Wirkungs- und Nutzungsgrade von Heizkesseln

Die Effizienz einer Heizungsanlage beeinflusst maßgeblich den Brennstoffverbrauch und damit sowohl die Heizkosten eines Gebäudes als auch die Umweltbelastung durch Abgase. Beim Einsatz von fossilen Brennstoffen erreichen moderne Brennwertkessel Wirkungsgrade von über 100 % (bezogen auf den Heizwert). Was zunächst die physikalischen Grenzen zu sprengen scheint, lässt sich durch die Definition der Bezugswerte erklären. Dennoch gilt: Wer eine bestehende Anlage saniert oder eine neue einbaut, sollte beachten, dass selbst moderne Kessel nicht an die Effizienz von Wärmepumpen herankommen.

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Wichtige Kennzahlen im Zusammenhang mit Heizkesseln

Bei der Bewertung und Auswahl eines Heizkessels müssen verschiedene Kennzahlen berücksichtigt werden. Dabei ist es wichtig, zwischen Brennstoffkennwerten und Anlagenkennwerten zu unterscheiden. 

Brennstoffkennwerte beschreiben den Energieinhalt des eingesetzten Brennstoffs:

• Heizwert (H_i): Der Heizwert ist die Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung eines Stoffes frei wird, wenn das entstehende Wasser in Form von Wasserdampf im Abgas verbleibt. Die im Wasserdampf enthaltene latente Wärme wird dabei nicht genutzt.
  
• Brennwert (H_s): Der Brennwert ist die gesamte Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung eines Stoffes frei wird, einschließlich der Energie, die durch die Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs gewonnen werden kann. Daher ist der Brennwert immer höher als der Heizwert. Bei Erdgas liegt er etwa 10 bis 11 % über dem Heizwert und bei Heizöl 5 bis 6 %.

Anlagenkennwerte beschreiben die Effizienz des Heizkessels bzw. des Heizsystems.

• Wirkungsgrad (η): Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von abgegebener Nutzwärme zur zugeführten Brennstoffenergie zu einem bestimmten Zeitpunkt oder unter definierten Betriebsbedingungen (z. B. Volllast oder Teillast).
• Nutzungsgrad (η_N): Der Nutzungsgrad ist eine praxisnahe Kennzahl, die den Wirkungsgrad über einen längeren Zeitraum (in der Regel ein Jahr) betrachtet. Dabei werden verschiedene Betriebszustände sowie Verluste, etwa durch Stillstand oder Teillastbetrieb, berücksichtigt.

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Spezialfall Brennwertkessel

Die Brennwerttechnik ist heutzutage Standard für Wärmeerzeuger mit fossilen Brennstoffen. Sie nutzt nicht nur die im Brennstoff enthaltene Energie des Brennstoffs, sondern entzieht auch den Abgasen bzw. dem darin gebundenen Wasserdampf zusätzliche Wärme. Großflächige Wärmetauscher kühlen die Abgase unter die Taupunkttemperatur (bei Erdgas etwa 55 °C) ab, wobei sich der Wasserdampf verflüssigt. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird ebenfalls an das Heizungswasser übertragen. Brennwertgeräte benötigen ein feuchteunempfindliches, korrosionsbeständiges Abgassystem (häufig aus Kunststoff), durch das die abgekühlten Abgase abgeführt werden. 

Dabei können Wirkungsgrade von über 100 % auftreten, was sich mit der Historie der Begrifflichkeiten erklären lässt: Der Wirkungsgrad bezieht sich auf den Heizwert. Da bei der (jüngeren) Brennwerttechnik jedoch zusätzlich Energie genutzt wird, die im Heizwert nicht berücksichtigt ist, ergeben sich Werte von bis zu etwa 111 % (bei Gas). Bezogen auf den physikalisch korrekten Brennwert (also inklusive der im Wasserdampf enthaltenen Energie) erreichen moderne Brennwertkessel Wirkungsgrade von etwa 95 bis 98 %. 

Früher weitverbreitete Konstanttemperaturkessel oder auch Niedertemperaturkessel weisen deutlich geringere Wirkungs- und Nutzungsgrade auf. Aufgrund aktueller gesetzlicher Vorgaben dürfen diese Systeme heute in der Regel nicht mehr installiert werden. Auch wenn es einige Ausnahmen gibt (etwa bei Gas-Etagenheizungen), ist der Einbau dieser veralteten Technik nicht mehr ratsam. Sie gilt als technisch und energetisch überholt, da mittlerweile deutlich effizientere und umweltfreundlichere Technologien zur Verfügung stehen.

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Wichtige Normen und Regelwerke

Die Effizienz und der Betrieb von Heizkesseln (besonders mit fossilen Brennstoffen) unterliegen strengen gesetzlichen Leitplanken, die bei der Planung berücksichtigt werden müssen. Die wichtigsten sind:

• GEG (Gebäudeenergiegesetz): Das zentrale Regelwerk in Deutschland, das die Anforderungen an die energetische Qualität von Gebäuden und die Effizienz von Heizungsanlagen definiert (hat die EnEV abgelöst).
• Ökodesign-Richtlinie (ErP-Richtlinie): Eine EU-weite Verordnung, die Mindesteffizienzen für Heizgeräte festlegt. Sie ist der Grund, warum reine Niedertemperaturkessel heute kaum noch neu in Verkehr gebracht werden dürfen.
• DIN V 18599 / DIN V 4701-10: Diese Normen dienen der energetischen Bewertung von Gebäuden und berechnen den Primärenergiebedarf unter Berücksichtigung der Kesselnutzungsgrade.
• BImSchV (Bundes-Immissionsschutzverordnung): Regelt die Grenzwerte für Abgasverluste und Emissionen, die regelmäßig vom Schornsteinfeger überprüft werden.
• VDI 2035 (Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen): Diese wichtige Richtlinie für moderne Brennwertkessel regelt die Wasserbeschaffenheit (Härte, pH-Wert). Da Brennwert-Wärmetauscher oft aus Aluminium-Silizium oder Edelstahl bestehen, führt falsches Heizungswasser schnell zu Korrosion oder Kalkablagerungen. Bei vielen Herstellern von Wärmetauschern riskiert man die Garantie, wenn diese Richtlinie nicht befolgt wird.
• VDI 2067 (Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen): Diese Richtlinie wird genutzt, um die Kosten von Heizsystemen über die gesamte Lebensdauer zu berechnen (Investition, Wartung, Verbrauch). Sie dient als Basis für einen seriösen Variantenvergleich.

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