Optimierung von Kleinheizungsanlagen/ Ursachen und Wirkungen

Wie wird die Wärme erzeugt ?

Wenn bei einer Verbrennung der Sauerstoff der Luft mit den „brennbaren" Verbindungen im Brennstoff reagiert (und diese Verbindungen chemisch betrachtet „oxidiert") wird in der Regel Wärme freigesetzt, die wir nutzen können (deswegen wird sie „Nutzwärme" genannt). Dies geschieht hauptsächlich bei den Reaktionen:

• von Kohlenstoff (C) mit Sauerstoff (O) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂)
• von organisch gebundenen Wasserstoffatomen (H) mit Sauerstoff (O) zu Wassermolekülen (H₂O)
• von Kohlenstoff (C) mit Sauerstoff (O) zu Kohlenstoffmonoxid (CO)
• von Schwefel(verbindungen) mit Sauerstoff zu Schwefeldioxid SO₂
• von im Brennstoff enthaltenen leichtflüchtigen Leichtmetallen und Schwermetallen zu Oxiden und Silikaten zu Flugstaub oder Schlacke.
• ein bisschen von Kohlenstoff zu Natriumcarbonat (Na₂CO₃)

Die Umsetzung von Stickstoff (N) aus der Luft mit dem Sauerstoff (O) führt zu Stickoxiden (hauptsächlich NO, NO₂, N₂O, meist NO_x geschrieben), dabei wird aber Energie verbraucht.

Manchmal wird ein Brennsoff unvollständig verbrannt, dann sind im Abgas oder im Verbrennungsrückstand noch Stoffe, die weiterverbrannt werden könnten, beispielsweise wenn Kohlenstoffmonoxid oder Ruß entstehen.

Das chemische Element Wasserstoff (H) ist in vielen Stoffen enthalten, in allen biogenen Materialien und in allen fossilen Brennstoffen (Erdöl bzw. Heizöl, Erdgas, Kohle)

Bei jeder Verbrennung von wasserstoffhaltigen Brennstoffen (Erdgas, Heizöl, Holz, Biogene Materialien, Kohle) entsteht zwangsläufig Wasser, das in den heißen Abgasen verdampft. Diese dafür notwendige Wärmemenge, die Verdampfungswärme des Wassers, wird wieder freigesetzt, wenn der Dampf zu Wasser kondensiert. Genau diesen Effekt macht man sich bei „Brennwertheizkesseln" zu Nutze, indem das Abgas so weit abgekühlt wird, dass der darin enthaltene Wasserdampf kondensiert und die gespeicherte Wärme freisetzt.

Wasserdampf im Abgas kann auch davon herrühren, dass die Brennstoffe oder die Verbrennungszuluft Feuchtigkeit enthielten. Die Kondensation dieser Feuchtigkeit ergibt dabei einen zusätzlichen Energiegewinn. Nach einer Kondensation in einem Wärmetauscher hat das Abgas noch immer eine Restfeuchte. Weil dafür nur die Differenz zwischen Zuluftfeuchte (und Brennstofffeuchte) und Restfeuchte aus dem Brennstoff gespeist werden muss, kondensiert das „Zuviel" mit Wärmegewinn aus. Der Wärmegewinn ist daher umso höher, je feuchter die Zuluft ist. Die durch die Zuluft „eingesparte" Kondensatmenge ist gleich hoch wie deren Wassergehalt. Dampfförmige Feuchte (in der Zuluft) ist aber „wertvoller“ als etwa Holzfeuchte, da zum Verdampfen der Holzfeuchte zusätzliche Wärmeenergie notwendig ist, für den vorliegenden Wasserdampf nicht.

Wenn also

• Wäsche im Heizkeller trocknet und Luftfeuchtigkeit entsteht,
• oder Baufeuchte aus Mauern in die Luft verdunstet,
• oder die Außenluft feucht ist
• oder feuchte Saunaabluft vom Brenner angesaugt wird,

…dann ist diese Luftfeuchtigkeit bei einer Kondensation in einem Brennwertkessel ein Gewinn. Dampf in der Zuluft führt nicht zur Flammenabkühlung und darum nicht zu unvollständiger Verbrennung, flüssige Nebeltröpfchen in der Luft eventuell schon.

(Ganz detailliert: Feuchtigkeit in Erdgas liegt zwar dampfförmig vor, bei der Druckentspannung im Heizkessel sinkt aber der Taupunkt und die Feuchte würde als Wasser ausfallen, wenn das Wasser nicht sofort im Brenner verdampfen würde. Also muss diese Gasfeuchte ebenso wie Holzfeuchte zuerst verdampft werden, was Wärmeenergie bindet. Luftfeuchte kann aus der Luft ansonsten nur kondensiert werden, wenn die Taupunkttemperatur im Wärmetauscher kleiner ist, als der Taupunkt dieser feuchten Luft, ein Fall, der eher selten, nur im Sommer bei feuchter Luft und kaltem Trinkwasser als Wärmetauschermedium vorliegt.)

