deutlich weniger als 50 %, betrieben werden (siehe Bild 14).
3.5
Niedertemperatur-Heizkessel
Die guten Nutzungsgrade moderner Niedertemperatur-Heizkessel von etwa 92 % bis 96 %
werden dadurch erzielt, dass die Oberflächenverluste auf jährlich 1 bis 3 % vermindert sind.
Damit betragen sie nur noch etwa ein Zehntel der Oberflächenverluste alter Heizkessel mit
gleich bleibender Kesselwassertemperatur. Ausschlaggebend für die geringeren Verluste ist
das gleitend abgesenkte, an die Anforderungen des Teillastbetriebs angepasste Temperaturniveau des Heizkessels; darüber hinaus wirkt sich auch die verbesserte Verbund-Wärmedämmung moderner Heizkessel positiv aus.
Um einen Heizkessel mit bedarfsgerecht abgesenkter Kesselwassertemperatur betreiben zu
können, ist eine geeignete Regelung erforderlich. Diese muss die jeweilige Heizlast - z. B.
abhängig von der Außentemperatur - ermitteln und als Führungsgröße für die Kesselwassertemperatur einsetzen.
Bild 15: Teillast-Nutzungsgrade eines modernen Brennwertkessels (oben), eines neuen NiedertemperaturKessels (Mitte) und eines älteren Standard-Kessels (unten) [11]
Bild 15 zeigt den Verlauf des Teillast-Nutzungsgrads eines modernen NiedertemperaturHeizkessels (Mitte) im Vergleich mit dem Verlauf des Teillast-Nutzungsgrades eines älteren
Standardkessels. Es wird deutlich, dass gegenüber Altanlagen durch eine starke Verminderung von Abgasverlusten und Oberflächenverlusten der Teillast-Nutzungsgrad bis zu Auslastungen von weniger als 10 % jeweils immer bei über 90 % liegt. Demgegenüber fallen die
14
Teillast-Nutzungsgrade älterer Standardkessel bei Auslastungen von weniger als 40 %
drastisch ab.
Das günstige Betriebsverhalten von Niedertemperatur-Heizkesseln führt dazu, dass der Verlauf des Teillast-Nutzungsgrades mit geringer werdender Auslastung sogar ansteigt. Erst bei
Auslastungen von deutlich weniger als 10 % beginnt die Nutzungsgradkurve abzufallen. Niedertemperatur-Heizkessel zeichnen sich somit gegenüber älteren Standardkesseln durch
einen äußerst stabilen Nutzungsgradverlauf über einen weiten Auslastungsbereich aus.
3.6
Brennwertkessel
3.6.1 Technische Merkmale
Die Auskondensation des Wasserdampfes im Abgas ist bei Niedertemperatur-Heizkesseln
unerwünscht, da Heizkessel und Abgasanlage konstruktiv nicht für eine Kondensation ausgelegt sind. Deshalb wird bei Niedertemperatur-Heizkesseln eine Mindestabgastemperatur
eingehalten.
Demgegenüber ist bei Brennwertgeräten (Bild 16) die Kondensation des Wasserdampfes im
Abgas konstruktiv ausdrücklich vorgesehen, um zusätzlich zur „fühlbaren“ Wärme (Enthalpie) des Verbrennungsgases auch die „latente“ Wärme (Kondensationsenthalpie) nutzen zu
können. Heizkessel und Abgasanlage (Bild 17) besitzen spezielle Konstruktionsmerkmale
und sind werkstoffseitig angepasst, so dass das Kondenswasser keine Schäden durch Korrosion verursachen kann. Während bei älteren Standardkesseln und bei NiedertemperaturHeizkesseIn die Kondensationsenthalpie ungenutzt über den Schornstein abgegeben wird,
kann bei Brennwertkesseln der größte Teil hiervon genutzt werden; dies verbessert den
Nutzungsgrad wesentlich.
