Brennwerttechnik

Die Verbrennung zählt zu den ältesten vom Menschen genutzten Verfahren zur Wärmeerzeugung. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich in Gebäuden hierfür das Verfeuern von Heizöl oder Erdgas in zentralen Heizsystemen durchgesetzt. Während konventionelle Heizkessel lediglich die im Abgas enthaltene sensible Wärme nutzen, kann durch den Einsatz der sogenannten Brennwerttechnik zusätzlich die im Abgas enthaltene Kondensationswärme des Wasserdampfs erschlossen werden (latente Wärme). Damit lässt sich die Energieausbeute – bezogen auf den Heizwert des Brennstoffs – um bis zu 11 Prozent steigern. Im modernen Anlagenbestand sowie in hybriden Systemen bildet die Brennwerttechnik daher den technologischen Standard bei der Nutzung flüssiger oder gasförmiger Energieträger.

Galerie

Funktionsweise

Das Prinzip beruht darauf, dass der im Abgas enthaltene Wasserdampf kontrolliert unter den Taupunkt abgekühlt und kondensiert wird. Die dabei frei werdende Kondensationsenergie wird dem Heizsystem zugeführt.

Bei der Verbrennung von Erdgas und Heizöl wird der im Brennstoff enthaltene Wasserstoff zu Wasserdampf oxidiert. In konventionellen Heizkesseln wird dieser Wasserdampf zusammen mit den heißen Abgasen über den Schornstein abgeführt – die darin enthaltene Kondensationsenergie bleibt ungenutzt. Brennwertgeräte setzen dagegen auf die gezielte Abkühlung der Abgase bis unter den Taupunkt des Wasserdampfs. Dieser liegt bei Erdgas (je nach Zusammensetzung) bei etwa 55 °C, bei Heizöl bei rund 45 bis 50 °C. Wenn sich der Wasserdampf verflüssigt, wird Kondensationswärme freigesetzt. Sowohl die sensible Wärme der Abkühlung der heißen Abgase bis zum Taupunkt als auch die latente Wärme der Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs werden über Wärmetauscher an das Rücklaufwasser übertragen.

Galerie

Abgasführung / Schornstein

Da die Abgase durch diesen Prozess stark abgekühlt werden (oft auf Temperaturen unter 40 °C), besitzen sie nur noch einen geringen thermischen Auftrieb. Ein konventioneller Schornstein kann daher nicht genutzt werden, da das anfallende Kondensat zu Feuchte- und Säureschäden am Mauerwerk führen würde (Versottung). Stattdessen kommen feuchte- und säurebeständige Abgassysteme aus Kunststoff oder Edelstahl zum Einsatz, die in bestehende Schornsteine eingezogen werden können. Häufig werden koaxiale Luft-Abgas-Systeme (LAS) verwendet: Über ein innenliegendes Rohr werden die Abgase durch das integrierte Gebläse des Wärmeerzeugers abgeführt, während über den Ringspalt gleichzeitig die Verbrennungsluft von außen zugeführt wird. Dies ermöglicht einen raumluftunabhängigen Betrieb. Das anfallende, leicht saure Kondensat wird über einen Abwasseranschluss abgeleitet.

Wirkungsgrade

Bei Brennwertgeräten werden häufig Wirkungsgrade von über hundert Prozent angegeben, was physikalisch zunächst widersprüchlich erscheint. Ursache ist jedoch die Bezugsgröße: Der Wirkungsgrad konventioneller Heizkessel wird traditionell auf den Heizwert (Hi) bezogen, der die im Abgas enthaltene Kondensationswärme des Wasserdampfs nicht berücksichtigt. 

Die Brennwerttechnik nutzt genau diese latente Wärme zusätzlich, wodurch sich – bezogen auf den Heizwert – rechnerische Wirkungsgrade von bis zu etwa 111 % bei Erdgas und rund 106 % bei Heizöl ergeben. Erdgas weist dabei aufgrund seines höheren Wasserstoffanteils ein günstigeres Verhältnis zur Kondensationswärme auf als Heizöl. Bezieht man den Wirkungsgrad hingegen auf den Brennwert (Hs), der die gesamte Verbrennungsenergie einschließlich der Kondensationswärme umfasst, liegen moderne Brennwertkessel real bei maximal etwa 98 % bis knapp 100 % Nutzungsgrad. Durch den Einsatz dieser hocheffizienten Wärmeerzeuger lässt sich der Primärenergiebedarf eines Gebäudes im Vergleich zu Altanlagen spürbar senken.

Galerie

Bedeutung der Rücklauftemperaturen

Damit das System sein volles Effizienzpotenzial entfalten kann, sind niedrige Rücklauftemperaturen im Heizkreis entscheidend. Nur wenn das zurückfließende Wasser kalt genug ist, kann der Wasserdampf im Wärmetauscher des Kessels effektiv kondensieren. Die Rücklauftemperaturen des Heizungswassers müssen also zwingend unter dem Taupunkt des jeweiligen Abgases liegen. Je weiter die Temperatur darunter liegt, desto vollständiger kondensiert der Wasserdampf und desto höher ist der Energiegewinn.

Die Richt- und Grenzwerte für die Praxis:

1. Gas-Brennwertgeräte (Taupunkt bei ca. 55 °C)

• Absolute Obergrenze: 50 °C bis 53 °C. Darüber findet physikalisch so gut wie keine Kondensation mehr statt.
• Praxis-Zielwert: ≤ 45 °C. Ab hier setzt der Kondenseffekt spürbar ein.
• Optimaler Bereich: 30 °C bis 35 °C. In diesem Fenster wird das Maximum an Kondensationswärme (latenter Wärme) zurückgewonnen.

• Absolute Obergrenze: 42 °C bis 45 °C. Da der Taupunkt bei Öl niedriger liegt, verzeiht das System hohe Rücklauftemperaturen noch weniger als eine Gasheizung.
• Praxis-Zielwert: ≤ 40 °C.
• Optimaler Bereich: 25 °C bis 32 °C.

• Ungeeignet (Altbestand): 75/65 °C (Vorlauf 75 °C / Rücklauf 65 °C). Bei kalten Außentemperaturen bleibt der Brennwerteffekt komplett aus. Das Gerät arbeitet dann nur wie ein herkömmlicher Niedertemperaturkessel.
• Gut geeignet (moderne Radiatoren): 55/45 °C. Ermöglicht bei Gas-Brennwert eine dauerhafte Kondensation, bei Öl zumindest in der Übergangszeit.
• Ideal (Flächenheizungen): 35/30 °C (z. B. Fußboden- oder Wandheizung). Hier arbeiten sowohl Gas- als auch Öl-Brennwertkessel über die gesamte Heizperiode hinweg im maximalen Effizienzbereich.

Galerie

Geräte und Anwendungsbereiche

Brennwertkessel arbeiten gleitend (temperaturveränderlich) und passen ihre Vorlauftemperatur dem tatsächlichen Bedarf an. Sie sind mit modernen Vormisch- oder Gebläsebrennern ausgestattet, deren Leistung stufenlos moduliert – meist in einem Spektrum zwischen etwa zehn und hundert Prozent. Die Technik deckt das gesamte Leistungsspektrum ab: Wandhängende Kompaktgeräte starten bei Kleinstleistungen von wenigen Kilowatt (kW) für Etagenwohnungen oder Einfamilienhäuser und reichen bis ca. 60 kW. Sie lassen sich platzsparend in Küchen, Fluren oder Nischen integrieren. Bodenstehende Kessel bedienen mittlere bis sehr große Lasten im Megawattbereich für Gewerbe und Nahwärmenetze.

Fachwissen zum Thema