Bei sonstigen Heizkesseln ist die Verdampfungswärme (auch Verdampfungsenthalpie genannt) des Wasserdampfs, der aus der Oxidation von Wasserstoffatomen des Brennstoffs resultiert, ein Energieverlust (der durch den Schornstein als Wasserdampf entschwindet). Lediglich die Luftfeuchte (in Dampfform) geht ohne Berücksichtigung als Durchlaufposten durch, dieser Luftanteil wird aber mit einem gewissen Wärmebetrag auf die Abgastemperatur erwärmt. Trifft allerdings von den Heizungsrohren abgestrahlte Wärme oder warme Heizraumluft auf eine feuchte Außenwand oder trocknet feuchte Wäsche im Heizkeller, dann wird dort Wasser verdunstet und die Luftfeuchte steigt; diese dafür verbrauchte Wärme ist dann ebenfalls ein Verlust.

Verluste bei der Wärmeerzeugung

Abgasverlust

Der Abgasverlust ist die Wärmeleistung, die ungenutzt mit den Abgasen den Kessel verlässt. Die deutsche Kleinfeuerungsanlagenverordnung definiert im § 2 Abgasverluste als „die Differenz zwischen dem Wärmeinhalt des Abgases und dem Wärmeinhalt der Verbrennungsluft bezogen auf den Heizwert des Brennstoffes“.

Nach § 10 dieser Verordnung dürfen die dort festgelegten Feuerstätten folgende Prozentsätze nicht überschreiten:

Nennwärmeleistung in Kilowatt	Grenzwerte für die Abgasverluste in Prozent
≥ 4 ≤ 25	11
> 25 ≤ 50	10
> 50	9

Zur Ermittlung der Abgasverluste (gemäß Anlage 2 dieser Verordnung) werden beispielsweise bei Gasfeuerungsanlagen „frühestens 2 Minuten nach Einschalten des Brenners“, im Prinzip bei Volllast oder Erreichen der Nennwärmeleistung, in Zuluft und Abgas Temperatur und Sauerstoffgehalt gemessen und daraus die Abgasverluste rechnerisch (!) ermittelt.

Bereitschaftsverlust (auch Bereitstellungsverlust)

Der Begriff „Bereitschaftsverlust“ wird mehrdeutig verwendet und dabei oft verwechselt:

• bei Wasserspeicherkesseln und Heizkesseln, für den feuerungsleistungsbezogenen Wärmeaufwand, der erforderlich ist, um den Kessel auf einer bestimmten Temperatur zu halten, wenn keine Wärmeleistung abgenommen wird.
• bei Heizkesseln für die Wärmeverluste, die bei kurzfristigen Stillständen wiederholt auftreten und sich aufsummieren.

Aus dieser Begriffsverwirrung resultieren Angaben der „Bereitschaftsverluste“ in einem Herstellerdatenblatt von 0,12–0,13 % und „deutlich unter 1 %“bis zu 30 %, 40 % oder 50 %des gesamten Brennstoffverbrauchs bei Jahresnutzungsgraden von „60 bis 80 Prozent“

Kessel-Bereitschaftsverlust

Der Kessel-Bereitschaftsverlust $Q_{B}$ beschreibt den Wärmeverlust eines heißen Warmwasserspeicherkessels; er wird auch für Heizkessel angegeben, um die Auskühlung über die Oberfläche zu quantifizieren. Eine Auskühlung über das Abgas wird dabei nicht erfasst. Standardisiert werden die Wärmeverluste eines Kessels angegeben, der unter Vollast läuft.

Bei einer ganzjährigen Warmwasserbereitung, wenn in 24*365=8760 Stunden der Kessel Wärme bereitstellt, entstünde dann ein theoretischer maximaler Wärmeverlust. Ein Kessel-Bereitschaftsverlust von beispielsweise 100 W ergibt dann im Jahr den theoretischen Wert von 100*24*365= 876.000 Wh oder 876 kWh.

Bereitschaftsverluste im Zuge einer Brennerabschaltung

Diese Wärmeverluste zählen einerseits zu den Bereitschaftsverlusten („Verluste eines Wärmeerzeugers, die außerhalb der Brennerlaufzeit auftreten“) andrerseits auch zu den Abgasverlusten („Wärme, die mit dem Abgas verloren geht“). Diese Diskrepanz führt dazu, dass diese Verluste oft vergessen oder mißgedeutet werden:

• Denn bei der Bestimmung der Kessel-Bereitschaftsverluste werden sie nicht erfasst, diese werden vom Kesselhersteller immer bei Brennerbetrieb unter Volllast oder bei Teillastzuständen gemessen.
• Und bei der Bestimmung der Abgasverluste durch den Schornsteinfeger werden sie nicht erfasst, denn der misst die Abgasverluste im Betrieb des Heizkessels.

Verluste, die nach Brennerabschaltung, während des Brennerstillstands oder in der Brenner-Startphase auftreten, müssen nach den gesetzlichen Vorgaben nicht gemessen oder nachgewiesen werden. Und Sie zuhause können die Verluste nur bemerken, wenn Ihre Heizungsanlage über einen Wärmemengenzähler verfügt und Sie damit die erzeugte bzw. nutzbare Wärme mit dem Brennstoffverbrauch vergleichen, Sie also „Output“ mit „Input“ vergleichen.