Bild 16: Aufbau eines Brennwertkessels [11]
Bild 17: Korrosionsfestes Luft-Abgas-System
Bild 15 zeigt, dass im wichtigen Teillastbereich der Nutzungsgradanstieg bei Brennwertkesseln besonders ausgeprägt ist. Der Gewinn aus der Kondensationsenthalpie des Wassers ist gerade bei geringer Auslastung - bedingt durch die dann niedrigen Rücklauftemperaturen des Heizungskreislaufs - besonders deutlich und bewirkt einen erheblichen Anstieg des
Nutzungsgrades.
Brennwertkessel sind sowohl für Radiatoren- als auch für Fußbodenheizungen geeignet. Da
bei der Verbrennung von Erdgas H und von Erdgas L die Taupunkttemperatur für die Bildung
von Kondenswasser - ein übliches Luftverhältnis von λ = 1,3 vorausgesetzt - bei etwa 56 bis
58 °C liegt, lässt sich auch für konventionelle Heizsysteme (Auslegung des Heizungskreis-
15
laufs auf 75 / 60 °C) selbst bei Außentemperaturen von deutlich unterhalb 0 °C noch ein
erheblicher Brennwertnutzen erzielen.
Inzwischen sind etwa die Hälfte aller in Deutschland neu gefertigten Kessel Brennwertkessel.
Sie haben eine hohe technische Zuverlässigkeit und haben sich im Betrieb gut bewährt. Der
weit überwiegende Anteil von Brennwertkesseln nutzt Erdgas als Energieträger.
3.6.1 Heizwert- und Brennwertbezug
Die deutschen Kesselhersteller geben Kesselwirkungsgrad, Jahres-Nutzungsgrad, Teillastnutzungsgrad und Norm-Nutzungsgrad auf den Heizwert (Hi, Hi,n) eines Energieträgers bezogen an; dabei ist die Kondensationsenthalpie des Wassers im Abgas nicht mit einbezogen.
Demgegenüber enthält der Brennwert eines Energieträgers (Hs, Hs,n) auch die Kondensationsenthalpie des Wassers. Wird zur Anlagenerfassung der Heizwert (Hi, Hi,n) des eingesetzten Energieträgers als Bezugsgröße beibehalten, ergibt sich das Kuriosum, dass Brennwertkessel einen Nutzungsgrad von über 100 % erreichen können, da bei ihnen durch die
Wasserdampf-Kondensation der Brennwert (Hs, Hs,n) genutzt werden kann.
3.6.2 Energieträger für die Brennwertnutzung
Als Energieträger für die Brennwertnutzung hat sich insbesondere Erdgas bewährt. Auch
Flüssiggas kann ohne Einschränkungen für einen Einsatz in Brennwertkesseln vorgesehen
werden. Bei Erdgas beträgt der Unterschied zwischen Brennwert und Heizwert etwa 10 %,
bei Flüssiggas etwa 8 %. Erdgas und Flüssiggas sind besonders schwefelarme Energieträger; damit ist das Kondensat aus dem Abgas weniger sauer und kann gemäß dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251 [12] ohne Vorbehandlung ins öffentliche Abwassersystem eingeleitet
werden.
Bei leichtem Heizöl (Heizöl EL) macht die Differenz zwischen Brennwert und Heizwert rund
6,5 % aus; damit ist bei Ölkesseln der Zugewinn der Brennwertnutzung etwas geringer als
bei Erdgas. Wegen des erhöhten Schwefelgehalts im handelsüblichen normalen Heizöl EL
war die Brennwerttechnik für Heizöl bisher noch nicht zuverlässig einsetzbar. Mit der inzwischen erfolgten flächendeckenden Einführung einer schwefelreduzierten Heizölqualität
(Schwefelgehalt max. 500 mg/kg) bzw. einer schwefelarmen Heizölqualität (Schwefelgehalt <
50 mg/kg statt bis zu 2000 mg/kg bei normalem Heizöl EL) liegen inzwischen veränderte
Voraussetzungen vor. Erst der Einsatz von schwefelreduziertem oder schwefelarmem Heizöl
ermöglicht die Öl-Brennwerttechnik: Das Kondenswasser ist deutlich weniger sauer als beim
Einsatz von normalem Heizöl EL, und die Verschmutzungen der Heizflächen werden erheblich verringert. Nur bei der Verbrennung von schwefelarmem Heizöl EL (< 50 mg/kg) entfällt
entsprechend dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251 die Neutralisationspflicht für das entstandene Kondenswasser.
