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Fachbegriffe


Abgasverlust

Die Wärmeerzeugung durch Verbrennung im Heizkessel läuft nicht ohne energetische Verluste ab. Neben dem Auskühlverlust über die Kesseloberfläche gehört der nur während der Brennerlaufzeiten auftretende Abgasverlust zu den beiden energetischen Verlustarten des Heizkessels. Der Abgasverlust wird vom Bezirksschornsteinfegermeister mit der jährlich stattfindenden Abgasmessung kontrolliert und fließt in die Bestimmung des Wirkungsgrades des Heizkessels ein.

Die 1. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (1. BImSchV) legt für die verschiedenen Kesselgrößen und Installationszeitpunkte maximale Grenzwerte fest, z.B. 12% für Heizkessel mit 4 bis 25 kW Leistung, die ab dem 01.10.1988 errichtet wurden. Ab 01.11.1998 gilt für Heizkessel derselben Leistung ein Grenzwert von 11%. Moderne Heizkessel weisen selten Abgasverluste von mehr als 7 bis 8% auf.





Anlagenwirkungsgrad

Der Anlagenwirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der aus dem Brennstoff gewonnenen Wärme über die Heizflächen tatsächlich genutzt werden kann. Er berücksichtigt auch die Verteilungsverluste von Rohrleitungen und Armaturen.


Auskühlverlust

Der Kessel hat einen Auskühlverlust, wenn das Kesselwasser über Umgebungstemperatur angehoben ist.

Der Auskühlverlust wird deshalb von der Betriebstemperatur, der Kesselkonstruktion, insbesondere der Baugröße, der geometrischen Form und der Qualität der Wärmedämmung bestimmt. Er fließt mit dem Abgasverlust in die Bestimmung des Wirkungsgrades und Nutzungsgrades ein.

Auf den jährlichen Betriebszeitraum hochgerechnet, macht der Auskühlverlust neuer Heizkessel etwa 2 bis 4 Prozent des Brennstoffverbrauchs aus, bei älterer Bauart dagegen bis zu 20 Prozent.

Brennstoff

In Zentralheizungsanlagen wird heute vorwiegend Heizöl oder Erdgas als Brennstoff verwendet. Daneben werden Fernwärme, Strom und Kohle sowie regenerative Energieträger (z. B. Solarenergie) eingesetzt.

Die Eigenschaften der Brennstoffe resultieren aus ihrer chemischen Zusammensetzung. Die wesentlichen Bestandteile der Brennstoffe Erdgas und Heizöl Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und bei Heizöl zusätzlich noch in geringen Mengen Schwefel (S) werden bei der Verbrennung oxidiert, d.h. sie verbinden sich mit dem Luftsauerstoff (O) zu Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und bei Heizöl zusätzlich noch zu Schwefeldioxid (SO2). Bei dieser chemischen Reaktion wird Wärme frei, die etwa zur Hälfte unmittelbar von der Flamme an den Brennraum abgestrahlt wird. Die andere Hälfte ist in den heißen Verbrennungsgasen (Heizgasen) als fühlbare (sensible) Wärme gespeichert. Der hierbei in den Heizgasen enthaltene Wasserdampf stellt durch die gespeicherte Verdampfungswärme ein besonderes Energiepotential dar, das als latente Wärme bezeichnet wird.

Aufgrund der bei der Kondensation von Heizgasen aus Ölfeuerungen freiwerdenden Schwefelsäure (Schwefeldioxid im Abgas), den damit verbundenen Problemen bei der Wahl des Heizkesselwerkstoffes sowie dem geringeren Unterschied von Brennwert zu Heizwert findet die Brennwertnutzung heute fast ausschließlich bei Gasfeuerungen Anwendung.

