Wärmeerzeuger im Einfamilienhaus
Beurteilung bezüglich Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit
©2001
Diplomarbeit
203 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Das Thema der Diplomarbeit lautet: Wärmeerzeuger im Einfamilienhaus Beurteilung bezüglich Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit. Dabei wird auf eine sich nahezu täglich stellende Frage eingegangen: Der Bauherr möchte einen möglichst umweltfreundlichen, energiesparenden Wärmeerzeuger einsetzen. Am Ende steht jedoch immer die Frage nach den Kosten bzw. der Wirtschaftlichkeit. In der vorliegenden Arbeit wird diese Fragestellung beantwortet.
Nach der Einführung und der Erläuterung der Aufgabenstellung werden in Kapitel 3 die untersuchten Wärmeerzeuger vorgestellt. Miteinander verglichen werden der Ölkessel, der Gas-Brennwertkessel, der Holzpellets-Kessel, die Elektro-Wärmepumpe sowie die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP von Buderus. Bei der zuletzt genannten handelt es sich um eine Neuentwicklung, welche nach Auskunft von Buderus 2004 auf dem Markt kommen wird.
In Kapitel 4 werden die untersuchten Gebäudetypen vorgestellt: Ein bestehendes Gebäude, bei dem die Heizungszentrale modernisiert werden soll, ein Neubau gemäß den Mindestanforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) sowie ein Ultra-Niedrigenergiehaus (3-Liter-Haus). Damit werden von der Modernisierung im Bestand bis zum modernen Energiesparhaus alle Varianten abgedeckt. Der energetische Standard des jeweiligen Gebäudes wird durch den Jahres-Heizwärmebedarf ausgedrückt, der gemäß EnEV berechnet wird.
Der Vergleich der fünf Wärmeerzeuger bezüglich Umweltfreundlichkeit erfolgt in den Kapiteln 5 und 6: Zunächst wird der jeweilige Primärenergiebedarf gemäß EnEV berechnet. Hier schneidet der Holzpellets-Kessel besonders gut ab, da Holz als nachwachsender Brennstoff eingesetzt wird. Anschließend wird die Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen betrachtet. Es wird differenziert zwischen dem Beitrag zum Treibhauseffekt (CO2-Äquivalent), zur Versauerung der Umwelt (SO2-Äquivalent) sowie zum Sommersmog (O3-Vorläufer-Äquivalent).
In Kapitel 7 wird die Wirtschaftlichkeit beurteilt. Über die voraussichtliche Nutzungsdauer von 20 Jahren werden mittel der Kapitalwertmethode sowohl Investitions- als auch Betriebs- und Verbrauchskosten berücksichtigt. Überraschend dabei ist, dass für die drei untersuchten Gebäudetypen durchaus verschiedene Wärmeerzeuger am wirtschaftlichsten sind. So schneidet für das bestehende Gebäude der Holzpellets-Kessel am besten ab. Für den Neubau nach EnEV sowie das Ultra-Niedrigenergiehaus ist der konventionelle Ölkessel am […]
Das Thema der Diplomarbeit lautet: Wärmeerzeuger im Einfamilienhaus Beurteilung bezüglich Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit. Dabei wird auf eine sich nahezu täglich stellende Frage eingegangen: Der Bauherr möchte einen möglichst umweltfreundlichen, energiesparenden Wärmeerzeuger einsetzen. Am Ende steht jedoch immer die Frage nach den Kosten bzw. der Wirtschaftlichkeit. In der vorliegenden Arbeit wird diese Fragestellung beantwortet.
Nach der Einführung und der Erläuterung der Aufgabenstellung werden in Kapitel 3 die untersuchten Wärmeerzeuger vorgestellt. Miteinander verglichen werden der Ölkessel, der Gas-Brennwertkessel, der Holzpellets-Kessel, die Elektro-Wärmepumpe sowie die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP von Buderus. Bei der zuletzt genannten handelt es sich um eine Neuentwicklung, welche nach Auskunft von Buderus 2004 auf dem Markt kommen wird.
In Kapitel 4 werden die untersuchten Gebäudetypen vorgestellt: Ein bestehendes Gebäude, bei dem die Heizungszentrale modernisiert werden soll, ein Neubau gemäß den Mindestanforderungen der Energieeinsparverordnung (EnEV) sowie ein Ultra-Niedrigenergiehaus (3-Liter-Haus). Damit werden von der Modernisierung im Bestand bis zum modernen Energiesparhaus alle Varianten abgedeckt. Der energetische Standard des jeweiligen Gebäudes wird durch den Jahres-Heizwärmebedarf ausgedrückt, der gemäß EnEV berechnet wird.
Der Vergleich der fünf Wärmeerzeuger bezüglich Umweltfreundlichkeit erfolgt in den Kapiteln 5 und 6: Zunächst wird der jeweilige Primärenergiebedarf gemäß EnEV berechnet. Hier schneidet der Holzpellets-Kessel besonders gut ab, da Holz als nachwachsender Brennstoff eingesetzt wird. Anschließend wird die Umweltbelastung durch Schadstoffemissionen betrachtet. Es wird differenziert zwischen dem Beitrag zum Treibhauseffekt (CO2-Äquivalent), zur Versauerung der Umwelt (SO2-Äquivalent) sowie zum Sommersmog (O3-Vorläufer-Äquivalent).
In Kapitel 7 wird die Wirtschaftlichkeit beurteilt. Über die voraussichtliche Nutzungsdauer von 20 Jahren werden mittel der Kapitalwertmethode sowohl Investitions- als auch Betriebs- und Verbrauchskosten berücksichtigt. Überraschend dabei ist, dass für die drei untersuchten Gebäudetypen durchaus verschiedene Wärmeerzeuger am wirtschaftlichsten sind. So schneidet für das bestehende Gebäude der Holzpellets-Kessel am besten ab. Für den Neubau nach EnEV sowie das Ultra-Niedrigenergiehaus ist der konventionelle Ölkessel am […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 7509
Wachinger, Thomas: Wärmeerzeuger im Einfamilienhaus - Beurteilung bezüglich
Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit
Hamburg: Diplomica GmbH, 2003
Zugl.: Fachhochschule München, Fachhochschule, Diplomarbeit, 2001
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte,
insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von
Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der
Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung
dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen
der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik
Deutschland in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich
vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des
Urheberrechtes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei
zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Die Informationen in diesem Werk wurden mit Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können
Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden, und die Diplomarbeiten Agentur, die
Autoren oder Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine
Haftung für evtl. verbliebene fehlerhafte Angaben und deren Folgen.
Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2003
Printed in Germany
I
NHALTSVERZEICHNIS
5
Inhaltsverzeichnis
Danksagung
... 3
Verfassererklärung
... 4
Inhaltsverzeichnis
... 5
1 Einleitung
... 8
1.1 Energieeinsparung warum?
... 8
1.2 Energiesparende Wärmeerzeuger
... 11
2 Aufgabenstellung
... 12
3 Untersuchte Wärmeerzeuger
... 14
3.1 Gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP
... 14
3.1.1 Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe (DAWP)
... 15
3.1.2 Gas-Brennwertgerät
... 18
3.1.3 Kombigerät Loganova GWP
... 19
3.1.3.1 Aufbau und Funktionsweise
... 19
3.1.3.2 Planung
... 22
3.1.3.3 Feldtest
... 26
3.2 Öl-Niedertemperatur-Heizkessel
... 29
3.2.1 Aufbau und Funktionsweise
... 30
3.2.2 Planung
... 32
3.3 Gas-Brennwertkessel
... 33
3.3.1 Aufbau und Funktionsweise
... 34
3.3.2 Planung
... 36
3.4 Holzpellets-Kessel
... 38
3.4.1 Holzpellets
... 38
3.4.2 Aufbau und Funktionsweise
... 40
3.4.3 Planung
... 42
3.5 Elektro-Wärmepumpe
... 44
3.5.1 Aufbau und Funktionsweise
... 44
3.5.2 Planung
... 45
I
NHALTSVERZEICHNIS
6
4 Untersuchte Gebäudetypen
... 49
4.1 Jahres-Nutzenergiebedarf
... 54
4.2 Bestehendes Gebäude
... 57
4.3 Neubau gemäß EnEV
... 57
4.4 Ultra-Niedrigenergiehaus
... 59
4.5 Ergebnisse
... 60
5 Primärenergiebedarf
... 63
5.1 Primärenergiebedarf für die Trinkwassererwärmung
... 64
5.2 Primärenergiebedarf für die Lüftungsanlage
... 68
5.3 Primärenergiebedarf für die Heizung
... 69
5.4 Bewertung
... 72
5.5 Ergebnisse
... 73
6 Schadstoffemissionen
... 78
6.1 CO
2
-Äquivalent
... 78
6.2 SO
2
-Äquivalent
... 79
6.3 O
3
-Vorläufer-Äquivalent
... 79
6.4 GEMIS
... 80
6.5 Ergebnisse
... 82
7 Wirtschaftlichkeit
... 86
7.1 Kapitalwertmethode
... 86
7.2 Randbedingungen
... 87
7.2.1 Szenario
... 87
7.2.2 Investitionskosten
... 88
7.2.3 Energiepreise
... 91
7.2.4 Betriebskosten
... 93
7.3 Ergebnisse
... 94
I
NHALTSVERZEICHNIS
7
8 Schlussbetrachtung
... 96
8.1 Qualität der Ergebnisse
... 96
8.2 Zusammenfassung der Ergebnisse
... 97
8.3 Ausblick
... 99
9 Verzeichnisse
... 100
9.1 Gedruckte Literatur
... 100
9.2 Websites
... 101
9.3 Abbildungen, Tabellen und Gleichungen
... 102
9.4 Formelzeichen
... 105
10
Anhang
... 107
10.1 Lageplan, Ansichten
... 107
10.2 Jahres-Heizwärmebedarf
... 110
10.2.1 Bestehendes Gebäude
... 110
10.2.2 Neubau gemäß EnEV
... 115
10.2.3 Ultra-Niedrigenergiehaus
... 120
10.3 Primärenergieverbrauch
... 125
10.3.1 Bestehendes Gebäude
... 125
10.3.2 Neubau gemäß EnEV
... 144
10.3.3 Ultra-Niedrigenergiehaus
... 168
10.3.4 Übersicht berechnete Energiemengen
... 192
10.4 Wirtschaftlichkeit
... 194
1 E
INLEITUNG
8
1 Einleitung
1.1 Energieeinsparung warum?
Noch bis zum Ende des 18. Jahrhunderts deckte man den Großteil des
Energiebedarfes an Wärme mit Brennholz, man nutzte Wasser- und Windkraft
z. B. mit Hilfe von Mühlen. Mit dem Beginn der Industrialisierung im 19.
Jahrhundert begann die Menschheit, die fossilen Energieressourcen der Erde
im verstärktem Maße auszubeuten, was einer der Gründe für die rasante
technische Entwicklung und dem damit verbundenen heutigen Wohlstand ist.
Energie aus fossilen Energieträgern ist relativ preiswert, einfach zu
transportieren, in ausreichendem Maße verfügbar und sehr gut dosierbar.
Heute wird mehr als 90% des Primärenergieverbrauchs durch fossile
Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas gedeckt.
Braun- u. Steinkohle
u. a.
Erdölprodukte
Naturgas
Wasserkraft
Kernenergie
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
1925
1938
1950
1960
1968
1980
1995
Energiemenge [PJ]
Abbildung 1.1A: Entwicklung des Welt-Primärenergieverbrauchs wichtiger
Energieträger (nach Regenerative Energiesysteme, Tabelle 1.4)
1 E
INLEITUNG
9
Diese Entwicklung hat aber eine Kehrseite: Bei der Verbrennung fossiler
Energieträger wird in wenigen Jahrzehnten das Kohlendioxid (CO
2
)
freigesetzt, das in Jahrmillionen durch Pflanzen der Atmosphäre entzogen
wurde. Der rapide Anstieg des CO
2
-Gehaltes und anderer Gase wie Methan
(CH
4
) oder Distickoxid bzw. Lachgas (N
2
O) führt zum Treibhauseffekt und
seinen Folgen: Kurzwellige Sonnenstrahlung vermag relativ ungehindert die
Atmosphäre zu durchdringen. Dadurch erwärmt sie die Oberfläche, die
ihrerseits langwellige Wärmestrahlung abgibt. Die Treibhausgase in der
Atmosphäre reflektieren bzw. absorbieren diese langwellige Strahlung. Steigt
nun der Anteil der Treibhausgase in der Atmosphäre, so wird auch mehr
langwellige Strahlung reflektiert bzw. absorbiert, was zur ,,Globalen
Erwärmung" führt: Intensität und Stärke von Unwettern, Stürmen und
Überschwemmungen nehmen zu, Steppen und Wüsten breiten sich aus, die
Polkappen schmelzen, damit steigt der Meeresspiegel und weite
Küstenregionen werden für immer von der Landkarte verschwinden.
Weiterhin entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe giftige
Schadstoffe, die Mensch und Umwelt belasten. Der ,,saure Regen", der
dadurch verursacht wird, führt zum bekannten Waldsterben. Auch der
sogenannte ,,Sommersmog" eine überhöhte Ozonbelastung wird durch
giftige Abgase verursacht.
Ein Aspekt, der ein Umdenken in dieser und den kommenden Generationen
zwingend erforderlich macht, ist die Endlichkeit der fossilen
Energieressourcen. Erdöl- und Erdgasvorkommen werden wahrscheinlich
noch in diesem Jahrhundert vollständig aufgebraucht, nur Kohle steht noch
länger zur Verfügung. Eine Ermittlung der tatsächlich vorhanden fossilen
Ressourcen ist nur schwer möglich, da nur das, was bereits entdeckt wurde,
erfasst werden kann; daher können die Vorräte, die in Zukunft gefunden
werden, nur geschätzt werden. Doch selbst wenn noch größere Lagerstätten
entdeckt werden sollten, so ändert dies nichts an der Endlichkeit der fossilen
Energieträger.
1 E
INLEITUNG
10
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Erdöl
Erdgas
Kohle
Reichweite bei heutiger Förderung [a]
Abbildung 1.1B: Reichweite fossiler Energieträger bei heutiger Förderung
[unten: sicher gewinnbare Reserven; oben: wahrscheinlich zusätzlich gewinnbare
Reserven] (nach Daten des BAFA)
In der Bundesrepublik Deutschland wurde die Notwendigkeit der Einsparung
fossiler Energieträger erkannt. 1976 wurde das Energieeinsparungsgesetz
(EnEG) verabschiedet, das die Grundlage für die Wärmeschutzverordnungen
(WSchV) von 1978, 1984 und 1995 sowie für die Heizungsanlagen-
Verordnung (HeizAnlV) bildet. Darin werden energetische Mindeststandards
für Gebäude (in den Wärmeschutzverordnungen) und für Heizungsanlagen (in
der Heizungsanlagen-Verordnung) gesetzlich vorgeschrieben. Diese beiden
Verordnungen sollen 2002 von der Energieeinsparverordnung abgelöst
werden. Neu dabei ist, nicht mehr das Gebäude und die Heizungsanlage
separat zu betrachten, sondern als eine Einheit. Es werden nicht mehr der
Heizwärmebedarf des Gebäudes bzw. die Verluste des Heizsystems
begrenzt, sondern der Primärenergieverbrauch des Gesamtsystems.