4.
Der Nutzen der Heizungsmodernisierung: Zwei Beispiele
Eine Heizungsmodernisierung führt zu einem wesentlich geringeren Energieverbrauch sowie
zu erheblich niedrigeren Emissionen an Kohlendioxid sowie an gasförmigen Schadstoffen.
Bereits ein Vergleich der Nutzungsgrade unterschiedlicher Kesseltypen verdeutlicht dies: Mit
moderner Heizkesseltechnik kann bis zu ein Drittel Brennstoff eingespart werden. Deshalb
bietet sich der Austausch des Heizkessels auch dann an, wenn erst zu einem späteren
Zeitpunkt im Rahmen von Modernisierungsarbeiten am Gebäude mit einer Verringerung des
Wärmebedarfes zu rechnen ist: Wegen des nahezu gleich bleibenden Nutzungsgradverlaufs
moderner Heizkessel können Niedertemperatur-Heizkessel und Brennwertkessel auch bei
einer Verringerung des Wärmebedarfes durch Modernisierung besonders energieeffizient
betrieben werden. Bei älteren Standardkesseln wird demgegenüber bei sinkendem Wärmebedarf und weiter verringerter Auslastung der Nutzungsgrad deutlich schlechter
16
Würde ein älterer Standardkessel lediglich durch den Einbau eines neuen Brenners aufgewertet, wäre der Einspareffekt - verglichen mit einem vollständigen Kesselaustausch - nur
begrenzt: Es könnte damit nur eine Anpassung der Feuerungsleistung an den realen Bedarf
erreicht werden; gegebenenfalls würde dadurch die jährliche Auslastung ansteigen. Durch
die Verminderung der Feuerungsleistung würde die Abgastemperatur und damit der Abgasverlust sinken; die Bereitschaftsverluste würden sich jedoch wegen der weiterhin gleich bleibend hohen Kesselwassertemperatur nicht wesentlich verringern.
Um den Nutzen der Kesselmodernisierung sinnvoll erfassen zu können, ist in [10] eine Beispielrechnung durchgeführt worden. Auf ihr aufbauend, werden im Folgenden zwei Modernisierungsbeispiele erörtert. Grundsätzlich gilt: Jeder Einzelfall einer Modernisierung kann zu
unterschiedlichen quantitativen Verbesserungen führen – je nach den vorliegenden Voraussetzungen. Verallgemeinerungen sind deshalb nur mit Einschränkungen sinnvoll.
Zur Abschätzung von Maßnahmen zur Kesselmodernisierung muss der Jahres-Heizwärmebedarf bzw. die zu installierende Kesselleistung möglichst genau bestimmt werden. Zunächst
lässt sich aus dem Baujahr des Gebäudes eine erste Einordnung vornehmen(Tafel 3).
Tafel 3: Mittlerer Jahres-Heizwärmebedarf abhängig vom Baujahr des Gebäudes [10]
Wird eine Auslastung von 20 % innerhalb einer Heizperiode angenommen, so ergeben sich
(bei ganzjährigem Betrieb als Folge einer integrierten Trinkwassererwärmung mit Hilfe des
Kessels) 1750 Vollbenutzungsstunden im Jahr. Damit folgen für die zu installierende Kesselleistung (bezogen auf die zu beheizende Fläche) Anhaltswerte entsprechend Tafel 4.
Tafel 4: Erfahrungswerte für den spezifischen Kessel-Leistungsbedarf je m2 Wohnfläche abhängig vom
Baujahr des Gebäudes [10]
Die Auslegung des Kessels, das damit nutzbare Energieeinsparpotenzial sowie die verwirklichbaren Emissionsminderungen werden im Folgenden ausgeführt: Ein Einfamilienhaus des
Baujahres 1975 mit einer Wohnfläche von 140 m2 verbraucht bisher jährlich 4300 Liter leichtes Heizöl. Für die Warmwasserbereitung sind weitere 600 Liter leichtes Heizöl erforderlich.