Zusammensetzung
Heizöl
Erdgas E
Gew.-%
Kohlenstoff (C)
86
Wasserstoff (H)
13
Stickstoff (N)
0,5
1
Schwefel (S)
0,3
Methan (CH4
93
Kohlenwasserstoffe (CxHy)
5

 

Brennwert

Der Brennwert bezeichnet die bei vollkommener Verbrennung eines Brennstoffes, z. B. Erdgas oder Heizöl freiwerdende Energie einschließlich der im Wasserdampf gespeicherten Kondensationswärme. Bei Brennwert-Nutzung wird der in den Heizgasen enthaltene Wasserdampf im Unterschied zur Heizwert-Nutzung des Brennstoffes vollständig oder teilweise kondensiert und damit als Heizwärme genutzt. Mit Heizgas bezeichnet man die zur Heizwassererwärmung genutzten gasförmigen Verbrennungsprodukte. Sie werden mit Temperaturen nur wenig oberhalb der Heizwasserrücklauftemperatur (ca. 25 bis 60°C) in den Schornstein abgeführt.

Brennwert
Heizöl
Erdgas E
kWh/l (Heiöl)
10,4
kWh/m³ (Erdgas)
11,5

 

In Deutschland wird die Energieausnutzung eines Heizkessels immer auf den Heizwert bezogen. Ein Kessel, der den Brennwert nutzt (Brennwertkessel), kann somit Zahlenwerte für den Nutzungsgrad größer 100% erreichen.

Bei vollständiger Brennwertnutzung z. B. für Erdgas H 11,5/10,4 = 110,6%.

Brennwertkessel

Der Brennwert-Heizkessel arbeitet wie auch der Niedertemperatur-Kessel mit gleitender Betriebstemperatur, wobei die Kondensation des im Heizgas enthaltenen Wasserdampfes nicht unterbunden, sondern bewusst gefördert wird.

Es wird damit nicht nur die sensible (fühlbare), sondern auch die latente (im Wasserdampf gebundene) Energie des Brennwertes zur Heizwassererwärmung im Kessel genutzt. Die Höhe dieses Anteils ist abhängig vom Brennstoff und macht für Heizöl ca. 6% und für Erdgas fast 11% der im Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie aus. Wie viel letztendlich wirklich durch Kondensation an latenter Wärme gewonnen wird, hängt von den tatsächlich herrschenden Betriebsbedingungen und damit zu einem großen Teil von den Betriebstemperaturen ab.

Zeigt der Niedertemperatur-Heizkessel am durchschnittlichen Arbeitspunkt einen Nutzungsgrad von ca. 92%, so erreichen Brennwert-Heizkessel mit der Heizkurve 75/60°C ca. 105% und mit der Heizkurve 40/30°C bis 109%. Die Technik des Brennwert-Heizkessels ist vor allem auf niedrige Abgastemperaturen (möglichst unter 55°C) und die damit verbundene hohe Kondensatausbeute ausgerichtet. Dem Abgasverlust von 7 bis 8% (sensibel) plus 11% (latent) des Niedertemperatur-Heizkessels stehen nur noch 2 bis 5% des Brennwertkessels gegenüber.





Emissionen

Bezeichnung von Verbrennungsprodukten, die mit den Abgasen über das Abgassystem bzw. den Schornstein in die Atmosphäre gelangen und dort entweder unmittelbar oder über längere Zeiträume wirksam sind. Unterschieden werden vermeidbare und zwangsläufige Verbrennungsprodukte.

Als zwangsläufige Verbrennungsprodukte bezeichnet man hierbei die bei dem Verbrennungsprozess entstehenden Verbindungen der in den Brennstoffen Heizöl und Gas enthaltenen Hauptbestandteile, Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) mit dem Luftsauerstoff (O). Die Menge dieser so entstandenen Reaktionsprodukte Kohlendioxid und (CO2) Wasserdampf (H2O) ist jeweils abhängig von der Brennstoffart und der Anteile von Kohlenstoff und Wasserstoff.

CO2 ist in großen Mengen im Wasser der Weltmeere gelöst und als Spurengas in der Atmosphäre nachweisbar, wo es als sog. "Treibhausgas" wirkt und die kurzwellige Sonnenstrahlung ungehindert die irdische Lufthülle passieren lässt, was zu einer Erwärmung der Erdoberfläche führt. Die hieraus resultierende langwellige Wärmestrahlung wird von der Erde in den Weltraum abgestrahlt, jedoch teilweise auch vom CO2und vom Wasserdampf absorbiert und in eine Eigenerwärmung und damit in einen Temperaturanstieg der Atmosphäre umgesetzt. Der so den Treibhaus-Effekt verstärkende CO2-Ausstoß entsteht jedoch zwangsläufig bei einer Verbrennung und kann nur durch einen reduzierten Brennstoffverbrauch herabgesetzt werden.