Bundesgerichtshof
„„Die DIN-Normen sind keine Rechtsnormen, sondern private technische Regelungen mit Empfehlungscharakter. Sie können die anerkannten Regeln der Technik wiedergeben oder hinter diesen zurückbleiben."“

Quelle: BGH, Urteil vom 14. Mai 1998, Az. VII ZR 184/97, Volltext = Bundesgerichtshof in Zivilsachen BGHZ 139, 16.

Die Wärme geht dabei über die Oberfläche als auch durch den Kaminzug verloren. Wodurch sich die Kessel-Bereitstellungsverluste auch auf die sonstigen Bereitschaftsverluste auswirken. Ist nun bei Geräten (wie beispielsweise Thermen) der Feuerungsraum nicht vollständig von Heizwasser umgeben, gibt er daher mehr Wärme an die Umgebung ab und beide Verlustarten sind daher höher als bei Geräten, die vollständig umschlossen sind.

Wärmeverluste beim Brennerabschaltvorgang

Der Rücklauf ist das zum Heizkessel zurücklaufende Heizungswasser, also das Heizwasser, das in den Wärmetauscher gepumpt wird; der Vorlauf ist das Heizungswasser, das den Heizkessel verlässt.

Wird bei einem Gas- oder Ölbrenner die Brennstoffzufuhr geschlossen, so muss der Brennraum noch einige Sekunden mit Verbrennungsluft gespült werden, um explosive Brennstoffreste auszubringen. Wird bei einem Pelletbrenner die Brennstoffzufuhr gestoppt, so muss so lange Zuluft zugeführt werden, bis der Abbrand erloschen ist. In dieser „Brennerspülzeit“ gibt es laufend Wärmeverluste über das Abgas und nimmt die Wärmezufuhr beim Wärmetauscher schnell ab, umgekehrt kann Wärme durch die kalte Zuluft vom Wärmetauscher abgezogen und ins Abgas ausgetragen werden. Das in den Wärmetauscher nachströmende Rücklaufwasser kühlt infolgedessen ab und verlässt den Heizkessel als durch den Heizkessel abgekühltes Vorlaufwasser, der Heizkessel, der eigentlich heizen sollte, wirkte als „Heizkörper fürs Abgas“.

Die Nachbrennzeit bei Pelletkesseln ist abhängig von der Beschickungsart (Walzenrostsystem, Unterschubfeuerung, Quereinschubfeuerung, Fallschachtfeuerung).

Der Vorlauf hat nun maximal die Temperatur des Rücklaufs oder ist wegen der Brennraumspülung weiter abgekühlt. Strömt nun derart abgekühltes Heizwasser (mit der gegenüber der üblichen Vorlauftemperatur geringeren Temperatur) über einen gewöhnlichen Pufferspeicher in den Heizkreislauf, führt das zuerst zur Störung einer Temperaturschichtung im Pufferspeicher.

Wärmeverluste beim Brennerstillstand

Während des Brennerstillstands kühlt der Heizkessel über die Oberfläche ab und — sofern keine Abgasklappe installiert ist — auch über den Kaminzug oder die Brennraum-Innenluft wird erwärmt und beim Brennerstart ausgespült. Die Innenluft hat wie alle Gase eine geringe Wärmespeicherkapazität und kann auch keine höhere Temperatur bekommen als das umgebende Kesselmaterial.

Bleibt in dieser Zeit die Heizwasserumlaufpumpe in Betrieb, so pendeln sich mangels Wärmenachschub die Temperaturen des Vorlaufs und der Heizkesselmasse auf die (hohe) Temperatur des nachströmenden Rücklaufs ein(der Brenner wird ja abgeschaltet, weil wegen der zu hohen Rücklauftemperatur der Vorlauf die erzeugte Wärmemenge nicht aufnehmen kann und überhitzt). Der Heizkessel gibt seine durch das durchgepumpte Heizwasser laufend ergänzte Wärme durch Abstrahlung oder durch Kaminzug ab bis er neu gestartet wird. In dieser Zeit wirkt er wie ein (nach außen normalerweise gut wärmegedämmter) Heizkörper.

Der Rücklauf hat meist deshalb eine höhere Temperatur, weil die Wärme in den Wohnräumen (wegen geschlossener Thermostatventile) nicht mehr abgenommen wird. Weiterhin umgewälztes Heizungswasser (nunmehr mit der Rücklauftemperatur) würde das auch nicht ändern. Die Rücklauftemperatur sinkt zwar allmählich durch Auskühlung, die Umwälzpumpe verbraucht währenddessen Strom, obwohl nicht viel mehr Wärme abgeführt wird, als wenn das Heizwasser in den Rohren still stehen würde. Das Weiterlaufenlassen der Umwälzpumpe während des Brennerstillstands führt nur zu erhöhtem Stromverbrauch (siehe dazu auch „pulsierende Wärmeabfuhr“ hier im Artikel)

Energieverluste beim folgenden Brennerstart

Vor jedem Brennerstart wird der Brennraum mit Zuluft gespült, um explosive oder brennbare Gase (Brennstoffreste, Kohlenmonoxid, leichtflüchtige unverbrannte Stoffe) hinauszubefördern (um eine Verpuffung dieser Stoffe zu vermeiden). Die Spülluft kühlt auch dabei die Brennerraummasse und den Wärmetauscher ab, diese Wärme geht bei jedem Brennerstart über den Kamin verloren.