Damit ergibt sich ein jährlicher Gesamt-Heizölverbrauch von 4900 Litern. Der spezifische
Wärmeleistungsbedarf liegt aufgrund der Bauausführung bei 130 W/m2; damit errechnet sich
ein Wärmeleistungsbedarf von insgesamt 18,2 kW. Der 1975 installierte Heizkessel (Standardkessel) wurde mit 30 kW - wie seinerzeit üblich - wesentlich überdimensioniert.
17
Eine Berechnung der jährlichen Vollbenutzungsstunden bVK nach VDI 2067 (vgl. Abschnitt
2.5) ergibt 1164 h/a; damit beträgt - unter Berücksichtigung der Brennerlaufzeit bF - die Auslastung φ etwa 13,3%. Der heizwertbezogene Jahres-Nutzungsgrad gemäß Abschnitt 2.2 beträgt etwa 67%. Brennwertbezogen folgt hieraus ein Jahres-Nutzungsgrad von rund 62,9 %.
Wird ein neuer Erdgas-Brennwertkessel installiert, so steigt der heizwertbezogene JahresNutzungsgrad auf rund 106 %, dies entspricht einem brennwertbezogenen Jahres-Nutzungsgrad von etwa 96,4 %. Brennwertbezogen ist damit eine Verminderung des Energieverbrauchs auf 62,9 / 96,4 = 0,652 (65,2 %) verbunden. Damit können jährlich 34,8 % Energie
eingespart werden. Statt des jährlichen Gesamt-Heizölverbrauchs von 4900 l/a ergibt sich
ein jährlicher Gesamt-Erdgasverbrauch von rund 3100 m3/a (Erdgas H).
Die jährlichen Emissionen an Kohlendioxid (CO2) gehen nicht nur auf rund 65,2 % zurück,
sondern auf etwa 20/26 x 65,2 % = 50,2 %, weil die auf die freigesetzte Energie bezogenen
CO2-Emissionen (Emissionsfaktor) bei Erdgas niedriger sind als bei leichtem Heizöl (vgl. z.
B. [10]). Interessant sind auch die Verringerungen bei den Schadstoffen Stickoxide (NOx),
Schwefeldioxid (SO2) und Kohlenmonoxid (CO): Hier ergeben sich Rückgänge bei NOx auf
etwa 6,5 %, bei SO2 auf rund 1,9 % und bei CO auf etwa 13 %.
ηN (Hi)
ηN (Hs)
Energieverbrauch
Energieverbrauch
CO2Emissionen
NOxEmissionen
SO2Emissionen
COEmissionen
Öl-Standardkessel
Baujahr 1975
67 %
62,9
%
4900 l/a
(Heizöl
EL)
100 %
100 %
100 %
100 %
100 %
Neuer
ErdgasBrennwertkessel
106 %
96,4
%
3100 m /a
(Erdgas H)
65,2 %
50,2 %
6,5 %
1,9 %
13,0 %
3
Tafel 4: Austausch eines älteren Öl-Standardkessels (Baujahr 1975) durch einen neuen Erdgas-Brennwertkessel in einem Einfamilienhaus: Auswirkung auf Energieverbrauch und Emissionen (Angaben in Prozent; Ölkessel: 100 %)
In Bild 18 ist der genannte Energie- und Umweltvergleich graphisch dargestellt.
Austausch eines älteren Öl-Standardkessels (Baujahr 1975)
durch einen neuen Erdgas-Brennwertkessel:
Auswirkung auf Energieverbrauch und Emissionen
(Angaben in Prozent; Ölkessel: 100 %)
100
80
60
40
20
0
Energie
C02
N0x
Älterer Öl-Standardkessel (Baujahr 1975)
S02
C0
Neuer Erdgas-Brennwertkessel
Bild 18: Austausch eines älteren Öl-Standardkessels (Baujahr 1975) durch einen neuen Erdgas-Brennwertkessel in einem Einfamilienhaus: Auswirkung auf Energieverbrauch und Emissionen (Angaben in Prozent; Ölkessel: 100 %)
18
Den Rechnungen liegen die folgenden Annahmen zugrunde:
-
CO2-Emissionsfaktoren: Heizöl EL: 0,26 kg/kWh, Erdgas: 0,20 kg/kWh;
-
NOx-Emissionsfaktoren: älterer Öl-Standardkessel: 400 mg/kWh, Erdgas-Brennwertkessel 40 mg/kWh (vgl. z. B. [9]);
-
SO2-Emissionsfaktoren: gemäß S-Emissionsfaktoren bei normalem Heizöl EL von 113,9
mg/kWh (Hs) und bei Erdgas (Mittelwert) von 3,3 mg/kWh (Hs,n) (vgl. [12]);
-
CO-Emissionsfaktoren: älterer Öl-Standardkessel: 250 mg/kWh (geschätzt; unterer
Wert), Erdgas-Brennwertkessel 50 mg/kWh (Maximalwert für das RAL-Gütezeichen
(Blauer Engel) für Erdgas-Brennwertkessel).