1 E
INLEITUNG
11
1.2 Energiesparende Wärmeerzeuger
Der energetische Standard der Heizungsanlage hängt stark vom
Wärmeerzeuger ab. Zum einen davon, ob er mit fossilen oder regenerativen
Energieträgern versorgt wird, zum anderen, welchen Jahres-Nutzungsgrad er
erreicht. Der Jahres-Nutzungsgrad ist das Verhältnis der in einem Jahr im
Wärmeerzeuger auf den Wärmeträger übertragenen Wärmemenge zu der im
Brennstoff zugeführten Energie, bezogen auf den Heizwert (vgl. Projektierung
von Warmwasserheizungen, S. 396). Von 1960 bis heute konnten die Norm-
Nutzungsgrade von knapp 70% bis auf 109% bei Gas-Brennwertkesseln
gesteigert werden (siehe Abbildung unten). Durch die zusätzliche Nutzung
von Umweltwärme sind weitere Steigerungen möglich. So beabsichtigt die
Buderus Heiztechnik GmbH für 2002 ein Kombigerät aus einem Gas-
Brennwertkessel und einer Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe auf den
Markt zu bringen, das Norm-Nutzungsgrade von 130% und mehr erreichen
kann. Damit wird ein Beitrag zur Einsparung fossiler Energieträger geleistet.
Abbildung 1.2A: Historische Entwicklung des Norm-Nutzungsgrades (Buderus)
2 A
U F G A B E N S T E L L U N G
12
2 Aufgabenstellung
Die wichtigste Aufgabe des Wärmeerzeugers im Einfamilienwohnhaus ist -
wie der Name schon sagt - die ,,Erzeugung" bzw. Bereitstellung der Wärme,
die im Gebäude benötigt wird. An einen modernen Wärmeerzeuger werden
jedoch weit mehr Anforderungen gestellt: Faktoren, wie Funktionssicherheit,
Geräuschemissionen, Wartungs- und Bedienungsfreundlichkeit, Lebensdauer,
Platzbedarf und Design spielen bei der Kaufentscheidung eine wichtige Rolle.
Ferner wird immer mehr Wert auf Umweltfreundlichkeit gelegt, d. h. der
Primärenergieverbrauch sowie die Schadstoffemissionen sollen möglichst
gering sein. Selbst wenn ein Wärmeerzeuger einem Großteil dieser
Anforderungen gerecht wird, steht am Ende immer die wichtige Frage nach
den Kosten bzw. nach der Wirtschaftlichkeit. Der umweltfreundlichste und
optisch ansprechendste Wärmeerzeuger ist am Markt schwer durchzusetzen,
wenn er ein Vielfaches eines herkömmlichen Wärmeerzeugers kostet. Aber
nicht nur die Anschaffungskosten, auch die Folgekosten müssen bei der
Beurteilung der Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. Die beiden zuletzt
genannten Kriterien bezüglich der Kaufentscheidung - Umweltfreundlichkeit
und Wirtschaftlichkeit - sollen in dieser Diplomarbeit näher untersucht werden.
Die Buderus Heiztechnik GmbH wird 2002 eine Innovation auf den Markt
bringen: Die ,,Gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP 102". Hierbei
handelt es sich um ein Kombigerät aus einer Diffusions-Absorptions-
Wärmepumpe (DAWP) und einem Gas-Brennwertkessel. Dieser neuartige
Wärmeerzeuger soll im Rahmen dieser Diplomarbeit mit folgenden
Wärmeerzeugern verglichen werden:
·
Öl-Niedertemperaturkessel
·
Gas-Brennwertkessel
·
Holzpellets-Kessel
·
Elektro-Wärmepumpe
2 A
U F G A B E N S T E L L U N G
13
Es soll eine Beurteilung nach folgenden Kriterien durchgeführt werden:
·
Primärenergiebedarf (Kapitel 5)
·
Schadstoffemissionen (Kapitel 6)
·
Wirtschaftlichkeit (Kapitel 7)
Hierfür werden zur Veranschaulichung konkrete Beispiele von
Einfamilienhäusern herangezogen. Ein allgemein gültiger Vergleich der
Wärmeerzeuger für jedes denkbare Gebäude ist nicht möglich, da in jedem
Gebäude individuelle Anforderungen an den Wärmeerzeuger gestellt werden,
was unterschiedliche Bewertungsergebnisse zur Folge hat. Die Aussagen
dieser Diplomarbeit treffen daher nur auf die konkret gewählten Beispiele zu.
Allerdings wurde versucht, gängige und sinnvoll abgestufte Beispiele zu
finden, so dass anhand der Aussagen eine klare Tendenz erkennbar sein
wird:
·
Bestehendes Einfamilienwohnhaus, das gemäß der
Wärmeschutzverordnung 1984 errichtet wurde und
bei dem die Heizzentrale saniert werden soll
·
Neubau eines Einfamilienwohnhauses, das die
Anforderungen des Referentenentwurfs der
Energieeinsparverordnung (EnEV) erfüllt
·
Neubau eines Einfamilienwohnhauses, das als Ultra-
Niedrigenenergiehaus (3-Liter-Haus) ausgeführt wird
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
14
3 Untersuchte Wärmeerzeuger
Im Folgenden sollen die untersuchten Wärmeerzeuger - vor allem natürlich
die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP - beschrieben werden. Die
Beschreibungen beschränken sich auf die Punkte, die für diese Diplomarbeit
relevant sind.
3.1 Gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP 102
Abbildung 3.1A: Gasbetriebenen Wärmepumpe Loganova GWP 102 (Buderus)
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
15
Bei der gasbetriebenen Wärmepumpe Loganova GWP 102 der Buderus
Heiztechnik GmbH, die 2002 auf den Markt kommen wird, handelt es sich um
ein Kombigerät aus zwei Wärmeerzeugern: Der Diffusions-Absorptions-
Wärmepumpe (DAWP) zur Grundlastabdeckung für die Heizung und einem
Gas-Brennwertkessel als Spitzenlastkessel und zur Warmwasserbereitung.
3.1.1 Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe (DAWP)
Abbildung 3.1B: Funktionsprinzip einer Wärmepumpe (Stiebel-Eltron)
Wärmepumpen wandeln Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher
Temperatur um (das Temperaturniveau wird ,,hochgepumpt"). Dies geschieht
in einem geschlossenen Kreisprozess durch ständiges Ändern des
Aggregatzustandes des Arbeitsmittels (Verdampfen, Komprimieren,
Verflüssigen, Expandieren). In dem geschlossenen Kreislauf zirkuliert das
Kältemittel, das im Verdampfer der Umwelt (aus Erde, Wasser oder Luft)
einen kleinen Teil der darin gespeicherten Sonnenwärme - durch Änderung
des Aggregatzustandes von flüssig auf gasförmig - entzieht. Das nunmehr
gasförmige Kältemittel wird anschließend im Verdichter komprimiert und somit
erhitzt. Von dort gelangt es in den Verflüssiger, wo das Kältemittel die
aufgenommene Umweltwärme sowie die Antriebsenergie an das Heizsystem
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
16
abgibt und dabei wieder flüssig wird. Nachdem es im Expansionsventil wieder
auf das ursprüngliche Druckniveau gebracht wurde und dabei abgekühlt ist,
kann der Kreislauf von neuem beginnen.
Man unterscheidet Wärmepumpen nach der Art des Verdichters. Weit
verbreitet sind Wärmepumpen mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter,
der das Kältemittel mechanisch komprimiert. Die gasbetriebene Wärmepumpe
Loganova GWP 102 funktioniert mit einem Diffusions-Absorptions-Verdichter.
