Felduntersuchung: Betriebsverhalten von Heizungsanlagen mit Gas-Brennwertkesseln

(31.7.2004) Bereits kurz nach Abschluss des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU ) geförderten Projektes "Felduntersuchung - Betriebsverhalten von Heizungsanlagen mit Gas-Brennwertkesseln" war der im Internet veröffentlichte Endbericht Gesprächsthema der Heizungs- und Kesselbranche. In einem Workshop, veranstaltet von ProKlima Hannover und dem Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Dieter Wolff von der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel, wurden bereits die Ergebnisse ca. 15 Vertretern von Kesselhersteller vorgestellt.

Hier werden nun die wichtigsten Ergebnisse der Feldstudie kurz vorgestellt, in der die Verluste von ca. 60 Anlagen mit Brennwertkesseln in Einfamilienhäusern über mehr als zwei Jahre messtechnisch erfasst wurden:

Vorbemerkung: Die Messungen wurden zum ersten Mal in der Praxis nach einem neuen z.Z. für die Normung zur zukünftigen Europäischen Gebäuderichtlinie entwickelten Verfahren des "Normierten Aufwands/Verbrauchs" ausgewertet. Dieses Verfahren ist kompatibel zur bekannten Jahresnutzungsgrad-Theorie für Wärmeerzeuger, wobei in einfacher Weise die verbrauchte Endenergie (hier der Gasverbrauch) über der abgegebenen und mit Wärmemengenzählern erfassten Kesselnutzenergie durch Regressionsgeraden ausgewertet wird.

Brennwertkessel erreichen nicht die häufig kolportierten Normnutzungsgrade

Das Projekt hat deutlich bestätigt, dass die häufig in Herstellerunterlagen angegebenen Normnutzungsgrade von Brennwertkesselanlagen (105 - 110% bezogen auf den unteren Heizwert) im Praxisbetrieb unter den in klassischen Heizungsanlagen vorliegenden Randbedingungen nicht zu erreichen sind. Gemessen wurde statt dessen ein durchschnittlicher Nutzungsgrad zwischen 95 und 96 % (bezogen auf den unteren Heizwert). In den untersuchten Gebäuden führt dies zu mittleren Kesselverlusten von 15 - 16 kWh (bezogen auf den Brennwert) je m² beheizter Wohnfläche und Jahr. Zum Vergleich: Die Kesselverluste würden etwa den gesamten Heizwärmebedarf eines Passivhauses decken.

Gegenüber Heizwertgeräten, die ebenfalls untersucht wurden (8 Anlagen), schnitten die Brennwertanlagen trotzdem mit um 10%-Punkten höheren Nutzungsgraden sehr viel besser ab. Die Brennwerttechnik wird durch die Ergebnisse der Studie also auf keinen Fall in Frage gestellt.

Überraschend und nicht erwartet zeigten Geräte mit integrierten elektronisch geregelten Pumpen niedrigere normierte Gesamtnutzungsgrade bzw. höhere spez. Kesselverluste als solche mit stufigen ungeregelten Pumpen.

Das Projekt bestätigt die zentralen Forderungen an die Konstruktionen von Brennwertgeräten für das Einfamilienhaus mit nebenstehenden Trinkwarmwasserspeichern: Demnach sind Wärmeübertrager in Gasbrennwertgeräten so zu konzipieren, dass der wasserseitige hydraulische Widerstand vernachlässigbar und dadurch der Einsatz von Überströmventilen überflüssig wird. Dies würde den Einsatz der kleinsten heute bereits verfügbaren Umwälzpumpen mit ca. 10 - 25 W elektrischer Leistungsaufnahme anstelle der heute üblichen Pumpen zwischen 60 - 150 W ermöglichen. Der Primärenergieverbrauch könnte um 8 - 15% bzw. die Verluste um weitere 6 - 25 kWh Primärenergie je m² und Jahr in neuen Einfamilienhäusern vermindert werden. Geräte mit geringem hydraulischen Widerstand werden bereits seit vielen Jahren von einzelnen Herstellern angeboten, wurden z. T. jedoch wieder aus den Programmen herausgenommen.

Die heutigen Konstruktionen von Brennwertwandgeräten der meisten Hersteller leiten sich überwiegend aus den früheren Konstruktionen von Umlaufgaswasserheizern ab und geben damit der Forderung nach kostengünstigen und kompakten Wandgeräten auch für die Etagenheizung und für die kombinierte Warmwasserbereitung (Kombiheizgeräte) nach. Diese Geräte mit sehr geringem Wasserinhalt erfordern einen Mindestkesselwasservolumenstrom und in vielen Fällen aus verschiedenen Gründen den Einsatz von Überströmventilen. In der Felduntersuchung hatten 35 von 60 Anlagen verschiedenster Fabrikate ein Überströmventil.

Neben der erhöhten notwendigen Pumpenenergie verschlechtert der Einsatz von Überströmventilen die Brennwertnutzung in den Heizungsanlagen durch Anhebung der Kesselrücklauftemperatur. Werden alle Geräte mit Überströmventil mit allen Geräten ohne Überströmventil (unabhängig vom Fabrikat) verglichen, weisen erstere einen im Mittel um 4%-Punkte geringeren Jahresnutzungsgrad auf. Der Einsatz eines Überströmventils ist damit kein herstellerspezifisches Merkmal. Der Vergleich der drei am häufigsten in dem Feldtest eingesetzten Geräte von drei verschiedenen Herstellern zeigt aber, dass das Fabrikat mit vorgeschriebenem Überströmventil einen nur um 2,7 %-Punkte niedrigeren normierten Jahresnutzungsgrad aufweist als die beiden anderen Geräte, die nur in Einzelfällen ein Überströmventil aufweisen. Zusätzliche Geräte- und Anlagenmerkmale spielen deshalb eine wesentliche Rolle.

Für Brennwertgeräte muss künftig ein sinnvoller Kompromiss aller Forderungen gefunden werden

Die Untersuchung ergibt daraus ein zukünftig noch auszuschöpfendes Optimierungspotential durch eine bessere Integration von Brennwertkesseln in das Gesamtsystem Heizung:

• Optimierte Gerätkonstruktionen mit heizwasserseitig geringen hydraulischen Widerständen und mit Verzicht auf den Einsatz von Überströmventilen,
• Durchführung eines hydraulischen Abgleichs,
• kleinere Pumpen (intern oder extern) mit für das Heizrohrnetz einstellbaren Förderhöhen,
• Einstellung von Heizkurven am Kesselregler zur Realisierung eines Niedertemperaturbetriebs,
• Aufstellung der Geräte mit raumluftunabhängigem Betrieb im beheizten Bereich.

Diese Aufgabenstellungen sind neben anderen auch die Themen eines z.Z. parallel von der DBU geförderten größeren Projektes "OPTIMUS" zur Optimierung von Heizanlagen mit dem Schwerpunkt: "Hydraulischer Abgleich", an dem auch die FH Braunschweig/Wolfenbüttel beteiligt ist.