Für den Kesselaustausch und die Installation eines korrosionsbeständigen Luft-AbgasSystems im bestehenden Schornstein sind Investitionskosten von etwa 6000 bis 7500,- €
erforderlich.
Weist das Einfamilienhaus bei gleicher Bauausführung einen älteren Öl-Niedertemperaturkessel (z. B. mit Baujahr 1982) auf, so ergeben sich bei einem Austausch durch einen neuen
Erdgas-Brennwertkessel die folgenden Verminderungen bei Energieverbrauch und Emissionen:
Der heizwertbezogene Jahres-Nutzungsgrad beträgt etwa 85 %. Brennwertbezogen folgt
hieraus ein Jahres-Nutzungsgrad von rund 79,8 %.
Wird ein neuer Erdgas-Brennwertkessel installiert, so steigt der heizwertbezogene JahresNutzungsgrad auf rund 106 %, dies entspricht einem brennwertbezogenen Jahres-Nutzungsgrad von etwa 96,4 %. Brennwertbezogen ist damit eine Verminderung des Energieverbrauchs auf 79,8 / 96,4 = 0,828 (82,8 %) verbunden. Damit können jährlich 17,2 % Energie
eingespart werden. Statt des jährlichen Gesamt-Heizölverbrauchs von 3860 l/a ergibt sich
ein jährlicher Gesamt-Erdgasverbrauch von rund 3100 m3/a (Erdgas H).
Die jährlichen Emissionen an Kohlendioxid (CO2) gehen nicht nur auf rund 82,8 % zurück,
sondern auf etwa 20/26 x 82,8 % = 63,7 %, weil die auf die freigesetzte Energie bezogenen
CO2-Emissionen (Emissionsfaktor) bei Erdgas niedriger sind als bei leichtem Heizöl (vgl. z.
B. [11]). Bei den Emissionen der Schadstoffe Stickoxide (NOx), Schwefeldioxid (SO2) und
Kohlenmonoxid (CO) zeigt sich das folgende Bild: Hier ergeben sich Rückgänge bei NOx auf
etwa 16,6 %, bei SO2 auf rund 2,4 % und bei CO auf etwa 20,7 %.
ηN (Hi)
ηN (Hs)
Energieverbrauch
Energieverbrauch
CO2Emissionen
NOxEmissionen
SO2Emissionen
COEmissionen
ÖlNiedertemperaturkessel
Baujahr 1982
85 %
79,8
%
3860 l/a
(Heizöl
EL)
100 %
100 %
100 %
100 %
100 %
Neuer ErdgasBrennwertkessel
106 %
96,4
%
3100 m /a
(Erdgas H)
82,8 %
63,7 %
16,6 %
2,4 %
20,7 %
3
Tafel 5: Austausch eines älteren Öl-Niedertemperaturkessels (Baujahr 1982) durch einen neuen ErdgasBrennwertkessel in einem Einfamilienhaus: Auswirkung auf Energieverbrauch und Emissionen
(Angaben in Prozent; Ölkessel: 100 %)
In Bild 19 ist der genannte Energie- und Umweltvergleich graphisch dargestellt.
