Brennwerttechnik

Nutzungsgrade und Erhöhung der Umweltfreundlichkeit
Schematische Darstellung eines Gas-Brennwertgerätes
Schematische Darstellung eines Gas-Brennwertgerätes

Umweltbelastungen aus dem Heizbetrieb lassen sich nur verringern, wenn durch bessere Nutzungsgrade bei der Wärmeerzeugung weniger Brennstoff verbraucht wird. Verbesserungen sind bei der konventionellen Heiztechnik aber nur begrenzt möglich. Eine merkliche Verbesserung lässt sich durch die Brennwerttechnik erreichen, welche die latente Wärme des Wasserdampfes in den Rauchgasen nutzt und zusätzlich den Rauchgasen auch fühlbare Wärme entzieht.

Bei normalen Heizungen und auch bei Niedertemperaturkesseln entweicht mit den Rauchgasen die im Wasserdampf enthaltene Verdampfungswärme. Die Rauchgase werden nämlich nur so weit abgekühlt, dass sie ohne Kondensation durch die Abgas-führung abziehen.

In den Rauchgasen ist je nach Brennstoff neben Kohlendioxid Wasser in Form von Dampf enthalten. Bei der Verbrennung von Erdgas entstehen 1,5 Liter Wasser in Dampfform je m³ Erdgas, bei Heizöl sind es 0,9 Liter Wasser pro Liter Öl. Dieser Dampf enthält relativ viel Wärme; so wird 0,1 kWh benötigt um 1 Liter Wasser von 10 °C auf 100 °C zu erwärmen und weitere 0,6 kWh (Verdampfungswärme) sind erforderlich um dieses 100 °C heiße Wasser in Dampf zu verwandeln.

Brennwertgeräte nutzen, zumindest teilweise, die in den Rauchgasen enthaltene Verdampfungswärme und entziehen den Rauchgasen zusätzlich mehr fühlbare Wärme, da sie die Rauchgase stärker abkühlen als normale Niedertemperaturkessel. Die in den Rauchgasen als fühlbare Wärme enthaltene Energie bezeichnet man als Heizwert HU eines Brennstoffs.

Bei Abkühlung der Rauchgase wird die Taupunkttemperatur unterschritten, und der enthaltene Wasserdampf kondensiert an den Heizflächen. Bei der Kondensation gibt der Wasserdampf Verdampfungswärme (latente Wärme) ab. Fühlbarer und latenter Wärmeinhalt zusammen werden als Brennwert Ho bezeichnet. Heizwert und Brennwert für Erdgas und Heizöl sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Aufgrund des großen Anteils von Wasserstoff im Erdgas (Methan CH4) ist die Wasserdampfmenge in den Rauchgasen relativ groß und der Brennwert um rund 11 % höher als der Heizwert. Die Brennwerttechnik ist daher vor allem bei Erdgas sinnvoll. Auch ist die Taupunkttemperatur bei Heizöl niedriger als bei Erdgas, sodass die Brennwertnutzung beim Heizöl erst bei niedrigeren Temperaturen einsetzen kann. Neben Brennwertgeräten mit Gasbrennern, die meist als atmosphärische Brenner betrieben werden, werden auch Brennwert-Kessel mit Ölbrennern angeboten.

Der Nutzungsgrad von Niedertemperaturkesseln ist stets kleiner als 100 %, da den Rauchgasen nicht die gesamte fühlbare Wärme entzogen werden kann. Für den direkten Vergleich mit Brennwertgeräten bezieht man die im Brennwertbetrieb erhaltene Nutzwärme (fühlbare Wärme + Kondensationswärme) auf den Heizwert HU und erhält für Brennwertgeräte somit Nutzungsgrade von über 100 %.

Erdgas
kWh/m³

Erdöl EL
kWh/l

Brennwert Ho

10,3

10,6

Heizwert Hu

9,3

10,0

Ho / Hu

1,11

1,06

Abgas Taupunkt (°C)

56

47

Kondenswassermenge (kg/kWh Hu)

0,16

0,09

Der Nutzungsgrad eines Gas-Brennwertgerätes steigt mit abnehmender Abgastemperatur an. Erst bei einer Abkühlung der Rauchgase unter 56 °C kommt es zur Kondensation und damit zur Nutzung der Verdampfungswärme (siehe Grafik). Der leichte Anstieg des Nutzungsgrades vor Beginn der Kondensation beruht darauf, dass den Rauchgasen mehr fühlbare Wärme entzogen wird.