Als vermeidbare Verbrennungsprodukte bezeichnet man z. B. Ruß, Kohlenmonoxide (CO) und Stickoxide (NOx). Sie entstehen aufgrund bestimmter Verbrennungsbedingungen und sind damit beeinflussbar. Während Ruß als fast reiner Kohlenstoff und CO aufgrund unvollkommener Verbrennung des Kohlenstoffs entstehen, können Stickoxide in verschiedenen Verbindungen auftreten. Das "x" steht hierbei für die Verbindungen NO, NO2 und N2O. Stickoxide durchlaufen in der Atmosphäre verschiedene Umwandlungen und wirken als "saurer Regen" umweltschädigend. Hohe Verbrennungstemperaturen oberhalb 1200°C begünstigen ihr Entstehen.

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad

Er gibt an, wie viel Energie nach Abzug der Abgasverluste noch nutzbar ist. Der Abgasverlust ist der Anteil an Energie, der ungenutzt in die Atmosphäre entweicht.

Heizkurve

Die Verlustwärme des Gebäudes wird von den Heizflächen ersetzt. Die Temperaturdifferenz von der Heizfläche zum Raum ist hierbei die funktionelle Größe. Bei Zugrundelegung konstanter Raumverhältnisse ist es somit die Heizflächentemperatur, die in Abhängigkeit zur Außentemperatur steht. Die Heizfläche gibt ihre Wärme in Form von langwelliger (Wärme-) Strahlung und durch Kontakt mit der vorbeistreichenden Luft ab (konvektive Wärmeübertragung).

Die Anteile dieser Mechanismen verschieben sich bei verschiedenen Temperaturen, so dass der Temperaturverlauf nicht geradlinig, sondern gekrümmt verläuft. Dieser Temperaturverlauf wird als Heizkurve bezeichnet.

In der Regel bezieht sich die Heizkurve auf die Vorlauftemperatur der Heizfläche bzw. auf die Eintrittstemperatur des Heizwassers, das sich durch Wärmeabgabe an den Raum abkühlt und mit der Rücklauftemperatur wieder dem Heizkessel zugeführt wird. Je höher die Wärmeabgabe ist, desto niedriger ist auch die Rücklauftemperatur bzw. desto größer ist die Temperaturspreizung (Temperaturdifferenz Vorlauf / Rücklauf).

Die Auslegung der Heizungsanlage wird üblicherweise so vorgenommen, dass am kältesten Tag eine Spreizung von 15°C anliegt, entsprechend einer Vorlauftemperatur von 75°C und einer Rücklauftemperatur von 60°C. Die mittlere Heizflächentemperatur liegt dann bei 67°C. Bei Ansteigen der Außentemperatur auf 0°C ist gemäß der beispielhaft abgebildeten Heizkurve nur noch etwa die Hälfte der Heizleistung erforderlich, was neben der Absenkung der mittleren Heizflächentemperatur auf ca. 50°C zusätzlich eine Reduzierung der Spreizung auf die Hälfte des Ursprungswertes (7°C) bedeutet. Die jetzt anliegende Vorlauftemperatur beträgt damit 50+3,5°C=53,5°C, die Rücklauftemperatur 50-3,5°C=46,5°C.

Heizleistung

Die Heizleistung ist eine Funktion der Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außentemperatur. Da die Innentemperatur auf einen konstanten Wert gehalten werden soll, bestimmt allein die Außentemperatur den Heizleistungsbedarf. Für die Planung des Heizsystems, vor allem für die Dimensionierung des Heizkessels und der Heizflächen ist der Bedarf am kältesten Tag wichtig. Dieser liegt als 2-Tage-Mittelwert bei -12 bis -15°C.