Den Rechnungen liegen die folgenden Annahmen zugrunde:
-
CO2-Emissionsfaktoren: Heizöl EL: 0,26 kg/kWh, Erdgas: 0,20 kg/kWh;
-
NOx-Emissionsfaktoren: älterer Öl-Niedertemperaturkessel: 200 mg/kWh, Erdgas-Brennwertkessel 40 mg/kWh (vgl. z. B. [9]);
19
-
SO2-Emissionsfaktoren: gemäß S-Emissionsfaktoren bei normalem Heizöl EL von 113,9
mg/kWh (Hs) und bei Erdgas (Mittelwert) von 3,3 mg/kWh (Hs,n) (vgl. [12]);
-
CO-Emissionsfaktoren: älterer Öl-Niedertemperaturkessel: 200 mg/kWh (geschätzt; unterer Wert), Erdgas-Brennwertkessel 50 mg/kWh (Maximalwert für das RAL-Gütezeichen
(Blauer Engel) für Erdgas-Brennwertkessel).
Für den Kesselaustausch und die Installation eines korrosionsbeständigen Luft-AbgasSystems im bestehenden Schornstein sind auch hier Investitionskosten von etwa 6000 bis
7500,- € erforderlich.
Austausch eines älteren Öl-Niedertemperaturkessels (Baujahr 1982)
durch einen neuen Erdgas-Brennwertkessel:
Auswirkung auf Energieverbrauch und Emissionen
(Angaben in Prozent; Ölkessel: 100 %)
100
80
60
40
20
0
Energie
C02
N0x
Älterer Öl-Niedertemperaturkessel (Baujahr 1982)
S02
C0
Neuer Erdgas-Brennwertkessel
Bild 19: Austausch eines älteren Öl-Niedertemperaturkessels (Baujahr 1982) durch einen neuen ErdgasBrennwertkessel in einem Einfamilienhaus: Auswirkung auf Energieverbrauch und Emissionen
(Angaben in Prozent; Ölkessel: 100 %)
In [10] wird auf einen weiteren wichtigen Gesichtspunkt bei der Modernisierung bestehender
Wohngebäude aufmerksam gemacht: auf die sinnvolle Reihenfolge von Sanierungsmaßnahmen.
Werden bei dem gewählten bestehenden Einfamilienhaus zunächst - vor einer Kesselerneuerung - Verbesserungen an der Gebäude-Wärmedämmung (Außenwände, Dach) durchgeführt, so ergibt sich folgendes Bild: Der Wärmebedarf kann um etwa 35 % gesenkt werden; damit vermindert sich die Jahres-Auslastung des alten 30-kW-Öl-Standardkessels von
13,3 auf 8,6%. Die Nennleistung des Heizkessels ist damit etwa 2,5 Mal so groß wie eigentlich erforderlich. Der alte Heizkessel erreicht somit lediglich einen Jahres-Nutzungsgrad von
rund 60 %. Der Ölverbrauch liegt - trotz eines geschätzten Investitionsumfangs für die Gebäude-Wärmedämmung von Außenwänden und Dach von rund 15000 bis 16000 € - bei über
3700 Litern im Jahr.
Erfolgt dagegen eine Verbesserung der Gebäudedämmung erst nach der Installation eines
modernen Brennwertkessels, so führt die Verringerung der Auslastung von 13,3 auf 8,6 %
trotz der dann ebenfalls eingetretenen Überdimensionierung des Heizkessels nicht zu einer
Verschlechterung des Nutzungsgrades (vgl. Bild 15).
Bei einer Heizungsmodernisierung sollte der neue Heizkessel so gewählt werden, dass er
dem tatsächlichen Wärmebedarf entspricht; eine Überdimensionierung ist nicht sinnvoll. Im
aufgezeigten Beispiel wären dies vor einer Durchführung von Wärmedämm-Maßnahmen
etwa 20 kW.
20
5.
Entscheidungshilfen für Zeitpunkt und Reihenfolge einer Modernisierung
Die Frage, wann welche Modernisierungsmaßnahmen sinnvoll und wirtschaftlich sind, lässt
sich nur nach einer genauen Analyse des jeweiligen Gebäudes beantworten.
Grundsätzlich muss gelten:
-
Vorrang hat die wirtschaftlichste Maßnahme.
-
Zuerst sollte diejenige Maßnahme umgesetzt werden, deren Erfolg nicht von anderen
Verbesserungen abhängt.