Außerdem benötigt jeder Brenner eine gewisse Anlaufzeit bis die Verbrennungsflamme konstant brennt. In dieser Zeit, die je nach Brennstoffart und Brennerbauweise bis zu 6 Minuten dauern kann, wird der Brennstoff nur unvollständig verbrannt, was zu weiteren Energieverlusten führt.

Beispiel:

Jahresheizwärmeverbrauch = 30.000 kWh

Heizleistung des Heizkessels = 15 kW

30.000 / 15 = 2.000 Stunden effektive Heizzeit

Betrieb 9 Monate lang (September bis Mai), an rund 270 Heiztagen.

2.000 Stunden / 270 = 7,4 Stunden pro Tag

Ergebnis: Dieser Heizkessel ist eigentlich nur 7,4 Stunden am Tag in Betrieb, den Rest des Tages „ruht“ er. Tatsächlich

• schaltet er ein, heizt auf…
• schaltet aus, kühlt ab…
• schaltet ein, heizt auf…
• schaltet aus, kühlt ab…
• …

wie man so sagt „er taktet“. Und mit jeder Pause geht Wärmeenergie verloren (bei der Brennerabschaltung, beim Abkühlen, beim Brennerstart).

Nimmt man nun einen „schwächeren“ (oder modulierenden) Heizkessel mit nur der Hälfte der Leistung, also nur 7,5 kW, dann muss dieser Heizkessel die zweifache Zeit in Betrieb sein, um die gleiche Wärmemenge zu erzeugen, also 7,4 * 2 = 14,8 Stunden. Je geringer die Kesselleistung, desto länger arbeitet der Brenner ohne Pausen und desto mehr Wärmeverluste können eingespart werden. Das ist der Grund, warum heutzutage „leistungsmodulierende“ Brenner verwendet werden, bei denen die Leistung im Betrieb vermindert wird (aber auch diese takten öfter).

Wobei der Heizkessel aus dem Beispiel im Mittel 30.000 kWh / 270 = rund 111 kWh Wärme pro Tag erzeugt.

Um 1 Liter Wasser um 1°C zu erwärmen benötigt man 1 kcal Wärme = 0,001163 kWh.

Mit diesen rund 111 kWh des Beispiels können daher 111 / 0,001163 = 95.443 Liter Wasser um 1° C erwärmt werden. Bei einer üblichen „Spreizung“ von 20 Graden, die ein Heizkessel das Rücklaufwasser erwärmt ergibt das 95.443 / 20 = 4.772 Liter. Also dieser Heizkessel muss 4.772 Liter Wasser am Tag um 20° C erwärmen. Ein Pufferspeicher, der 500 Liter Wasser fasst, muss daher 4.772 / 500 = rund 10 mal am Tag erwärmt werden (also mindestens 10 mal Brennereinschaltung), ein Pufferspeicher mit 1.000 Liter Wasser nur rund 4 mal am Tag. Das wäre das theoretische absolute Minimum für den jeweiligen Pufferspeicher (die dazu notwendige Brennerlaufzeit hängt dann von der kW-Leistung des Heizkessels ab, ein stärkerer Kessel heizt kürzer auf). Tatsächlich schaltet der Brenner aber öfter ein (da nicht gewartet wird, bis die Heizwassertemperatur um diese 20 Grad fällt, weil der Einschaltzeitpunkt anders geregelt ist).

Konvektionsverluste

Konvektion ist die Wärmeübertragung durch Ortsveränderung von leichtbeweglichen flüssigen oder gasförmigen Teilchen, beispielsweise Wärmeströme von an heißen Rohren erwärmter Luft oder Wärmeströme von heißem oder kaltem Wasser in stehendem Wasser.

Konvektionsverluste treten auf,

• wenn heiße Heizungsrohre nicht wärmegedämmt sind. Dann wird die Wärme abgestrahlt, aber auch direkt an die vorbeistreichende Luft abgegeben.
• bei allen senkrechten wasserführenden heißen Rohren, in denen das Wasser steht: An der Rohrwandung kühlt das Wasser (auch bei wärmegedämmten Rohren) ab und sinkt nach unten, das heißere Wasser steigt in der Rohrmitte nach oben („Eigenzirkulation“, „In-Rohr-Zirkulation“, „Naturzirkulation“, „Gegenstromzirkulation“, „Mikrozirkulation“, „Konvektionsbremse“). Bei Ziruklationsrohrsystemen verhindert eine Rückschlagklappe die „Schwerkraftzirkulation“. Dieser Effekt tritt auch bei Rohren auf, die von einem Heizkessel oder von einem Pufferspeicher senkrecht oder waagrecht und dann nach oben wegführen oder wenn ein Rohrflansch oder Speicheranschluss, eine Armatur oder Pumpe nicht wärmegedämmt sind und dort Abkühlung möglich ist. Kann dabei das kältere Wasser in den Speicher zurücksinken, kann es — neben der Speicherabkühlung — zu einer Störung der Speicherschichtung kommen. Abhilfe schaffen
  • eine Rückschlagklappe,
  • oder sogenannte „Speicherkessel mit schrägen Stutzen“.
  • oder ein Rohrknie in der Leitung nach unten, auch „Wärmedämmschleife“ oder „Thermosiphon“ genannt (der Begriff „Thermosiphon“ bezeichnet aber auch Solarthermieanlagen, bei denen der Wasserspeicher direkt über dem Kollektor angebracht ist). Für die Tiefe des Siphons wird der drei- bis zwölffache Rohrdurchmesser empfohlen. Der Einspareffekt wird teilweise dadurch zunichte gemacht, dass durch das Siphon die Rohroberfläche verdreifacht wird, sofern das Siphonrohr keine Wärmedämmung aufweist.

