Heizungsanlagen - für Laien erklärt
Heizungsanlagen - für Laien erklärt

Der Einbau eines Brennwertkessels in eine bestehende Einrohrheizung in einem Einfamilienhaus

1. Die Einrohrheizung

 

Eine Einrohrheizung ist eine Warmwasserheizung, bei der die Heiz-

körper in einer Ringleitung (Einrohr) der Reihe nach mit Warmwasser beliefert werden.

Im obigen Schema kommt das warme Wasser am Punkt 1 in der Ringleitung an. Ein Teil (ca. 35 %) fließt durch den Heizkörper 1, der restliche Teil (ca. 65 %) fließt durch den Bypass am Heizkörper vorbei. Hinter dem Heizkörper 1 mischt sich das im Heizkörper abgekühlte Wasser mit dem warmen Wasser vom Bypass, es bildet sich eine Mischtemperatur, mit der der Heizkörper 2 wieder mit ca. 35 % der Ringwassermenge beaufschlagt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich an den folgenden Heizkörpern, bis am Punkt 11 das Wasser zum Kessel zurückfließt.

Für eine Beispielrechnung werden folgende Annahmen getroffen: Da nach der DIN 4704 (ab Oktober 1971) die Wärmeleistung von Heiz-

körpern bei einer Vorlauftemperatur von 90 °C und einer Rücklauf-

temperatur von 70 °C bestimmt wurde, wird angenommen, dass die Heizungsanlage für diese Temperaturen ausgelegt wurde.

 

Die Heizkörper sollen folgende Leistungen haben:

Für die Berechnung der Wassermenge in der Ringleitung und der Temperaturen an den Heizkörpern gilt folgende Formel:

VRing = 172 l/h

 

Jeder Heizkörper soll von 35 % der Ringleitungswassermenge,
das sind VHk = 60 l/h durchflossen werden.

In der folgenden Tabelle werden die Temperaturen, die sich an den einzelnen Heizkörpern einstellen, zusammengefasst.

2. Der  Brennwertkessel

 

Im Gegensatz zu anderen Heizkesseln nutzt der  Brennwert-

kessel zusätzlich die Wärme, die im Wasserdampf des Abgases enthalten  ist.

 

Doch zunächst ein kleiner Ausflug in die Physik:

Wenn man Wasser zum Kochen bringt und ihm dann weiter Wärme
zuführt, verdampft es, ohne dass seine Temperatur steigt. Man muss dem Wasser also die so genannte „Verdampfungswärme“ zuführen, um aus Wasser Dampf zu machen. Umgekehrt gibt Wasserdampf Wärme ab, wenn er abgekühlt wird und dadurch wieder zu Wasser (Kondensat) wird. Diesen Wärmegewinn beim Kondensieren des Wasserdampfes nützt der Brennwertkessel, indem er mit dem „kalten“ Rücklaufwasser das ca. 160 oC heiße Abgas so weit herunterkühlt, bis der Wasserdampf im Abgas kondensiert und seine Wärme an das Rücklaufwasser abgibt. Auf diese Weise kann das Abgas bis auf ca. 60 oC abgekühlt werden.

 

Da die Kondensationstemperatur des Wasserdampfes im Abgas
bei der Verbrennung von Erdgas bei ca. 57 oC liegt, muss die
Rücklauf­temperatur möglichst weit unter ca. 50 oC liegen, um eine einigermaßen gute Brennwertnutzung zu erreichen.

In der linken Brennkammer wird das Gas verbrannt. Mit der dadurch entstehenden Wärme wird im 1. Wärmetauscher das Heizungswasser erhitzt und dann zu den Heizkörpern gepumpt. Hier gibt das Wasser seine Wärme über die Heizkörper an die Umgebung ab. Über den Heizungsrücklauf gelangt das „kalte“ Wasser in die rechte Abgaskammer. Hier kühlt das Wasser im 2. Wärmetauscher das heiße Abgas unter die Kondensationstemperatur des Wasserdampfs ab und nimmt dabei Wärme, die dann der Brenner nicht mehr erzeugen muss, auf. Das anfallende Kondensat wird durch den Kondensatablauf abgeleitet. Das abgekühlte Abgas wird durch den Kamin ins Freie geleitet.

3. Die Heizkurve

 

Mit der Heizkurve wird jeder Außentemperatur eine entsprechende Vorlauftemperatur zugeordnet.

Im Diagramm 1 sind zwei verschiedene Heizkurven dargestellt.

Die rote (obere) Heizkurve soll die „Auslegungs-Heizkurve“
zeigen. Hier wird bei einer Außentemperatur von -18 oC eine
Vorlauftemperatur von 90 oC eingestellt. „Auslegungs-Heizkurve“
deshalb, weil nach den DIN-Normen 4701 und 4704, die bei der Errichtung der Heizungsanlage galten, für die Ermittlung des Wärmebedarfs eines Gebäudes in Nürnberg eine tiefste Außentemperatur von -18 oC und für die Auslegung der Heizkörper eine Vorlauftemperatur von 90 oC und eine Rücklauftemperatur von 70 oC zugrunde gelegt wurden.

Die blaue (untere) Heizkurve ist willkürlich gewählt und ordnet einer Außentemperatur von -20 oC eine Vorlauftemperatur von 75 oC zu. Damit soll versucht werden, die Heizung „niedriger einzustellen“, um Energie zu sparen.

