_Gebäudetechnik
Wärmeerzeugung
Heizkesselarten, KWK, Wärmepumpen, Solarthermie und Brennstoffzelle
Bei der Planung einer Heizung ist es wichtig, sich für einen geeigneten Wärmeerzeuger zu entscheiden und dabei auch die Frage nach dem Brennstoff und dessen Lagermöglichkeiten im Gebäude zu berücksichtigen. Dafür stehen heute viele verschiedene Systeme zur Verfügung, die Wärmeenergie entweder mittels fossiler Brennstoffe oder durch regenerative Energien erzeugen.
Gallerie
Eingesetzt werden z. B. Systeme, bei denen die Wärme durch Verbrennung eines Energieträgers erzeugt wird. Dies erfolgt in Heizkesseln, die hinsichtlich ihrer energetischen Effizienz in Standardkessel, Niedertemperatur- und Brennwertkessel unterschieden werden. Außerdem gibt es Kessel, die mit Brennstoffen aus Biomasse beheizt werden, etwa mit Pflanzenöl oder Holz in Form von Scheitholz, Holzhackschnitzeln oder Holzpellets. Wird neben Wärme auch Strom produziert, handelt es sich um Kraft-Wärme-Kopplung. Immer größere Bedeutung kommt heute den Wärmepumpen zu, welche die Energie aus der Umwelt (Luft, Erdreich, Grundwasser), nutzen, um Wärmeenergie zu erzeugen. Ebenfalls ohne Verbrennung und somit ohne Lagerflächen kommt die Solarthermie aus. Geräte, die die haustechnischen Aufgaben Heizen, Lüften, Kühlen und Warmwasserbereiten komplett übernehmen, werden als Integralsystem, Kombigerät, Komplettsystem oder Zentralgerät bezeichnet.
Wärmepumpen
Wärmepumpen sind technische Heizeinrichtungen, die einen Wärmestrom
bei niedriger Temperatur aufnehmen und mittels Energiezufuhr bei
höherer Temperatur wieder abgeben. Dabei entzieht die Wärmepumpe
die in der Umwelt bzw. Umgebung (Erdreich, Grundwasser oder Luft)
gespeicherte Wärme. Auch Prozesswärme aus Abwasser und Abluft
(etwa aus Kühlanlagen oder Lüftungsanlagen) kann genutzt werden.
Das Prinzip von Wärmepumpen ähnelt dem eines Kühlschranks, mit
Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventil – nur
umgekehrt. Die erzeugte Wärmeenergie wird an den Heiz- und
Warmwasserkreislauf abgegeben und (siehe auch Beitrag
Wärmepumpen). Manche Wärmepumpen können auch kühlen, wobei
sie dann als reversible Wärmepumpe bezeichnet werden. Wärmepumpen
sind Stand der Technik, ihr Einbau wird vom Staat gefördert, um die
vereinbarten Klimaziele zu erreichen.
Standardkessel
In konventionellen Heizkesseln wird die Energie der Brennstoffe Gas
oder Öl, die bei der Verbrennung in thermische Energie umgewandelt
wird, mithilfe eines Wärmeaustauschers an den Heizkreis übertragen.
Da sie mit konstanter Kesseltemperatur betrieben werden, ergeben
sich im Vergleich zu anderen Systemen hohe Abgas- und
Wärmeabstrahlverluste. Aus diesem Grund sollten und dürfen sie
heute nicht mehr eingesetzt werden.
Niedertemperaturkessel
Niedertemperaturkessel
(auch NT-Kessel) eignen sich für die Verbrennung von flüssigen
und/oder gasförmigen Brennstoffen, in der Regel Heizöl oder Gas.
Bei jeder Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht als
Verbrennungsprodukt Wasser. Heizöl bildet bei der Verbrennung
weniger Wasserdampf als Erdgas, entsprechend geringer ist der
energetische Zugewinn. Wegen ihrer geringen Oberflächentemperaturen
(Vorlauftemperatur 70° oder 55°C, Rücklauftemperatur ca. 55° oder
45°C) eignen sich Niedertemperaturheizungen vor allem für
Flächenheizungen. Da es im normalen Betrieb zu keiner Kondensation
des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt, sind die
Wirkungsgrade eines Niedertemperaturkessels geringer als die eines
Brennwertkessels. NT-Kessel haben meist geringere
Anschaffungskosten, die laufenden Kosten sind aufgrund der
niedrigeren Energieeffizienz allerdings höher.
Brennwertkessel
Die Funktionsweise von Brennwertkesseln ist vergleichbar mit der
konventioneller Kessel. Zusätzlich nutzen sie jedoch die
Kondensationswärme des Wasserdampfes im Abgas und bieten damit eine
höchstmögliche Brennstoffausnutzung. Brennwertkessel werden
temperaturveränderlich zwischen (theoretischer) Raumtemperatur und
maximal bis zu 80 °C betrieben. Die wirtschaftlichste Ausnutzung
erzielen sie bei Außentemperaturen zwischen +10 °C und -5 °C, d.h.
bei einer Anlagenauslastung zwischen dreißig und achtzig Prozent.