Alle Wärmeverluste, die durch Austrag von Wärme durch den Kaminzug erfolgen, sind ebenfalls konvektive Verluste.

„Mischer“ und Mischventile

Existieren zwei Heizstränge, einer mit Radiatoren und einer für eine Fußbodenheizung, dann wird das Vorlaufwasser durch Zumischung mit kühlerem Rücklaufwasser auf die geringere Temperatur für die Fußbodenheizung gebracht. Diese Vermischung stellt keinen Wärmeverlust dar.

Anhebung der Rücklauftemperatur

Die transportierte Wärmemenge ist von zwei Faktoren proportional abhängig: Von der Menge geflossenen Wassers („Massenstrom“) und von der Temperaturspreizung (Differenz zwischen Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur). Je größer die Temperaturspreizung ist, desto weniger umlaufendes Heizwasser benötigt man. Bei einem Massenstrom von 10 Liter pro Stunde an einem Heizkörper (in einem Niedrigenergiehaus mit 3–5 kW Heizlast) ergibt das in Summe 100 Liter pro Stunde. Zum Schutz vor Überhitzung des Kessels muss aber Wärme abgeführt werden. Sind nun alle Thermostatventile geschlossen, wird technisch meist heißes Vorlaufwasser über ein Überströmventil und eine „Kurzschlußleitung“ dem kälteren Rücklaufwasser beigemischt („Rücklaufanhebung“) wodurch bei Brennwertkesseln dann der Brennwerteffekt zunichte gemacht wird). Hat nun ein Gerät laut Herstellerangabe einen Mindestvolumenstrom („Mindestumlaufwassermenge“) von 400 Litern pro Stunde, so fließen im oben angeführten Beispiel 100 Liter pro Stunde über den Heizkreislauf und 300 Liter pro Stunde direkt in den Rücklauf. Wer Kessel oder Heizthermen ohne Berücksichtigung des Mindestvolumenstroms wählt, muss daher durch die Wahl der Heizkörper eine möglichst geringe Rücklauftemperatur erreichen

Eine Rücklaufanhebung bei Brennwertkesseln kann den Brennwerteffekt vermindern oder verhindern. Bei modulierenden Brennwertkesseln führt eine steigende Rücklauftemperatur dazu, dass der Brenner die Leistung reduziert; das bedeutet, „es werden weniger Abgase zuwenig kondensiert“, gleichzeitig vermindert sich der Abgasvolumenstrom und die Wärmetauscherfläche kann nun die Abgase besser abkühlen, die Verluste bleiben begrenzt.

Überströmventil

Kommt der Rücklauf zu kalt zurück (die Spreizung wird zu groß), dann könnte bei Nicht-Brennwertkesseln die Temperatur des Abgases zu niedrig werden und könnten saure Kondensate den Kesselwerkstoff korrodieren oder es tritt unvollständige Verbrennung ein. Auch um das zu verhindern erfolgt automatisch eine Rücklauftemperaturanhebung über ein Überströmventil.

Wirkungsgrade

Der Wirkungsgrad ist allgemein das Verhältnis von abgegebener Leistung ($P_{\mathrm {ab} }$ = Nutzleistung) zu zugeführter Leistung ($P_{\mathrm {zu} }$). Die dabei entstehende Differenz von zugeführter und abgegebener Leistung wird als „Verluste“ oder genauer „Verlustleistung“ bezeichnet.

Der Feuerungstechnische Wirkungsgrad

Der (feuerungstechnische) Wirkungsgrad beinhaltet nur die Verluste bei laufendem Brenner. Da in einem Jahr (24*365=8.760 Stunden) jedoch nur Brennerlaufzeiten von etwa 1.500–1.800 Stunden erreicht werden und der Brenner die restliche Zeit (etwa 6.960 Stunden, knapp viermal so lang) steht und in Schaltpausen Wärme verliert, ist eine Wirkungsgradangabe stets nur eine Momentaufnahme.

Der Norm-Nutzungsgrad oder Jahresnutzungsgrad

Für die Bewertung der Gesamteffizienz ist der Normnutzungsgrad oder Jahresnutzungsgrad wichtiger als der Feuerungstechnische Wirkungsgrad. Der Jahresnutzungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen bereitgestellter Nutzwärme eines Jahres zur aufgewandten eingesetzten Brennstoffmenge. Dabei werden nicht nur die Verluste, die bei laufendem Brenner auftreten, sondern auch alle anderen Verluste („Bereitstellungsverluste“, „Stillstandsverluste“, etc.) berücksichtigt. Ein individuell ermittelter Jahresnutzungsgrad eines aufgestellten Kessels ist daher immer niedriger als der auf einem Prüfstand unter Volllast gemessene Anlagenwirkungsgrad.