Abbildung 3.1C: Funktionsprinzip der DAWP (Buderus)
Die nachfolgende Beschreibung des thermodynamischen Kreisprozesses der
DAWP beruht auf Unterlagen der Buderus Heiztechnik GmbH:
Der thermodynamische Kreisprozess
Die DAWP arbeitet mit dem Kältemittel Ammoniak (NH
3
), dem Lösungsmittel
Wasser (H
2
O) und benötigt außerdem Helium (He) als Hilfsgas. Für den
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
17
Kreisprozess werden weder Pumpen noch Ventile benötigt. Er läuft bei einem
Druck von etwa 23 bar ab und setzt sich bei Wärmezufuhr im Austreiber
selbständig durch Temperatur- und Konzentrationsunterschiede in Bewegung.
1) Verdampfer:
Da sich im Verdampfer das gasförmige Helium befindet, besitzt hier das
Kältemittel Ammoniak einen niedrigen Partialdruck. In der Helium-
Ammoniak-Atmosphäre verdunstet das Ammoniak. Die für den
Phasenwechsel benötigte Wärme wird einer Wärmequelle, d. h. der
Umwelt, entzogen. Der Verdunstungsvorgang funktioniert bis zu einer
Temperatur von -25 °C. Nach dem Schwerkraftprinzip strömt das
Ammoniakdampf-Helium-Gemisch zum Absorber.
2) Absorber:
Anschließend wird das gasförmige Ammoniak im Absorber vom
Lösungsmittel Wasser absorbiert. Er geht dabei wieder von der
gasförmigen in die flüssige Phase über und gibt die vorher im Verdampfer
aufgenommene latente Wärme an das Heizsystem ab. Durch natürlichen
Auftrieb gelangt die ammoniakreiche Lösung in den Austreiber. Das
Heliumgas strömt zurück in den Verdampfer.
3) Austreiber:
Der Siedepunkt des Ammoniaks liegt unter dem des Wassers. Dadurch
kann im Austreiber durch Wärmezufuhr des Gasbrenners das Ammoniak
verdampft werden, während das Wasser flüssig bleibt. Die ammoniakarme
Lösung strömt zurück in den Absorber, der Ammoniakdampf gelangt in
den Kondensator.
4) Kondensator:
Im Kondensator gibt das gasförmige Ammoniak seine latente Wärme an
das Heizsystem ab. Das verflüssigte Ammoniak strömt zum Verdampfer,
wo der Kreisprozess von neuem beginnt.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
18
Die Entwicklung der Prinzips der DAWP geht auf den schweizer Ingenieur Dr.
Hans Stierling zurück. Die Technologie des thermodynamischen Prozesses ist
seit Jahrzehnten bekannt und wurde bereits millionenfach in Kühlschränken
(gasbetriebene Camping- / Hotelkühlschränke) eingesetzt. Im Jahre 1996 hat
die Buderus Heiztechnik GmbH das Patent der DAWP erworben und seitdem
kontinuierlich weiterentwickelt.
3.1.2 Gas-Brennwertgerät
Zur Deckung der Spitzenlast ist in der gasbetriebenen Wärmepumpe
Loganova GWP ein Gas-Brennwertgerät integriert, das auf der Technik des
Logamax plus der Buderus Heiztechnik GmbH beruht. Das Gerät schaltet sich
bei hoher Heizungsanforderung bzw. bei Brauchwasseranforderung dazu. Die
Warmwasserbereitung übernimmt der Gas-Brennwertkessel monovalent. Die
DAWP verfügt nur über eine Heizleistung von 3,6 kW, womit sich nur ein
ungenügender Komfort für die Warmwasserbereitung realisieren lässt.
Außerdem hat sich gezeigt hat, dass die Leistungsziffer der DAWP dabei
relativ schlecht wird. Daraus ergibt sich jedoch auch ein Vorteil: Während der
Warmwasserbereitung muss der Heizungsbetrieb nicht vollständig
unterbrochen werden, er kann parallel zur Warmwasserbereitung von der
DAWP weitergeführt werden. Es ist somit mit geringen bis gar keinen
Komforteinbußen zu rechnen.
Ein ausführliche Beschreibung der Funktionsweise des Gas-Brennwertgerätes
findet man in Kapitel 3.3.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
19
3.1.3 Kombigerät Loganova GWP
Die nachfolgenden Ausführungen beruhen auf Angaben der Buderus
Heiztechnik GmbH.
3.1.3.1 Aufbau und Funktionsweise
Die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP wird in zwei Gerätegrößen
lieferbar sein: Mit einer maximalen Heizleistung von 11 und 19 kW. Die DAWP
besitzt in beiden Fällen eine Heizleistung von 3,6 kW. Die DAWP und der
Gas-Brennwertkessel sind hydraulisch parallel geschalten. Sowohl die DAWP
als auch der Gas-Brennwertkessel besitzen einen eigenen Brenner mit
Glühzünder und Flammenüberwachung, eine eigene leistungsabhängig
geregelte Umwälzpumpe, die gegeneinander durch Rückschlagklappen
hydraulisch abgesichert sind, und einen eigenen Kondensatablauf. Da die
DAWP zur Aufrechterhaltung des Kreisprozesses eine konstante
Wärmezufuhr benötigt, ist der Brenner der DAWP einstufig. Hingegen kann
der Brenner des Gas-Brennwertgerätes bis auf 48% in der Geräteausführung
mit 11 kW bzw. bis auf 50% in der Ausführung mit 19 kW modulieren. Die
Verbrennungsluft gelangt über den Ringspalt im konzentrischen Luft-Abgas-
System in das Gerät. In der Zufuhr des zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches
vor den beiden Brennstäben ist jeweils eine Rückschlagklappe angebracht,
um ein gegenseitiges Beeinflussen der beiden Brenner zu verhindern. Das
Abgas wird über je einen Kondensat-Wärmetauscher geleitet, in dem die
latente Wärme des Abgases dem Heizungsrücklauf zugeführt wird
(Brennwertnutzung). In der Regel wird das Gerät raumluftunabhängig
betrieben. Dann wird die Verbrennungsluft über den Ringspalt des
konzentrischen Luft-Abgas-Systems angesaugt, während das Abgas im
innenliegenden Rohr strömt. Das restliche Gehäuse ist nahezu luftdicht
ausgeführt.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
20
Bei geringer Leistungsanforderung zündet nur der Brenner der DAWP. Der
Gas-Brennwertkessel sowie die beiden Umwälzpumpen bleiben aus. Erst
nach Erreichen der Betriebstemperatur des Wärmepumpenaggregats gehen
die Sole- und die Heizkreispumpe der DAWP in Betrieb. Nach einem Kaltstart
kann es bis zum Erreichen der maximalen Leistung bis zu 30 Minuten dauern,
was allerdings von der Regelung berücksichtigt wird.
Wenn die Leistung der DAWP nicht mehr ausreicht oder die gewünschte
Vorlauftemperatur die maximal erreichbare Vorlauftemperatur von 53 °C
übersteigt, wird der Gas-Brennwertkessel zugeschalten. Beide
Wärmeerzeuger sind damit parallel in Betrieb. Die resultierende
Vorlauftemperatur ergibt sich aus der Mischung der beiden Massenströme
von DAWP und Gas-Brennwertkessel.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
21
Die Trinkwasserwärmung
erfolgt ausschließlich über
den Gas-Brennwertkessel.
Hierfür schaltet das im
Rücklauf des Gas-Brennwert-
kessels integrierte 3-Wege-
Ventil um, so dass der
externe Warmwasserspeicher
beladen wird und die
Umwälzpumpe des Brenn-
wertkessels als Boilerlade-
pumpe fungiert. Bei
gleichzeitiger Heizungsan-
forderung bleibt die DAWP
weiter in Betrieb, so dass
keine bzw. nur eine gering-
fügige Heizeinschränkung
gegeben ist. In diesem
Betriebsmodus sorgt der Gas-
Brennwertkessel für eine
schnelle Beladung des
Warmwasserspeichers, wäh-
rend die DAWP weiter mit
hohem Wirkungsgrad
arbeitet.