Je nach Brennstoff wird zwischen Öl- und Gasbrennwertkesseln sowie
Festbrennstoffkesseln unterschieden.
Öl-Brennwertkessel werden überwiegend zur Raumheizung und zur Trinkwassererwärmung in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie gewerblichen und kommunalen Gebäuden genutzt. Durch den niedrigeren Wasserdampf-Taupunkt des Heizgases sollten Öl-Brennwertkessel nur in Verbindung mit Niedertemperatur-Heizsystemen mit einer maximalen Auslegungs-Rücklauftemperatur von 50 °C eingesetzt werden.
Gas-Brennwertkessel werden überwiegend zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung in Mehrfamilienhäusern, kommunalen und gewerblichen Gebäuden sowie zum indirekten Beheizen von Schwimmbädern genutzt. Um den vollen Brennwert des Gases auszunutzen, sind möglichst niedrige Rücklauftemperaturen anzustreben, da hier die weitestgehende Kondensation erreicht wird. Die Leistungsbandbreite geht bei wandhängenden Bauformen bis etwa 60 kW. Bodenstehend bis zu mehreren 1.000 kW.
Festbrennstoffkessel
Das Spektrum an Wärmeerzeugern für Festbrennstoffe ist groß. Es
reicht vom Kohleofen über offene Kaminöfen bis zum modernen
Holzkessel mit automatischer Beschickung.
Festbrennstoffkessel eignen sich zur Verbrennung von Koks, Stein- und Braunkohle, Briketts, Holz, Hackschnitzeln, Stroh und Ähnlichem. Durch ihren im Vergleich zu Öl- und Gasheizungen höheren Wartungsaufwand und dem geringeren Bedienkomfort sind sie mittlerweile eher selten anzutreffen. Eine Ausnahme bilden moderne Holzheiz-, Holzvergaser- und Holzhackschnitzelkessel, die über eine gute Leistungsregelung verfügen und hohe Wirkungsgrade erzielen. Sie finden häufig als Beistellkessel zu einem Öl- oder Gaskessel Verwendung. Grundsätzlich sollten sie mit einem Pufferspeicher betrieben werden, um überschüssige Wärme zwischenzuspeichern.
Pelletkessel sind Zentralheizungskessel für das Beheizen gesamter Gebäude sowie für die Warmwasserbereitung. Durch das automatische Beschicken mit industriell gefertigten und normierten Holzpellets unterscheiden sie sich im Komfort nicht von konventionellen Öl- und Gaskesseln. Mit Pelletkesseln lassen sich alle wasserführenden Wärmeabgabesysteme wie Radiatoren, Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen betreiben. Holzpellets gelten als umweltfreundliche, weil nachwachsende Alternative zu konventionellen Ressourcen wie Gas oder Öl. Die Primärenergiebilanz ist tatsächlich aber nur dann gut, wenn das Holz aus nachhaltig bewirtschafteten Wäldern stammt.
Kaminöfen werden im Wesentlichen mit Holz betrieben.
Durch den unvollständigen Verbrennungsprozess ist der
Schadstoffausstoß relativ hoch. Obwohl sie hohe Wärmeleistungen
erbringen können (allerdings sind sie dafür regelmäßig zu
bestücken), werden herkömmliche Kamine eher aus
„Behaglichkeitsgründen“ verwendet. Moderne, wasserführende Kamine
mit Wärmetauscher hingegen können mit der bestehenden
Heizungsanlage kombiniert werden und so die Grundlast etwa eines
Einfamilienhauses decken. Je nach Einzelfall kann es sogar sinnvoll
sein, den Kamin als alleinige Wärmequelle zu nutzen. Er sollte
jedoch immer mit einem Pufferspeicher kombiniert werden, der die
Wärmeenergie des nicht permanent betriebenen Kaminofens
zwischenspeichert. Noch effizienter wird das System mit einem
Abgaswärmetauscher, der die im Abgas enthaltene Wärme zurückgewinnt
und dem Heizkrauslauf zuführt.
Kraft-Wärme-Kopplung
Als Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird die gleichzeitige Gewinnung von
Strom und Wärme für Heizung und Warmwasser in einer Anlage
bezeichnet. Dabei werden drei verschiedene Techniken unterschieden:
die Wärmeauskopplung aus Kraftwerken, Blockheizkraftwerken (BHKW)
und Brennstoffzellen.