Zusammenhang zwischen Abgastemperatur und Nutzungsgrad
Zusammenhang zwischen Abgastemperatur und Nutzungsgrad

Die Funktion der Brennwertgeräte gleicht denen der Niedertemperaturkessel mit der Ausnahme, dass ein zusätzlicher Wärmetauscher nachgeschaltet ist. Am ersten Wärmetauscher (Heizflächen des Niedertemperaturkessels) werden die Rauchgase auf Temperaturen abgekühlt, die noch oberhalb des Taupunkts liegen. Am zweiten Wärmetauscher werden die Rauchgase unter den Taupunkt abgekühlt, sodass es zur teilweisen Kondensation des im Rauchgas enthaltenen Wasserdampfes kommt. In den modernen Brennwertgeräten sind die beiden Wärmetauscher konstruktiv zu einem zusammengefasst. Da das Kondenswasser leicht sauer ist, bestehen die Wärmetauscher aus Aluminiumlegierungen oder aus Edelstahl.

In welchem Umfang die Verdampfungswärme eines Brennwertgerätes genutzt werden kann, hängt von der Rücklauftemperatur des Systems ab. Bei guten Wärmetauschern liegt die Abgastemperatur ca. 10 °C bis 15 °C höher als die Rücklauftemperatur. Da die Brennwertgeräte wie Niedertemperaturkessel mit gleitender, nach Außentemperatur geregelter Kesseltemperatur betrieben werden, ändert sich die Rücklauftemperatur während eines Jahres ständig. Die Rücklauftemperatur sollte daher so niedrig sein, dass im größten Teil der Heizperiode Wasserdampf aus dem Rauchgas kondensieren kann, um die Verdampfungswärme zumindest teilweise zu nutzen.

Am günstigsten verhalten sich Heizungsanlagen, deren maximale Vorlauftemperatur bei ca. 55 °C liegt, weil dann die maximale Rücklauftemperatur ca. 40 °C beträgt, und somit während der gesamten Heizperiode Verdampfungswärme entzogen werden kann.

Bei Heizsystemen mit einer Vorlauf-/Rücklauftemperatur von 70/50 ermöglichen noch einen kondensierenden Betrieb während der meisten Zeit, sodass ca. 90% der benötigten Heizwärme im Brennwertbetrieb erzeugt werden.

Brennwertgeräte werden wie konventionelle Heizkessel an das Heizsystem angeschlossen. Das muss aber an die Besonderheiten der Brennwerttechnik angepasst werden. So ist eine Temperaturdifferenz von 20 °C zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur anzustreben, was u. a. bedeutet, dass ein 4-Wege-Mischer durch einen 3-Wege-Mischer ersetzt, und ein Überströmventil durch eine drehzahlgeregelte Pumpe ersetzt werden muss. Weiterhin ist zu beachten, dass ein zu hoher Luftüberschuss die Abgasverluste erhöht und die Abgase verdünnt, wodurch die relative Feuchte der Abgase sinkt und die Kondensation erst bei noch niedrigeren Temperaturen einsetzt. Für die Brauchwassererwärmung empfiehlt sich ein Speicher, der über einen Wärmetauscher (z. B. Plattenwärmetauscher) beheizt wird.

Bei den herkömmlichen Wärmeerzeugern werden die Abgase durch den Zug im Schornstein abgeführt, der sich auf Grund des Auftriebs der heißen Rauchgase bildet. Dabei ist der Querschnitt des Rauchrohrs so bemessen, dass eine Kondensation sicher vermieden wird. Bei Brennwertgeräten entsteht kein Zug, sodass die Rauchgase durch ein Gebläse hinaus befördert werden müssen. Die Abgasleitungen für Brennwertgeräte müssen daher so dicht sein, dass sie mit „leichtem" Überdruck betrieben werden können und weder Abgas noch Kondensat austreten kann. Rings um die Abgasleitung muss eine Hinterlüftung vorhanden sein.

Da Brennwertgeräte den Rauchgasen die Verdampfungswärme teilweise entziehen fällt leicht saures bis saures Kondenswasser im Brennwertgerät und im Rauchrohr an. Der pH-Wert beträgt bei Erdgas ca. 3,5 bis 5,5, bei Heizöl wegen des Schwefelgehalts ca. 1,5 bis 3,5. Der pH-Wert von Regenwasser liegt zwischen 4,0 und 5,5, der von Haushaltsessig bei 3.

Die anfallende Kondenswassermenge beträgt bei einem mit Erdgas betriebenen Brennwertgerät von 15 kW und 1600 Betriebsstunden rd. 3 m³, bei Heizöl rd. 1,7 m³.