Der Zusammenhang zwischen Heizleistung und Außentemperatur ist linear, der Maximalwert der Heizleistung (Norm-Wärmebedarf) wird nach DIN 4701 berechnet bzw. bei Altbauten entsprechend der Bausubstanz abgeschätzt.

Die Kesselleistung sollte mindestens der erforderlichen maximalen Heizleistung entsprechen, wobei moderne Niedertemperatur- und Brennwert-Heizkessel auch ohne Einbuße ihrer Wirtschaftlichkeit leistungsgrößer gewählt werden können. Dies vor allem vor dem Hintergrund einer komfortablen Regelung, was aufgrund der niedrigen Wärmeverluste hochwärmegedämmter Gebäude für die Auswahl der Kesselgröße zumindest im Ein- und Zweifamilienhausbereich das heute ausschlaggebende Kriterium ist.

Heizwert

Brennstoffe bieten grundsätzlich mehr Energie an, als im praktischen Heizbetrieb auch genutzt wird. Als Maßstab der Höhe dieser Brennstoffausnutzung wird in Deutschland der Heizwert des Brennstoffes herangezogen.

Der Heizwert bezeichnet hierbei die bei vollständiger Verbrennung eines Brennstoffes, z. B. Erdgas oder Heizöl freiwerdende Wärme, die anschließend im Heizkessel zur Erwärmung des Heizwassers genutzt wird. Der in den Heizgasen enthaltene Wasserdampf wird bei der Nutzung des Heizwertes des Brennstoffes nicht kondensiert, d.h. er verlässt als Bestandteil der Abgase den Heizkessel im dampfförmigen Zustand. Mit Abgas bezeichnet man hierbei die Heizgase am Kesselende, die nicht weiter zur Heizwassererwärmung genutzt werden. Sie werden mit ca. 160°C in den Schornstein abgeführt, so dass eine Kondensation des Wasserdampfes in den Abgasen vermieden und der thermische Auftrieb der Abgase im Schornstein gesichert wird. Die in den Abgasen enthaltene und nicht weiter genutzte Restwärme wird hierbei als Brennwert bezeichnet.

Im Unterschied zum Heizwert wird bei der Nutzung des Brennwertes eines Brennstoffes zusätzlich der in den Heizgasen enthaltene Wasserdampf kondensiert.

Der Bezug auf den Heizwert bei der Darstellung der Brennstoffausnutzung im Normnutzungsgrad resultiert aus der vor der Einführung der Brennwerttechnik praktizierten bewussten Vermeidung der Kondensation des Wasserdampfes in den Heizgasen. Dies geschah vor allem, um Schornstein und Heizkessel vor Feuchtanfall und damit vor Schäden zu schützen.

Anhaltswerte für den Heizwert von Brennstoffen:

Brennwert
Heizöl
Erdgas E
kWh/l (Heiöl)
9,92
kWh/m³ (Erdgas)
10,4

 

Immissionen

Sind die Summe der Emissionen, die z.B. in der Luft vorhanden sind.

Kondenswasser

Bei Brennwertgeräten entsteht Kondenswasser bei der Abführung von Abgasen. Durch die niedrigen Temperaturen und die enthaltene Feuchtigkeit schlägt sich diese an der Abgasleitung nieder.

Nennwärmeleistung

Damit bezeichnet man im allgemeinen die höchste eingestellte Wärmeleistung (Wärmeabgabe) [W, kW] eines Wärmeerzeugers.

Niedertemperaturkessel

Unterschreitet die Kesselwassertemperatur etwa 56°C beim Verbrennen von Erdgas bzw. 46°C beim Verbrennen von Heizöl, kann sich Kondenswasser aus den feuchten Heizgasen an den Wandflächen niederschlagen und Korrosionsvorgänge auslösen.

Ob Kondenswasser entstehen kann oder nicht, hängt von der Temperatur der heizgasseitigen Wandoberfläche ab. Zwischen dem Wasser und eben dieser Wandseite bildet sich bei strömenden Heizgasen ein Temperaturunterschied von 1 bis 4°C aus. Dieser Punkt bildet den entscheidenden konstruktiven Kern moderner Niedertemperatur-Heizkessel. Es muss darauf hingewirkt werden, dass selbst bei einer Kesselwassertemperatur von 40°C oder weniger die heizgasseitige Wandtemperatur möglichst noch oberhalb des Wasserdampftaupunktes liegt. Die Temperaturdifferenz Wand/Wasser muss somit konstruktiv beeinflusst werden.