Mengenstromdiagramm der Wirkungsgrade

Wirkungsgrade bei einem Heizkessel
( Sankey-Diagramm )

Gesamt zugeführte Energiemenge (Brennwert, Brennstoffeinsatz)
Heizwert gleich 100%
Der „Feuerungstechnische Wirkungsgrad“ wird bezogen auf den HeizwertD) $\eta _{F}=$100%Heizwert - %Abgasverluste „fühlbare Wärme“				% Abgas- verlusteA)	% Abgas- verlusteA)
% Bereitschafts- verlusteB)		Jahresnutzungsgrad des Kessels ohne BrennwertnutzungE) $\eta _{B}=$100%Heizwert - %Abgasverluste „fühlbare Wärme“ - %Bereitschaftsverluste		fühl- bare Wärme	latente Wärme
Kessel qB-Wert Anm.X)	Betrieb     Anm.Y)
		% Verteilungs- verluste>C)	Jahresnutzungsgrad der Gesamtanlage ohne Brennwertnutzung $\eta _{G}$ = Vorlage:Zeile
Verluste			Effektiv nutzbare Wärmemenge ( „Nutzwärme“ ) ohne Brennwertnutzung	Verlust	Verlust
Verluste			Effektiv nutzbare Wärmemenge bei einem Brennwertkessel		+ Kon- den- sations- wärme des Wasser- dampfs
A) Abgasverluste: fühlbare Wärme + latente Wärme des Abgases, siehe dazu auch Abgasmessung B)Bereitschaftsverluste oder Stillstandsverluste: Wärmeabstrahlung des Kessels, Kaminzug bei Brennerabschaltung, Brennerspülungen, Anfahrverluste C) Verteilungsverluste: Wärmeabstrahlung durch Heizungsrohre ohne Wärmedämmung, Wärmeabgabe der Rohre an Luft und Mauerwerk D) Der feuerungstechnische Wirkungsgrad zeigt, wieviel der eingesetzten Wärme nicht ins Abgas gelangt E) Der Jahresnutzungsgrad des Kessels zeigt, wieviel der eingesetzten Wärme der Kessel zur Nutzung weiterschickt X) Die Bereitschaftsverluste (= Abstrahlverluste) eines Kessels sind abhängig von der Oberfläche und demgemäß bei unterschiedlichen Fabrikaten, Typen und Größen der Kessel verschieden, sie sind ein Qualitätskriterium anhamd dessen Kesseltypen unterschieden werden können Y) Die Bereitschaftsverluste beim Betrieb eines Kessels sind von Anzahl und Länge der Stillstandszeiten abhängig und können durch geeignete Heizungsregler minimiert werden.

Hohe Verluste bei alten Ölheizkesseln

Wirkungsgrade bei einem Heizkessel
( Sankey-Mengenstromdiagramm )
(die Breite der Spalten entspricht nicht maßstabsgetreu den Prozentwerten )

Brennstoffeinsatz = Brennwert
$100\%$ Heizwert					$6\%$
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad $\eta _{F}=90$				$10\%$ Abgas- verlusteA)	Abgas- verlust (Wasser- dampf)
$50\%$ BereitschaftsverlusteB)		Jahresnutzungsgrad des Kessels ohne BrennwertnutzungE) $\eta _{K}=40\%$		fühl- bare Wärme	latente Wärme
$10\%$ Kessel	$40\%$ Stillstands- verluste	$5$ % Verteilungs- verluste>	Jahresnutzungsgrad der Gesamtanlage ohne Brennwertnutzung $\eta _{G}=35\%$
Verluste			$35\%$ C) effektiv nutzbare Wärmemenge ( „Nutzwärme“ ) ohne Brennwertnutzung	Verlust
Verluste			$33\%$ wenn der Brennwert 100% ist	Verlust	Verlust
A) Zulässiger maximaler Abgasverlust 11% laut Bundesimmissionsschutzgesetz B)################### „Im Jahresverlauf der Wohnungsheizung geht der Bereitschaftsverlust gut 6mal so stark in den Kessel-Nutzungsgrad ein wie der Abgasverlust.“ C) andere Datenquellen: alte Kessel aus den 60er und 70er Jahren zwischen 40 % und 80 % Nutzwärme, Heizkessel aus den 80er Jahren Werte von 30 % bis ungefähr 60 %.

Umrechnung von Heizwert auf Brennwert

Rechenbeispiel für die Umrechnung von Heizwert auf Brennwert
für einen Gas-Brennwertheizkessel

8000 kWh/a Nutzenergie plus Verteilverluste (müssen erzeugt werden)	Heizwert	Brennwert
Endenergie (wird zugeführt)	7.800 kWh/a	7.800 kWh/a * 1,11 ( * 1,06 bei Heizöl) = 8.658 kWh/a
Nutzungsgrad des Erzeugers	8.000 / 7.800 = 1,025 (102,5 %)	8000 / 8658 = 0,924 (92,4 %)
Erzeugerverluste	(7800 – 8000) kWh/a = - 200 kWh/a	(8658 – 8000) kWh/a = 658 kWh/a

Wärmeverluste im Zuge der Speicherung der Nutzwärme

Je höher die Kesselbetriebstemperaturen, desto größer sind die Kesselabstrahlverluste.