Abbildung 3.1D: Gerätefunktion (Buderus)
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
22
3.1.3.2 Planung
Die Loganova GWP wurde für den Einsatz im Ein- und Zweifamilienhaus
konzipiert. Hydraulisch eingebunden in das Heizsystem wird sie prinzipiell
genauso wie ein herkömmlicher Gas-Brennwertkessel:
Abbildung 3.1E: Hydraulikschema mit einem Heizkreis (Buderus)
Abbildung 3.1F: Hydraulikschema mit zwei Heizkreisen (Buderus)
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
23
Ist nur ein Heizkreis wie in Abbildung 3.1E vorhanden, fungiert die in der
Loganova GWP integrierte Pumpe als Heizkreisumwälzpumpe. Bei zwei
Heizkreisen empfiehlt Buderus wie in Abbildung 3.1F den Einsatz einer
hydraulischen Weiche. Die beiden Heizkreise erhalten je eine Umwälzpumpe
und die in der Loganova GWP integrierte Pumpe arbeitet als
Kesselkreispumpe. Kessel- und Heizkreise werden durch die Weiche
hydraulisch getrennt. Nachteilig wirkt sich allerdings dabei aus, dass ein
Teilmassenstrom des Kesselkreisvorlaufes dem Heizkreisrücklauf zugemischt
werden kann, wodurch die Kesselkreisrücklauftemperatur ansteigt. Die
Brennwertnutzung und damit der erzielbare Jahres-Nutzungsgrad sinken. In
den in dieser Diplomarbeit untersuchten Anlagensystemen ist jedoch nur ein
Heizkreis vorhanden, so dass die durch die hydraulische Weiche bedingte
Reduzierung des Jahres-Nutzungsgrades nicht relevant ist.
Abbildung 3.1G: Theoretisch möglicher Anteil der DAWP an der Heizarbeit (Buderus)
Der theoretisch mögliche Anteil der DAWP an der Heizarbeit richtet sich nach
der Heizlast des Gebäudes. So liegt der Anteil bei einem Altbau nach
Wärmeschutzverordnung 1977 (WSchV 77) bei 58 %, bei einem Gebäude
nach Wärmeschutzverordnung von 1995 (WSchV 95) bei 92 % und bei einem
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
24
Neubau nach Energieeinsparverordnung (EnEV) bei 98 %. Die erreichbare
Energieeinsparung gegenüber konventioneller Brennwerttechnik steigt
dementsprechend.
Auch die Systemtemperaturen haben einen entscheidenden Einfluss auf den
Jahresnutzungsgrad. Je niedriger die Vor- und Rücklauftemperaturen, desto
höher die Energieeinsparung. Im Neubau werden Auslegungstemperaturen
von 55/45 °C bei Heizkörpern und bei Fußbodenheizung 40/33 °C empfohlen.
Im Gebäudebestand sollte die Vorlauftemperatur 70 °C nicht überschreiten.
Als Sole wird fertig vorgemischtes Tyfocor mit einer Frostschutzkonzentration
von 40% verwendet. Der gesamte Solekreis innerhalb des Gebäudes muss
gemäß DIN 4140-2 mit einer mindestens 20 mm starken
wasserdampfdiffusionsdichter Wärmedämmung vor Kälteeintrag und
Kondensatanfall geschützt werden.
Abbildung 3.1H: Mögliche Wärmequellen (Buderus)
Als Wärmequelle für den Solekreis kommt die Außenluft oder das Erdreich in
Frage. Darüber hinaus können auch Sonderwärmequellen wie die Abwärme
von Produktionsprozessen oder die Wärme der Abluft genutzt werden. Die
einfachste und preisgünstigste Variante ist die Nutzung der Außenluft über
einen Luftkollektor, der aus einem Rippenrohr-Wärmetauscher besteht. Er
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
25
entzieht hauptsächlich der Außenluft Energie, die direkte Nutzung der
Solarstrahlung spielt nur eine untergeordnete Rolle, d. h. durch die
Sonneneinstrahlung wird die Temperatur der Wärmequelle erhöht, was
temporär zu einer Verbesserung der Heizzahl der DAWP führt. Bis zu einer
Soleaustrittstemperatur von -10 °C ist der Energiegewinn primärenergetisch
größer als der Hilfsenergieeinsatz in der Solepumpe. Vorteilhaft sind die
einfache Planung und Montage. Die Installation kann komplett vom
Heizungsbauer durchgeführt werden. Es sind keine Genehmigungen
erforderlich. Gegenüber Erdkollektoren wird dabei eine etwas geringere
Jahres-Arbeitszahl sowie ein etwas geringerer Deckungsanteil erzielt. Damit
sinkt nach Feldversuchen der Buderus Heiztechnik GmbH der Jahres-
Nutzungsgrad des Kombigerätes geringfügig. Nach den schlechten
Erfahrungen mit Luftkollektoren in Verbindung mit Kompressions-
Wärmepumpenanlagen sind diesbezüglich weitere detaillierte
Untersuchungen erforderlich. Eine messtechnische Aufzeichnung der
Leistungsziffer der DAWP in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur wäre
während der Feldversuche zu empfehlen.
Erdwärme kann über einen Erdreichkollektor oder über eine Erdwärmesonde
genutzt werden. Der Erdreichkollektor bietet sich vor allem im Neubaubereich
an, da hier sowieso Erdbewegungsarbeiten anfallen. Er wird im Garten
mindestens 20 cm unterhalb der Frostgrenze in ca. 1,2 - 1,5 m Tiefe verlegt
und besteht aus einem ca. 100 m langem PE-Rohr. Die Verlegefläche beträgt
je nach Bodenbeschaffenheit zwischen 60 und 120 m². Die erzielbaren
Nutzungsgrade sind höher als beim Luftkollektor. Allerdings sind hierfür die
wasserrechtlichen Bestimmungen der Länder zu beachten. In der Regel ist
der Erdreichkollektor bei der Unteren Wasserbehörde anzuzeigen und bedarf
einer Genehmigung.
Die energetisch beste aber auch teuerste und aufwendigste Energiequelle ist
die Nutzung der Erdwärme über eine oder mehrere Erdwärmesonden. Die
Temperatur ist noch etwas höher, der Platzbedarf ist sehr gering. Die
Erdwärmesonde besteht aus einem Doppel-Kunststoffrohr, das vom
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
26
Brunnenbauer bzw. von einem Bohrunternehmer ca. 50 m tief in den Boden
eingelassen wird. Genauso wie beim Erdkollektor sind auch hier die
wasserrechtlichen Bestimmungen einzuhalten.
* nach Angaben der Buderus Heiztechnik GmbH, in Feldversuchen zu überprüfen
Abbildung 3.1I: Eignung der möglichen Wärmequellen (Buderus)
*
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
27
3.1.3.3 Feldtest
In der Praxis erprobt wird die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP
102 seit August 1999 mit 85 Geräten in einem zweijährigen Feldversuch in
Deutschland und den Niederlanden. Bei den Testaktivitäten arbeitet die
Buderus Heiztechnik GmbH mit der Ruhrgas AG als deutscher und Gasunie
als niederländischer Koordinator sowie zahlreichen weiteren regionalen
Gasversorgungsunternehmen zusammen.