Normnutzungsgrad

Er dient als Vergleichsgröße unterschiedlicher Wärmeerzeuger bei gleichen Betriebs- und Prüfbedingungen und gibt Auskunft über die Energieausnutzung eines Wärmeerzeugers (ähnlich dem Norm- oder Testverbrauch bei Autos: Stadt/Landstraße/Autobahn).

Normwärmebedarf

Es handelt sich hier um einen Wert, der angibt, wie viel Wärme [W, kW] ein Haus bei einer rechnerisch tiefsten Außentemperatur benötigt, um eine Innentemperatur von z.B. +20°C zu erreichen. Berechnungsgrundlage ist die DIN 4701.

Nutzungsgrad

Im Gegensatz zum Wirkungsgrad, der das momentane Verhältnis von Nutzen und Aufwand beschreibt, gibt der Nutzungsgrad dieses Verhältnis über einen bestimmten Zeitraum hinweg an. Er ist die wichtigste Kenngröße zur Beurteilung einer Heizungsanlage und berücksichtigt die Abgas-, Strahlungs- und Stillstandsverluste. Für die energetische Bewertung eines Heizkessels ist z. B. der Jahresnutzungsgrad die entscheidende Größe.

Der Nutzungsgrad wird gebildet aus dem Verhältnis Nutzen, d.h. der an das Heizwasser im Kessel übertragenen Wärme, zum dazugehörigen Aufwand (der dem Heizkessel mit dem Brennstoff zugeführten Wärme) jeweils mit den entsprechenden Wirkzeiten multipliziert. Die zugeführte Energie wird auf den Heizwert des Brennstoffes bezogen, so dass bei Brennwertkesseln, in denen die Kondensationswärme des Wasserdampfes zur Heizwassererwärmung ausgenutzt wird, Nutzungsgrade über 100% erzielt werden.





Regelsystem

Bezeichnung der regeltechnischen Ausrüstung eines Heizkessels, die im wesentlichen aus zwei Funktionsgruppen besteht. Während eine Gruppe die kesseltechnischen Vorgänge steuert und überwacht, ist eine zweite Funktionsgruppe zuständig für die betriebstechnischen Vorgänge.

Die Steuerung der kesseltechnischen Vorgänge umfasst z. B. die Steuerung des Brenners oder das Abschalten der Feuerung bei unzulässigen Betriebszuständen und dient damit zur Sicherstellung eines ordnungsgemäßen Betriebes des Heizkessels.

Durch die Wahl des Regelsystems wird die Benutzerfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit der Heizanlage festgelegt, so dass diese Entscheidung die Güte des gesamten Heizsystems entscheidend mitbestimmt.

Strahlungs- und Stillstandsverluste

Strahlungsverluste (Abstrahlverluste) treten bei allen Kesseln auf und bezeichnen die Wärmeverluste des Kessels, die er an den Raum abgibt. Stillstandsverluste entstehen, wenn der Kessel nicht in Betrieb ist und er dabei auskühlt.

Taupunkt

Bezeichnung der Temperatur, ab der die Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes beginnt. Der Taupunkt ist je nach chemischer Zusammensetzung von Brennstoff zu Brennstoff verschieden. Eine weitere Einflussgröße ist der Verbrennungs-Luft-Überschuss. Als Anhaltswerte für die in Heizanlagen üblicherweise eingesetzten Brennstoffe können angesetzt werden:

Heizöl
Erdgas E
Wasserdampftaupunkt °C
46
56

 

Neben dem höheren energetischen Nutzen ist der um 10°C höher liegende und damit eher im Heizbetrieb zu erreichende Taupunkt beim Brennstoff Erdgas der ausschlaggebende Grund zum Einsatz des Brennstoffes Erdgas in Brennwert-Heizkesseln.