Mit der „Auslegungs-Heizkurve“ erhält man in Abhängigkeit zur Außentemperatur folgende Vor- und Rücklauftemperaturen:

Anhand der Tabelle 3 kann man erkennen, dass im „Auslegungs-

zustand“ erst ab Außentemperaturen über -5 oC Rücklauf-

temperaturen unter ca. 50 oC , die für den Brennwerteffekt notwendig sind, erreicht werden.

4. Der energiesparende Betrieb einer Einrohrheizung

 

Normalerweise ist die Einrohrheizung für den Einbau eines Brennwert­kessels wenig geeignet, weil an geschlossenen Heizkörpern das warme Wasser durch den Bypass am Heizkörper vorbei fließt und nicht abge-

kühlt in den Rücklauf gelangt. Dadurch wird die Temperatur im Rücklauf (Punkt 11 im Bild 1) angehoben und die Brennwertnutzung verhindert.

 

Beispiel: Nach Tabelle 3 erhält man bei einer Außentemperatur von

-5 oC und einer Vorlauftemperatur von 69 oC eine Rücklauftemperatur von 49 oC, wenn alle Heizkörper geöffnet sind. Dadurch kann der Brennwert-Effekt genutzt werden. Werden aber dieHeizkörper 2 (Küche) und 3 (Schlafzimmer) geschlossen, erhält man eine Rücklauftemperatur von 55 oC, der Brennwert-Effekt setzt nicht ein.  

 

Bei Betrieb eines Brennwertkessels soll also die Rücklauftemperatur möglichst weit unter ca. 50 oC liegen, was man durch zwei verschiedene Maßnahmen erreichen kann:

  • durch Absenkung der Vorlauftemperatur
  • durch Verringerung der Wassermenge

Dies ist vor allem dann Erfolg versprechend, wenn manche Heiz-

körper nie oder selten benötigt oder die Heizkörper überdimensioniert sind, was früher häufig der Fall war. In der DIN-Norm 4701wurde z. B. bei der Ermittlung des Wärmebedarfs ein „Auslegungszuschlag“ von

15 % dazugerechnet.

4.1. Absenkung der Vorlauftemperatur

 

Durch das Einstellen einer niedrigen Heizkurve kann man entsprechend tiefe Rücklauftemperaturen erreichen. Dies hat aber seine Grenzen, denn mit sinkender Vorlauftemperatur verringert sich die Wärmeleistung der Heizkörper. Oft kann diese Leistungsminderung durch die Überdimensionierung der Heizkörper wieder ausgeglichen werden. Wenn Berechnungs- oder Auslegungsunterlagen für die Heizungsanlage fehlen, empfiehlt es sich, eine relativ niedrige Heizkurve einzustellen und dann zu beobachten, ob alle beheizten Räume auf die gewünschte Temperatur erwärmt werden. Ist das nicht der Fall, muss die Heizkurve so lange angehoben werden, bis die optimale Einstellung erreicht ist.

 

4.2. Verringerung der Wassermenge

 

Die Verringerung der Wassermenge ist in den meisten Fällen möglich, vor allem wenn man bedenkt, dass Heizkörper auf verringerte Wassermengen kaum reagieren. So geben Heizkörper noch ca. 83 % ihrer Auslegungsleistung ab, selbst wenn sie nur von 50 % ihrer Auslegungswassermenge durchströmt werden. Das kommt daher, weil das Wasser den Heizkörper langsamer durchströmt und damit länger Zeit hat, seine Wärme abzugeben. Hier kann man sich mit einer drehzahlgesteuerten Umwälzpumpe an die optimale Wassermenge „rantasten“, die dann aber konstant eingehalten werden muss.

4.3. Der energiesparende außentemperaturabhängige Heizbetrieb

 

Die obigen Ausführungen bezogen sich größtenteils auf eineAußen-

temperatur von -18 oC, die während der Heizperiode nur einige
Stunden ansteht. Jetzt soll der Heizbetrieb bei allen anderen Außentemperaturen betrachtet werden.

 

Dazu werden folgende Annahmen getroffen:

  • Das Schlafzimmer und die Küche werden nicht beheizt, die Heiz­körperventile bleiben geschlossen. Dadurch kann die Wasser­menge
    um die Menge, die zur Beheizung dieser beiden Räume benötigt wird, reduziert werden. Laut Formel 1 sind das 52 l/h. Da aber Wärme aus den beheizten Räumen in die beiden unbeheizten Räume überströmt (durch die Zwischenwände oder offene Türen), wird die Heizlast der beheizten Räume um 10 %, das sind 280 Watt, erhöht. Dadurch erhält man eine gesamte Ring-Wasser­menge von 132 l/h.
  • Durch die angenommene Überdimensionierung der Heizkörper kann die blaue Heizkurve im Diagramm 1 gefahren werden.

 

Aufgrund der obigen Annahmen ergeben sich folgende Temperaturen:

Anhand der Tabelle 4 kann man erkennen, dass im „Energiespar-

betrieb“ schon ab Außentemperaturen über -15 oC der Brennwert-Effekt einsetzt.

5. Ergebnis

 

Aufgrund der obigen Ausführungen kann man erkennen, dass man
durch eine sinnvolle Einstellung der Heizungsanlage erheblich Energie einsparen kann. Die Einsparungen erhält man vor allem durch

  • ein niedrigeres Temperaturniveau
  • Nutzung des Brennwert-Effekts

 

Man kann auf einfache Weise prüfen, ob und wie gut der Brennwert-Effekt bei einem Heizkessel genützt wird. Dazu muss man nur das
anfallende Kondensat durch einen geeigneten Behälter auffangen.

Je größer die Kondensatmenge, desto besser die Brennwertnutzung.

Jürgen Wüst

Dipl.-Ing. (FH)

 

26.7.2013

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