-
Es sollte immer geprüft werden, ob die Maßnahmen an fällige Renovierungsarbeiten
gekoppelt werden können.
In welcher Reihenfolge sollten Maßnahmen zur Heizungsmodernisierung und zur Wärmedämmung des Gebäudes ergriffen werden, um einen optimalen Nutzen zu erzielen? Zweifellos wird dann die größte Energieeinsparung erreicht, wenn gleichzeitig mit der Heizungsmodernisierung auch die Wärmedämmung verbessert wird. Kann aus finanziellen Gründen
nur eine der Maßnahmen durchgeführt werden, so sollte zuerst der alte Heizkessel ausgetauscht werden.
Bei einer Modernisierung sollten abgestimmte Systemkomponenten verwendet werden, um
einen problemlosen Austausch der alten Anlage sicherzustellen. Hierzu gehören die Regelungstechnik, ein geeigneter Speicher-Trinkwassererwärmer, Sonnenkollektoren zur ergänzenden Trinkwassererwärmung und gegebenenfalls eine kombinierte Nebenluftvorrichtung.
Bild 20: Bei der Modernisierung sollten abgestimmte Systemkomponenten verwendet werden - beispielsweise eine geeignete Regelungstechnik
21
6.
Quellenverzeichnis
[1]:
Geiger, B.; Nickel, M.; Wittke, F.: Energieverbrauch in Deutschland. Brennstoff-Wärme-Kraft (BKW) Bd. 57 (2005), Nr. 1-2, S. 48/56.
[2]:
Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Zahlenmaterial für das Jahr 2003, Berlin 2004.
[3]:
Dehli, M.; Bouse, D.: Moderne energieeffiziente Lüftungsanlagen für gesundes Wohnen. Landesgewerbeamt Baden-Württemberg, Stuttgart 2004.
[4]:
Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energieeinsparverordnung - EnEV)) vom 16.11.2001.
[5]:
Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen - 1. BImSchV) vom 14.3.1997, zuletzt geändert d. G. vom 27.7.2001.
[6]:
Die Energieeinsparverordnung (EnEV): Junkers-Diagrammblätter. Robert Bosch
GmbH, Geschäftsbereich Thermotechnik. Wernau 2002.
[7]:
Die Energie-Einsparverordnung (EnEV). Viessmann Top-Info. Viessmann-Werke, Allendorf (Eder) 2002.
[8]:
Die neue Energieeinsparverordnung kommt Anfang 2002. Der Elektro- und Gebäudetechniker 19/2001. Hüthig- und Pflaum-Verlag, München/Heidelberg 2001.
[9]:
Cerbe, G.; Dehli, M.; Kätelhön, J. E.; Kleiber, T.; Lehmann, J.; Lendt, B.; Mischner, J.;
Mundus, B.; Pietsch, H.; Spohn, D.; Thiele, W.: Grundlagen der Gastechnik. 6., vollständig neu bearbeitete Auflage. Carl Hanser Verlag, München/Wien 2004.
[10]:
Heizungsmodernisierung spart Brennstoff und schont die Umwelt. Fachreihe Heizungsmodernisierung. Viessmann Werke, Allendorf (Eder) 2004.
[11]:
Dehli, M.: Energieeinsparung in Industrie und Gewerbe. Reihe Kontakt und Studium,
Band 535. Expert-Verlag, Renningen 1998.
[12]:
Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251: Kondensate aus Brennwertkesseln. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Hennef 2003.
[13]:
Erdgas - der umweltschonende fossile Energieträger. Bundesverband der deutschen
Gas- und Wasserwirtschaft (BGW). Berlin 2004.
Bilder wurden freundlicherweise von folgenden Firmen und Institutionen zur Verfügung gestellt:
- Bosch Buderus Thermotechnik, Wetzlar
- Bosch Buderus Thermotechnik, Wernau
- Springer VDI Verlag, Energie-Fachmagazin BWK Brennstoff-Wärme-Kraft
- Vaillant GmbH, Remscheid
- Viessmann-Werke, Allendorf (Eder)
- Max Weishaupt GmbH, Schwendi
22