Abbildung 3.1J: Aufteilung der deutschen Feldtestanlagen nach Dämmstandards
(nach Angaben von Buderus)
Die obige Abbildung zeigt, dass die Loganova GWP sowohl in Ultra-
Niedrigenergiehäusern mit einer Heizlast von weniger als 5 kW als auch in
Altbauten mit einer Heizlast von über 15 kW getestet wurde. Das komplette
Spektrum im Ein- und Zweifamilienhaussektor wurde damit abgedeckt. Auch
in bezug auf die Auslegungstemperatur sind alle Kombinationen von 40 °C bis
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
28
70 °C Vorlauftemperatur vertreten. Alle möglichen Wärmequellen wie Luft-
und Erdkollektor sowie Erdsonde wurden getestet.
Je nach Anlagentyp, d. h. je nach Heizlast und Auslegungstemperatur,
wurden im Feldversuch Kombi-Nutzungsgrade über 140 % erreicht. Positiv
auf den Nutzungsgrad wirken sich aus:
·
niedrige Vorlauftemperaturen
(Neubau:
VL,max
< 60°C, besser 55°C;
Gebäudebestand:
VL,max
< 70°C und
RL,max
< 50°C)
·
hohe Wärmequellentemperatur
·
lange Laufzeit der DAWP
Allerdings hat sich gezeigt, dass der Jahres-Nutzungsgrad des Kombigerätes
weniger stark von der gewählten Wärmequelle abhängt. Mit Erdkollektoren
lassen sich nur etwa 2 bis 3% bessere Jahres-Kombinutzungsgrade erzielen
als mit dem Luftkollektor. Deshalb wird in den kommenden Jahren
hauptsächlich diese Wärmquelle zum Einsatz kommen. Im Rahmen dieser
Diplomarbeit soll daher diese Variante untersucht werden.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
29
3.2 Öl-Niedertemperatur-Heizkessel
Abbildung 3.2A: Öl-Niedertemperatur-Heizkessel Logano G115 (Buderus)
Buderus bietet im Kleinkesselbereich zwei Kesseltypen an: Den Gusskessel
Logano G 115, der das gehobene Preissegment abdeckt, und den Stahlkessel
Logano S115 als preisgünstige Alternative. Die nachfolgenden Ausführungen
beziehen sich auf ersteren.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
30
3.2.1 Aufbau und Funktionsweise
Abbildung 3.2B: Schnitt durch den Logano G115 (Buderus)
Der Kesselblock des Logano G115 besteht aus dem speziell von Buderus
entwickeltem Grauguss G180 M. Es weist besonders gute Eigenschaften bei
der Herstellung auf und ist unempfindlich gegen aggressives Schwitzwasser,
das sich in bestimmten Betriebsfällen bei Niedertemperatur-Heizkesseln
bilden kann. Es sind vier verschiedene Kesselgrößen mit einer Nennleistung
von 17, 21, 28 und 34 kW erhältlich.
Es stehen drei verschiedene Brenner zur Auswahl: Der Gelb- bzw.
Transparentbrenner Logatop TE, der Blaubrenner BE und als High-End-
Produkt der Rezirkulations- bzw. Blaubrenner OE. Alle drei Brenner erreichen
in etwa denselben feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Unterschiedlich
hingegen sind die Schadstoffemissionen. Heutzutage werden nur noch sehr
selten Gelbbrenner eingesetzt, da die Emissionswerte sehr hoch sind.
Blaubrenner sind Stand der Technik. Der BE-Brenner weist geringfügig
schlechtere Werte als der OE-Brenner auf, ist allerdings in der Anschaffung
wesentlich günstiger, weshalb er am häufigsten verkauft wird. Im
Nachfolgenden wird daher auf diesen Brennertyp eingegangen.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
31
Abbildung 3.2C: Funktionsweise der Blaubrenners Logatop BE (Buderus)
Das Heizöl wird durch die Ölpumpe auf einen Druck zwischen zehn und 15
bar gebracht. Die Druckenergie wird an der Öldüse in Oberflächenenergie
umgewandelt, so dass das Heizöl in viele kleine Öltröpfen zerstäubt wird. An
der Luftblende wird dieser Ölnebel mit Verbrennungsluft vermischt.
Gleichzeitig entsteht durch die Injektorwirkung des mit relativ hoher
Geschwindigkeit strömenden Öl-Luft-Gemisches ein Unterdruck, wodurch
heiße, ausgebrannte Flammgase angesaugt und zugemischt werden. Die
heißen Flammgase erwärmen die Öltröpfen so stark, dass sie vollständig
verdampfen, noch bevor das Gemisch zündet. Da sich keine flüssigen
Öltröpfchen mehr in der Flamme befinden, die rot glühen würden, erscheint
die Flamme - ähnlich wie bei der Verbrennung von Erdgas - blau; ferner wird
nahezu kein Ruß gebildet.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
32
Abbildung 3.2D: Blaues Flammenbild des Logatop BE (Buderus)
Blaubrenner haben einen etwas erhöhten Gebläseenergieverbrauch und
höhere Schallemissionen, so dass ein Abgasschalldämpfer zu empfehlen ist.
Diese beiden Nachteile werden aber durch die Vorteile wieder aufgewogen:
Der Luftüberschuss kann minimiert werden, dadurch wird der
feuerungstechnische Wirkungsgrad verbessert. Die Stickoxid- (NO
X
) und
Kohlenmonoxidemissionen (CO) sind äußerst gering. Beim Brenner mit 17 kW
entstehen beispielsweise nur 95 mg/kWh Stickoxide und 15 mg/kWh
Kohlenmonoxide (Angaben von Buderus). Dies wirkt sich positiv auf die
Umweltfreundlichkeit aus.
3.2.2 Planung
Öl-Niedertemperatur-Heizkessel sind im Wesentlichen für alle
Anwendungsfälle im Einfamilienhaus geeignet. Es können sowohl Heizkörper
als auch Fußboden- oder Wandheizsysteme zum Einsatz kommen. Moderne
Niedertemperatur-Heizkessel können kontinuierlich mit Rücklauftemperaturen,
die unter dem Taupunkt der Abgase liegen, betrieben werden. Es kann zu
einer Kondensation des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes
kommen. Die Nutzung der Kondensationswärme wie bei der Brennwerttechnik
ist allerdings nicht beabsichtigt.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
33
3.3 Gas-Brennwertkessel
Abbildung 3.3A: Wandhängender Gas-Brennwertkessel
Logamax plus GB 112 (Buderus)
Im Unterschied zu Heizwertkesseln nutzen Brennwertkessel zusätzlich die im
Abgas enthaltene Kondensations- bzw. latente Wärme. Bei Erdgas beträgt der
Anteil an Kondensationswärme etwa 11% bezogen auf den Heizwert, bei
Heizöl nur etwa 6%. Bei Niedertemperatur-Heizkesseln, d. h.
Heizwertkesseln, bleibt dieser Wärmeinhalt ungenutzt. Da bei
Brennwertkesseln außerdem die Abgastemperatur niedriger als bei
Heizwertkesseln ist, kann zusätzlich die im Abgas enthaltene sensible Wärme
genutzt werden. Summa summarum lassen sich Norm-Nutzungsgrade bis
109% erreichen, während bei Niedertemperatur-Heizkesseln nur maximal
96% erreicht werden.
Entscheidenden Einfluss auf den Nutzungsgrad hat jedoch die Auslegung des
Heizsystems. Erst wenn die Rücklauftemperatur der Heizungsanlage den
Taupunkt des Abgases unterschreitet, fällt Kondensat an, und erst dann kann
der latente Wärmeinhalt des Abgases genutzt werden. Bei Erdgas liegt der
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
34
Taupunkt des Abgases etwa bei 57 °C, bei Heizöl etwa bei 48 °C. Je niedriger
also die Rücklauftemperatur, desto höher der Kesselwirkungsgrad.
