Wärmeerzeugung

Heizkesselarten, KWK, Wärmepumpen und Solarthermie

Bei der Wahl einer Heizung ist neben dem Brennstoff und der Möglichkeit seiner Lagerung vor allem der geeignete Wärmeerzeuger von Bedeutung. Als Sammelbegriff steht er für alle Arten von Heizgeräten. Zum Einsatz kommen z.B. Systeme, bei denen die Wärme durch Verbrennung eines Energieträgers erzeugt wird. Dies erfolgt in Heizkesseln, die sich hinsichtlich ihrer energetischen Effizienz unterscheiden in Standardkessel, Niedertemperatur- und Brennwertkessel. Außerdem gibt es Kessel, die mit Brennstoffen aus Biomasse beheizt werden. Für den Gebäudebereich sind dies Pflanzenöl und vor allem Holz in Form von Scheitholz, Holzhackschnitzeln oder Holzpellets. Wird neben Wärme auch Strom produziert, handelt es sich um Kraft-Wärme-Kopplung.

Gallerie

Eine weitere Gruppe der Wärmeerzeuger wird ohne Verbrennung betrieben, zu ihnen zählen die Wärmepumpen und die Solarthermie, die keine Lagerflächen benötigen. Außerdem gibt es Geräte welche die haustechnischen Aufgaben Heizen, Lüften, Kühlen und Warmwasserbereiten komplett übernehmen, sie werden mit den Bezeichnungen Integralsystem, Kombigerät, Komplettsystem oder Zentralgerät angeboten.

Wärmepumpenheizungen
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 Umgebung (Erdreich, Wasser, Luft) gespeicherte Wärme, aber auch Prozesswärme aus Abwasser und Abluft. Diese wird mit der Antriebsenergie in Form von Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf weitergegeben (siehe auch Beitrag Wärmepumpen im Kapitel Erneuerbare Energien).

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 vergleichsweise hohe Abgas- und Wärmeabstrahlverluste. Aus diesem Grund werden sie heute nicht mehr eingesetzt.

Niedertemperaturkessel
Niedertemperaturkessel eignen sich für die Verbrennung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, in der Regel Heizöl oder Gas. 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.

Brennwertkessel

Im Unterschied zu konventionellen Kesseln nutzen sie auch die Kondensationswärme des Wasserdampfes im Abgas und bieten damit eine höchstmögliche Brennstoffausnutzung. Brennwertkessel werden temperaturveränderlich zwischen (theoretisch) 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 30 und 80%. Je nach Brennstoff wird zwischen Öl-, Gas- und Pellets-Brennwertkesseln 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 Tausend kW.

Festbrennstoffkessel
Das Spektrum an Wärmeerzeugern für Festbrennstoffe ist groß. Es reicht vom Kohleofen über offene Kamine bis zum modernen Holzkessel mit automatischer Beschickung.

Festbrennstoffkessel eignen sich zur Verbrennung von Koks, Stein- und Braunkohle, Briketts, Holz Hackschnitzel, 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.

Pelletskessel sind Zentralheizungskessel für das Beheizen gesamter Gebäude sowie für die Warmwasserbereitung. Angeboten werden sie im Leistungsbereich von 4 bis 150 kW. Durch das automatische Beschicken mit industriell gefertigten und normierten Holzpellets unterscheiden sie sich im Komfort nicht von konventionellen Öl- und Gaskesseln. Mit Pelletskesseln lassen sich alle wasserführenden Wärmeabgabesysteme wie Radiatoren, Fußboden-, Wand- und Deckenheizungen betreiben.

Offene Kamine 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 sie eher aus „Behaglichkeitsgründen“ zur Raumheizung verwendet.

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%, der eines reinen Kraftwerks bei etwa 40%. Der Anteil der Wärmeauskopplung beträgt rund 35%. Damit erreichen sie einen Gesamtnutzungsgrad der Primärenergie von bis zu 80%. 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% 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. Der Brennstoffzellentechnologie für die Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern ist noch neu, ihr wird aber eine große Zukunft in der Gebäudetechnik als Mini-Kraftwerk im Keller vorausgesagt.

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 nicht aus (siehe auch Beitrag Solarthermie im Kapitel Erneuerbare Energien).

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 Warmwassr oder den Heizungskreislauf übertragen. Als zusätzliche Wärmequelle dient die Außenluft, außerdem können Solarkollektoren als zusätzliche Wärmequelle mit angeschlossen werden. Die Produkte werden als Integralsystem, Kombigerät, Komplettsystem, Lüftungsheizung oder Zentralgerät angeboten.

Ausführliche Informationen über Heizkessel und die verschiedenen Möglichkeiten der Wärmeerzeugung haben wir im Baunetz Wissen Heizung zusammengestellt (siehe Surftipps).

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