Des Weiteren gibt es Bereitschaftsverluste (auch Bereitstellungsverluste genannt) nach der Wärmeerzeugung:

• die Abkühlung des Materials von Pufferkessel und Verrohrungen während einer Nachtabsenkung
• durch Wärmeübergang (Abstrahlung, Konvektion) von allen heißen Bauteilen in den Heizraum
• durch Abkühlung des Heizkessels, indem kalte Zuluft in den Schornstein durchzieht (Kaminzug), sofern nicht eine Zuluftklappe oder eine Klappe beim Abgasrohr dies vermindert oder verhindert. Bei in Wohnräumen aufgestellten Kachelöfen oder Kaminöfen wird dabei sowohl der heiße Brennraum abgekühlt, als auch zugleich warme Raumluft aus dem Wohnraum gesaugt.
• Durch Weiterlaufenlassen der Heizkreispumpe während des Auskühlens des Heizkessels. Dadurch wird das heiße Wasser aus den Wohnungsheizkörpern abgepumpt (und dieses „heizt“ den abkühlenden Heizkessel, der dadurch zum „Heizkörper“ wird) und zugleich wird abgekühltes Vorlaufwasser aus dem abkühlenden Heizkessel in die Heizkörper gepumpt. Das Wasser, das eigentlich in den Heizkörpern auskühlen sollte,…
  • …wärmt die Heizungsrohre (Verluste) in Rohrleitungsnetz
  • …wärmt den Heizkessel (Verluste)
  • …und fließt womöglich zu warm in einen Pufferspeicher zurück und zerstört dort die Temperaturschichtung.
• durch Konvektionsverluste (sieheoben).
• Bereitschaftsverluste sind bei größeren Kesseln höher als bei kleinen Kesseln, bei einer Überdimensionierung des Kessels nimmt das Verhältnis von Bereitschaftsverlust zu Nutzenergie zu, der Nutzungsgrad sinkt.
• Verteilungsverluste zwischen Heizkessel und Heizkörpern

Wärmeverluste bei Kleinheizungsanlagen
bei der Speicherung von Nutzwärme

Energie-Teilstrom (Verlustquelle)		quantifizierbare Menge	Gegenmaßnahme
Verluste anstelle der Erzeugung von Wärme
Quelle	Verlust	Menge	Abhilfe

??? ^A) = Daten unbekannt oder noch nicht für Wikipedia recherchiert

Verteilungsverluste

Heizungsrohre verteilen das in der Zentralheizungsanlage erzeugte Warmwasser im Haus, Lüftungsanlagen erwärmte Luft. Um zu vermeiden, dass dabei unbenutzte Räume zu stark aufgeheizt werden und die nötige Wärme die Wohnräume nicht mehr erreicht, werden Heizungsrohre mit einer Wärmedämmung versehen. Die Rohrdämmung sollte „mindestens so dick wie der Innendurchmesser des Rohres“ und lückenlos und enganliegend sein.

Sonstige Energieverluste bei Heizungsanlagen

Für den Jahresnutzungsgrad ( = wieviel von der im Energieträger gespeicherten Energie auch tatsächlich in einer kompletten Heizperiode sinnvoll genutzt werden kann) ist auch die Überwärmung des Gebäudes durch mangelnde Regelbarkeit des Heizungskessels maßgeblich

Wegen des fehlenden „hydraulischen Abgleichs“ aller Heizkörper wurde in der Vergangenheit eher eine stärkere Heizungsumwälzpumpe eingebaut, als den Abgleich vorzunehmen. Zu starke Pumpen gelten als Zitat Stromfresser (es gibt Heizungspumpen von Energieeffizienzklasse A bis G !).

Größenordnungen der Wärmeverluste

Für die Anlagen-Aufwandszahl oder Energie-Aufwandszahl (nach DIN 4701 und Energieeinsparverordnung) wird die gesamte Kette der Energiegewinnung, von der Förderung über Veredlung (in einer Raffinerie), Transport, Energieumwandlung, Wärmeverteilung berücksichtigt.

Zwar wird jedes Detail des Heiztechnikenergiebedarfs einbezogen (die Energiemengen, die für den Betrieb des Heizsystems notwendig sind, wie Energie für Umlaufpumpen der Zentralheizung, Zündenergien bei Elektrozündung, Gebläse der Feuerung bei Holzvergaser und Pellets, Motor des Förderers bei Pellets und Hackschnitzel, Steuerelektronik, usw. ), weil aber für Heizung, Warmwassererzeugung und Lüftung auf Herstellerangaben zurückgegriffen wird werden die mitunter viel größeren Stillstandsverluste aus der Praxis (die auch bei Neubauten gar nicht bekannt sein können) gar nicht miterfasst.