Heizkraftwerke
Im Gegensatz zu Heizwerken, die ausschließlich Wärme erzeugen,
liefert ein Heizkraftwerk auch elektrische Energie in Form von
Strom. Wie bei einem thermischen Kraftwerk erfolgt die
Wärmeerzeugung durch Verbrennung fossiler oder biogener
Brennstoffe, durch einen Kernreaktor oder die Sonne. Mit dieser
Wärme wird heißer Dampf zum Antrieb einer Turbine erzeugt. Dabei
kühlt er ab, weist aber immer noch Temperaturen zwischen 50 und 100
°C auf. In einem Heizkraftwerk wird diese Abwärme genutzt. Dabei
verringert sich jedoch die Stromausbeute. Der Wirkungsgrad
der Stromerzeugung liegt bei etwa 30 bis 35 Prozent, der eines
reinen Kraftwerks bei etwa 40 Prozent. Der Anteil der
Wärmeauskopplung beträgt rund 35 Prozent. Damit erreichen sie einen
Gesamtnutzungsgrad der Primärenergie von bis zu 80 Prozent. Manche
Anlagen erreichen sogar Nutzungsgrade von 85 Prozent und mehr. Der
Transport der Heizwärme zu den Verbrauchern erfolgt über
Fernwärmeleitungen, weshalb Heizkraftwerke auch in der Nähe von
städtischen Verdichtungsräumen angeordnet werden.
Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind kompakte
Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen, die Strom und Wärme vorzugsweise am
Ort des Wärmeverbrauchs erzeugen. Als Antrieb kommen Diesel- und
Gas-Ottomotoren, aber auch Pflanzenöl- und Stirlingmotoren zum
Einsatz. Die Abwärme dieser Motoren entweicht nicht ungenutzt,
sondern wird zu Heizzwecken verwendet. Dabei wird die Stromausbeute
nicht beeinflusst. Auf diese Weise lassen sich bis zu 40 Prozent
der eingesetzten Primärenergie einsparen. Blockheizkraftwerke gibt
es in verschiedenen Ausführungen. Große Anlagen eignen sich für die
Strom- und Wärmeversorgung z.B. einer Schule oder eines
Krankenhauses, kleinere, die sogenannten Mini- oder Mikro-BHKW, für
die Versorgung von Ein- und kleinen Mehrfamilienhäusern.
Brennstoffzellen
Bei einer Brennstoffzelle wird Strom auf elektrochemischem Weg aus
dem Energieträger Wasserstoff gewonnen. Bei der Reaktion von
Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht Wärme, die ausgekoppelt und zu
Heizzwecken genutzt werden kann. Ebenso wie bei einem Blockheizkraftwerk
wird durch die Wärmeentnahme die Stromausbeute nicht beeinflusst.
Moderne Anlagen gewinnen den Wasserstoff sogar selbsttätig aus
Erdgas, wobei Methan und Wasser unter Hitze zu Wasserstoff und
Kohlenstoffdioxid reagieren. Das CO2 wird dabei
allerdings in die Atmosphäre abgegeben werden, was ungünstig für
den Treibhauseffekt ist. Neueste Technologien wandeln hingegen
Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff um. Der
Brennstoffzellentechnologie für die Beheizung von Ein- und
Mehrfamilienhäusern wird noch wenig eingesetzt, in Zukunft kann sie
jedoch eine wichtige Rolle als Mini-Kraftwerk im Keller spielen,
vor allem vor dem Hintergrund der „Nationalen Wasserstoffstrategie“
des Bundes.
Solarthermie
Thermische Solaranlagen verwandeln die Strahlungsenergie der Sonne
in Wärme, die zur Trinkwassererwärmung oder/und zur
Heizungsunterstützung verwendet werden kann. Als alleinige Heizung
reicht sie in unseren Breitengraden in der Regel nicht aus (siehe
auch Beitrag Solarthermie). Solarthermieanlagen befinden
sich meist auf dem Dach und sind möglichst günstig in Richtung der
Sonne ausgerichtet. Da die Sonne nicht immer gleich stark scheint,
müssen Pufferspeicher (etwa als Warmwasserspeicher) eingeplant
werden.
Komplettsysteme
Bei diesen Systemen sind die Wärmeerzeugung und Lüftung gekoppelt.
Auch die Kühlung und Warmwasserbereitung können integriert werden.
Die Geräte/Systeme werden mit Wärmepumpen betrieben und nutzen die
Wärmerückgewinnung.
Der warmen Gebäudeabluft wird in einem Luft/Luft-Wärmeüberträger
Energie entzogen, danach nochmals über die Wärmepumpe. Die
zurückgewonnene Energie wird an das Warmwasser oder den
Heizungskreislauf übertragen. Als zusätzliche Wärmequelle dient die
Außenluft, auch Solarkollektoren können als zusätzliche Wärmequelle
mit angeschlossen werden. Die Produkte werden als Integralsystem,
Kombigerät, Komplettsystem, Lüftungsheizung oder Zentralgerät
angeboten. Die Möglichkeiten, innerhalb eines Komplettsystems oder
einer hybriden Anlage die Energieströme effizient zu steuern und
möglichst viel Energie zu nutzen, sind mittlerweile sehr vielfältig
und hängen von den örtlichen Gegebenheiten ab. Die Planung
gemeinsam mit einer Expertin oder einem Experten ist daher
unerlässlich.
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