Zusätzlich positiv auf den Nutzungsgrad wirkt sich eine modulierende
Betriebsweise des Gas-Gebläsebrenners aus. Im Teillastbereich ist die Fläche
des Abgaswärmetauschers im Verhältnis zum Abgasmassenstrom relativ
groß, so dass ein größerer Anteil an latenter und sensibler Wärme genutzt
werden kann. Wichtig dabei ist jedoch, dass dabei der
Verbrennungsluftüberschuss konstant gehalten wird, d. h. das
Brennergebläse muss ebenfalls modulieren. Geschieht dies nicht, sinkt
sowohl der Wirkungsgrad aufgrund des erhöhten Abgasmassenstroms (es
muss mehr Luft als Ballast miterwärmt werden) als auch aufgrund des
Absinkens des CO
2
-Gehalts sowie der relativen und absoluten Luftfeuchte,
weshalb der Taupunkt sinkt. Die heute auf dem Markt gängigen Geräte
erfüllen diese Anforderungen.
Im Einfamilienhausbereich haben sich in den vergangenen Jahren
wandhängende Gas-Brennwertkessel etabliert. Diese sind bis zu einem
Leistungsbereich von 60 kW erhältlich und können somit das komplette
Spektrum im Ein-, Zwei- und Mehrfamilienhaussektor bedienen.
Von Buderus werden zwei Bautypen angeboten: Für das gehobene
Preissegment der Logamax plus GB 112 und der Logamax plus GB 122 als
preisgünstige Alternative. In dieser Diplomarbeit wird auf ersteren Typ
eingegangen.
3.3.1
Aufbau und Funktionsweise
Es sind Geräte mit 11 kW (Modulation bis 48%), 19 kW (bis 50%), 24 kW (bis
30%), 29 kW (bis 30%), 43 kW (bis 30%) und 60 kW Heizleistung (bis 39%)
lieferbar. Sie erreichen Norm-Nutzungsgrade bis 109%.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
35
Die Gasbrennereinheit ist mit
einem modulierenden,
vollvormischenden,
keramischen Flächenbrenner
ausgestattet, der die
zulässigen Grenzwerte des
ehemaligen Hamburger
Förderprogramms
unterschreitet.
Hydraulische Komponenten,
wie Heizkreis-Umwälzpumpe,
Thermometer,
Druckmanometer,
automatischer Entlüfter und
Sicherheitsventil sind bereits
im Gerät integriert.
Der UBA-Regler des
Brennwertgerätes erfasst die
Außentemperatur. Daraus
ergibt sich die Soll-
Vorlauftemperatur (=
Regelgröße). In Abhängigkeit
von der Differenz zwischen der
Soll- und Ist- Vorlauftemperatur
(= Regelabweichung) wird das Verbrennungsluftgebläse geregelt. In dem
Venturirohr nach dem Gebläse wird der statische Druck gemessen, der als
Führungsgröße für die Brenngaszufuhr dient, die in der Gasarmatur dosiert
wird. Das vollständig vorgemischte Gas-Luft-Gemisch wird anschließend im
Gasbrenner verbrannt. Das Ergebnis ist ein konstanter CO
2
- und
Abbildung 3.3B: Funktionsprinzip der Gas-
Luft-Verbundregelung (Buderus)
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
36
Feuchtegehalt im Abgas, wodurch eine maximale Brennwertnutzung
gewährleistet wird.
3.3.2
Planung
Wandhängende Gas-Brennwertgeräte eignen sich im wesentlichen für jeden
denkbaren Fall im Einfamilienhausbereich. Allerdings wirkt sich positiv auf den
erreichbaren Jahres-Nutzungsgrad aus, wenn die Rücklauftemperatur
möglichst gering ist. Zwar können bedenkenlos Heizkörper als Heizflächen
benutzt werden, jedoch sollte dabei darauf geachtet werden, dass diese auf
niedrige Systemtemperaturen ausgelegt werden. So sollte man von einer
herkömmlichen Auslegung von 70 °C Vor- und 55 °C Rücklauftemperatur
absehen und eher zu ein System mit beispielsweise 55 °C Vor- und 45 °C
Rücklauftemperatur tendieren. Die Heizkörper werden dann allerdings etwas
größer. Flächenheizsysteme wie z. B. Fußboden- oder Wandheizungen sind
besser für die Brennwerttechnik geeignet.
Es muss abgeklärt werden, ob das anfallende saure Kondensat direkt in das
Abwasserkanalsystem eingeleitet werden darf oder ob es zuvor neutralisiert
werden muss. Dies ist abhängig von den örtlichen Bestimmungen. Da auch
noch in der nachgeschalteten Abgasanlage Kondensat anfallen kann, muss
diese feuchteunempfindlich ausgeführt werden.
Bei Heizungsmodernisierungen im Altbaubereich wird in der Regel nur die
Heizzentrale erneuert, während das Leitungsnetz und die Heizflächen bleiben.
In den meisten Fällen findet man überdimensionierte Gussheizkörper und ein
70/55 oder sogar ein 90/70 °C System vor. Wie bereits erwähnt spielt die
Rücklauftemperatur für die Brennwertnutzung eine entscheidende Rolle.
Rücklauftemperaturen von 55 oder sogar 70 °C ergeben nur eine geringe
Brennwertnutzung. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die besagten
Rücklauftemperaturen nur im Auslegungsfall - in München also nach DIN
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
37
4701-2 bei -16 °C Außentemperatur - eintreten, so dass im Teillastfall häufig
doch Brennwertnutzung möglich ist. Da im Altbaubereich die Heizflächen
häufig überdimensioniert sind, sollte ihre Auslegung in jedem Fall überprüft
und gegebenenfalls die Systemtemperaturen angepasst werden. Häufig kann
man ein altes 90/70 °C - System auch als 70/55 °C - System betreiben,
wodurch die Brennwertnutzung deutlich verbessert wird.
Die Brennwerttechnik stellt bei der konventionellen Verfeuerung fossiler
Brennstoffe - insbesondere Erdgas - höchstwahrscheinlich das Maximum des
technischen Entwicklungspotentials dar. Es werden Norm-Nutzungsgrade bis
109% erreicht - maximal nutzbar wären 111% - d. h. dass nur noch 2% der im
Ergas enthaltenen Energie ungenutzt bleibt. Das technisch Machbare ist
damit ausgereizt. In Zukunft müssen daher Wege gefunden werden, Häuser
mit alternativen Energieträgern zu beheizen. In Zukunft wird sich die Art der
Wärmeerzeugung nicht auf zwei oder drei Energieträger beschränken, wie es
momentan mit Heizöl und Erdgas der Falls ist; es wird Aufgabe des Planers
sein, für den jeweiligen Anwendungsfall den richtigen Energieträger und das
richtige Heizkonzept zu erarbeiten. Der Markt wird sich damit mittel- bis
langfristig in viele verschiedene Energieträger aufsplitten.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
38
3.4 Holzpellets-Kessel
3.4.1 Holzpellets
Abbildung 3.4A: Holzpellets (Fröling)
Holzpellets sind zylindrische Stäbchen aus gepresstem Holzabfall, d. h. sie
werden aus unbehandelten Spänen hergestellt. Holzeigene Bindestoffe
machen das Pellet formstabil und beständig. Bindemittel oder Zusatzstoffe
dürfen bei der Herstellung nicht zugegeben werden. Ausgeschlossen sind
ebenfalls Hölzer, die mit Fremdstoffen belastet sind. Seit 1996 sind sie in
Deutschland als Brennstoff in Kleinfeuerungsanlagen zugelassen. Holzpellets
sind nach DIN 51731 Prüfung fester Brennstoffe - Presslinge aus
naturbelassenem Holz - Anforderungen und Prüfung genormt. Dichte,
Heizwert, Aschegehalt und Größe sind in dieser Norm festgelegt. Deshalb ist
die Verfeuerung vollautomatisch und bei geringsten Emissionen möglich.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
39
Holzpellets im Überblick
Normung
DIN 51731
Dichte
min. 1.000 - 1.400 kg/m³
Schüttdichte
min. 650 kg/m³
Heizwert bez. auf Darrmasse
min. 4,9 kWh/kg
Wassergehalt
12%
Aschegehalt
1,5%
Durchmesser
5 - 6 mm
Länge
25 mm
Staubanteil
10%
Zusammensetzung
100% Holz mit max. 15%
Rindenanteil
Tabelle 3.4A: Holzpellets im Überblick
Angeliefert werden Holzpellets - ähnlich wie bei Heizöl - mit einem
Tankwagen, der die Pellets in den staubdichten Vorratsraum bläst. Die Anzahl
der Pelletshersteller und -lieferanten wächst ständig, es ist jedoch bereits
heute eine bundesweite Deckung vorhanden. Damit unterliegen Holzpellets
dem freien Markt, also Angebot und Nachfrage. Der Preis für Holzpellets ist
nicht bzw. nur indirekt an die Heizöl- und Erdgaspreise gekoppelt. Es ist daher
zu erwarten, dass in Zukunft die Energiekosten von Pelletsanlagen
vergleichsweise niedrig sein dürften. Der Rohstoff Holz ist im Inland verfügbar,
deshalb besteht keine Abhängigkeit zum Ausland. Massive Preissteigerungen
wie es 1973 beim ,,Ölschock" der Fall war, als die arabischen Staaten des
Nahen Ostens ihre Ölförderung drastisch reduzierten, sind daher
unwahrscheinlich.