Um die Größenordnungen von Wärmeverlusten oder eine Anlagenaufwandszahl in Einzelfällen überhaupt bestimmen zu können, sind Wärmemengenzähler auch bei Einzelheizungen nötig. Das Fehlen solcher Wärmemengenzähler, besonders bei Einfamilienhaus-Heizungen, verhinderte das Erkennen der Stillstandsverluste. Erst der Vergleich zwischen eingesetzter Energie und nutzbarer Wärme bringt Klarheit über die Verluste.

Übersicht über die Größenordnungen der Wärmeverluste
bei Kleinheizungsanlagen ( quantitative Schätzungen )

Energie-Teilstrom (Verlustquelle)		quantifizierbare Menge	Gegenmaßnahme
Verluste anstelle der Erzeugung von Wärme
Abgasverluste	Der größte Anteil an Wärmeverlusten geht bei Öl- Gas- und Biomassekesseln mit dem abströmenden Rauchgas verloren		Verminderung des Taktens, Einbau einer Abgasklappe und eines Zugbegrenzers, Einsatz von Brennwertkesseln
Verlustart	Quelle	Menge	Abhilfe
Verlustart	Quelle	Menge	Abhilfe

In der Fachliteratur und in Veröffentlichungen sind unterschiedliche Beurteilungen der Bereitschaftsverluste zu finden.

Je nach Datenquelle und Brennstoff von „deutlich unter 1%“ bis zu 30 %, 40 %,(Öl 50 %des gesamten Brennstoffverbrauchs

Zu einem gegenteiligen Ergebnis kommt eine Studie: Verluste durch vor- und gegebenenfalls Nachspülzeiten wären bei „hochwertigen Gas-Brennwertthermen“ vernachlässigbar.

OPTIMUS-Studie

Bei dem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten OPTIMUS-Programm wurden Einsparpotentiale bei 92 Gebäuden im Raum Norddeutschland bei Ein- und Mehrfamilienhäusern in der Praxis ermittelt und die Wärmeverluste anschließend mit einem eingeschränkten Leistungskatalog minimiert. Die untersuchten Objekte hatten im Wesentlichen

• eine Überdimensionierung der Wärmeerzeugerauslegung um etwa 1,8 bezogen auf die nötige Gebäudeheizlast
• eine Leistungsüberdimensionierung der Pumpen von etwa 3 bezogen auf die ausreichende elektrische Auslastung
• eine überdimensionierte Heizkörpernormleistung von etwa 1,7 bezogen auf die effektive Raumheizlast.

Bei dieser Untersuchung zeigte sich, dass das Verschwendungspotential bei der Heizung (!) umso höher ist, je besser (!) die Gebäude wärmegedämmt oder luftdicht sind. Wegen des guten Baustandards besteht eine geringerer Wärmebedarf als die installierten Heizungen liefern, die Geräte takten öfter und haben höhere Sillstandsverluste . Bei schlecht wärmegedämmten Gebäuden gibt es einen hohen Wärmebedarf, denn die nötige Wärme wird „weggekühlt“ (die Wärmeverluste fließen über die Mauern und andere Bauwerksteile ab), die Folge: die Geräte takten weniger oft.

Die Gegenmaßnahmen waren (2003) mit Aufwänden von € 2,- bis € 7,- pro Quadratmeter Wohnfläche vergleichsweise kostengünstig.. Die Erfolge der beim OPTIMUS-Projekt verbesserten Einzelheizungen, hochgerechnet auf die gesamte Bundesrepublik Deutschland ergaben ein Einsparungspotential zwischen 20.000 und 28.000 GWh pro Jahr , (zum Vergleich: das Kernkraftwerk Brokdorf speiste im Jahr 2010 11.360 GWh elektrischen Strom ins Netz ein)

Durchgeführt wurden lediglich:

• Voreinstellung von Thermostatventilen zur Durchflussbegrenzung,
• Einstellungen der Heizungsumwälzpumpen
• Einstellung der Heizungsregelungen

Studie über Gas-Brennwertthermen

Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt die Studie von Joachim Böwe über Gas-Brennwertgeräte im Auftrag eines Geräteherstellers: Untersuchung zur Reduzierung des Energieaufwandes einer Gas-Brennwerttherme unter verschiedenen Lastbedingungen:

• „nicht abgeglichene hydraulische Systeme,
• überdimensionierte Pumpen,
• durchlaufende Zirkulationspumpen
• und vor allem mangelhaft oder falsch eingestellte Regelparameter der Heizungsregelung

führen zu deutlich höheren Energieverbräuchen als ein taktendes [hochwertiges Gas-] Brennwertgerät auch unter ungünstigen Bedingungen je erzeugen könnte“ .

Für diese Studie wurden modulierende Gas-Brennwert-Heizkessel der neuen Generation verglichen. Die Ergebnisse sind mit Vorsicht zu genießen

• die Studie lief im Auftrag eines Heizkesselherstellers, dessen Brennwertkessel nur ein geringes Modulationsverhalten schaffen und zufällig erreichte der Kessel des Studienfinanciers das beste Ergebnis
• eine Untersuchung mit nur 3 Geräten hat wirklich wenig Aussagekraft.

Einzelnachweise

Nichtwissenschaftliche Quellen und Erfahrungsberichte aus der Praxis

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