Laut dem Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieverwendung der
Universität Stuttgart fallen in der Holzindustrie jährlich etwa sieben Millionen
Tonnen Sägenebenprodukte an, wovon etwa ein Fünftel noch nicht verwertet
werden dürfte. Daraus ergibt sich ein energetisch nutzbares Potential von
etwa 5,5 Millionen MWh jährlich, was rund 1,5% des deutschen
Primärenergieverbrauchs entspricht. Grob gerechnet können damit 250.000
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
40
Einfamilienhäuser bei einem Jahresbedarf von rund vier Tonnen Holzpellets
beheizt werden.
3.4.2 Aufbau und Funktionsweise
Die nachfolgenden Ausführungen treffen nicht auf ein spezifisches Produkt zu,
sondern sind möglichst allgemein gehalten und beruhen auf Angaben
folgender führender Hersteller von Holzpellets-Kesseln:
·
KWB Kraft Wärme aus Biomasse GmbH
A - 8321 St. Margarethen / R.235
·
Sommerauer Lindner Heizanlagenbau
Trimmelkam 112
A - 5120 Sankt Pantaleon
·
Fröling Heizkessel- und Behälterbau GmbH
Industriestraße 12
A - 4710 Grieskirchen
·
Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH Co.KG
Ettlinger Straße 30
D - 76307 Karlsbad
Abbildung 3.4B: Holzpellets-Kessel (links: KWB, rechts: Sommerauer Lindner)
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
41
Es werden Kessel mit einer Nennleistung in Abstufungen zwischen 10 und 30
kW angeboten. Die Holzpellets werden aus dem Lagerraum über eine
Förderschnecke oder ein Saugsystem zum Kessel transportiert. Die
Förderschnecke wird eingesetzt, wenn sich der Pelletslagerraum direkt neben
dem Aufstellraum für den Wärmeerzeuger befindet; ist der Lagerraum weiter
entfernt, wird das Saugsystem verwendet. In seltenen Fällen kommt auch eine
Rührwerksaustragung zum Einsatz. Am Kessel angelangt werden die Pellets
entweder über eine zweite Förderschnecke dem Brenner sofort zugeführt oder
zwischengelagert und später verfeuert.
Das gesamte System arbeitet vollautomatisch. So verfügt der Brenner über
eine automatische Zündeinrichtung, in der Regel über ein elektrisches
Heißluftgebläse. Der Modulationsbereich des Brenners ist von Hersteller zu
Hersteller verschieden und liegt normalerweise zwischen 30 und 100%. Im
Teillastbereich muss die Verbrennungsluftzufuhr der Brennstoffzufuhr
angepasst werden, um hohe Kesselwirkungsgrade zu erreichen. Um dies zu
erreichen, werden von den Herstellern unterschiedliche Systeme angeboten.
Das wohl am exaktesten arbeitende ist die Überwachung des
Lüftüberschusses im Abgas mittels einer Lambda-Sonde kombiniert mit einer
Drehzahlanpassung des Verbrennungsluft- und Saugzuggebläses. Somit
werden Kesselwirkungsgrade bis 92% erreicht.
Der Ascheanfall ist bei der Holzverbrennung relativ hoch. Die Kessel verfügen
daher oft über eine automatische Entaschungseinrichtung. Die Asche fällt in
den Aschebehälter, der ungefähr alle zwei Monate geleert werden muss.
Zusätzlich sollte der Brennraum jährlich mit einer Kesselbürste gesäubert
werden.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
42
3.4.3 Planung
Ähnlich wie Ölkessel sind Pelletskessel für nahezu alle denkbaren
Heizsysteme im Einfamilienhaus geeignet. Der Kesselwirkungsgrad ändert
sich nur unwesentlich bei geringen Rücklauftemperaturen, da eine
Brennwertnutzung nicht stattfindet. Die meisten Hersteller empfehlen sogar
eine Rücklaufanhebung vor dem Kessel, um Kondensation im Kessel
vollständig zu vermeiden. Teilweise ist diese Rücklaufanhebung schon im
Kessel integriert.
Abbildung 3.4C: Einbaubeispiel mit Schneckenaustragung (KWB)
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
43
Im der vorangegangenen Abbildung ist eine Gestaltungsmöglichkeit des
Aufstellraumes für den Wärmeerzeuger und des Lagerraumes dargestellt. Die
Pellets werden vom Tankwagen über den Einblasstuten in den staubdichten
Lagerraum gefördert. Dabei entsteht viel Staub, der über den Absaugstutzen
abgesaugt wird. Um ein Zerbrechen der Pellets beim Aufprall auf die
Lagerraumwand zu verhindern, wird die Prallschutzplatte angebracht. Über
die Förderschnecke werden die Pellets durch den Mauerdruchbruch zum
Kessel transportiert, wo sie verfeuert werden. Das Abgas gelangt über den
feuchteunempfindlichen Kamin ins Freie.
3 U
N T E R S U C H T E
W
Ä R M E E R Z E U G E R
44
3.5 Elektro-Wärmepumpe
3.5.1 Aufbau und Funktionsweise
Abbildung 3.5A: Elektro-Wärmepumpe WPF (Stiebel-Eltron)
Die prinzipielle Funktionsweise des Kreisprozesses von Wärmepumpen wurde
bereits in Kapitel 3.1.1 in Bezug auf die DAWP dargestellt. Im Unterschied zur
DAWP wird das Kältemittel nicht durch den Diffusions-Absorptions-Verdichter,
sondern durch einen elektromotorisch angetriebenen Hubkolben- oder
Scrollverdichter komprimiert. Als Arbeitsmedium kommt bei
Hubkolbenverdichtern gewöhnlich R290 (Propan) und bei Scrollverdichtern
R410A zum Einsatz. Im Einfamilienhausbereich werden Leistungsgrößen von
etwa fünf bis etwa 30 kW angeboten.
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Erscheinungsjahr
- 2001
- ISBN (eBook)
- 9783832475093
- ISBN (Paperback)
- 9783838675091
- DOI
- 10.3239/9783832475093
- Dateigröße
- 4.1 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Hochschule für angewandte Wissenschaften München – Versorgungstechnik
- Erscheinungsdatum
- 2003 (Dezember)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- primärenergie schadstoffemission enev heizkessel niedrigenergiehaus
- Produktsicherheit
- Diplom.de
