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Gas-Brennwertsysteme: Nicht alle arbeiten energieeffizient

Stefan Leffers

Eine Heizungsanlage bietet nur dann den gewünschten Komfort bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch, wenn Wärmeerzeuger, Regelung, Heizkreislaufpumpe und Heizflächen durch den hydraulischen Abgleich optimal aufeinander abgestimmt sind.

Das Effizienzlabel reicht nicht für die Bewertung der Anlage

Neu in Verkehr gebrachte, mit Strom, Öl oder Gas betriebene Heizungen und Warmwasserbereiter im Leistungsbereich bis 70 kW müssen seit dem 26. September 2015 vom Hersteller mit einem Effizienzlabel gekennzeichnet werden. Dies gilt sowohl für Wärmeerzeuger, Warmwasserbereiter und Speicher bis 500 l als auch für komplette Heizungsanlagen, sogenannte Verbundanlagen. Letztere werden in der Regel mit A++ bis B ausgezeichnet. Je höher der Anteil regenerativ erzeugter Wärme ist, umso besser wird die Anlage eingestuft.

Nahezu jeder Gas-Brennwertkessel erhält das Effizienzlabel A, in Kombination mit solarer Wärmegewinnung kann er auch A+ erreichen. Doch eine gute Geräteeffizienz laut Label bedeutet nicht in jedem Fall einen effizienten und damit wirtschaftlichen Betrieb der Anlage.

proKlima-Kriterien für energieeffiziente Systeme

Die Energieeffizienzklasse eines Heizkessels wird wesentlich bestimmt durch die jahreszeitbedingte Raumheizungsenergieeffizienz ηs – früher Normnutzungsgrad. Wie bei allen Wärmeerzeugern trägt aber auch bei Gas-Brennwertkesseln die Einbausituation maßgeblich zur Geräteeffizienz bei. Das Ziel ist deshalb die bestmögliche Auswahl und Anpassung des Wärmeerzeugers an das (vorhandene) Wärmeverteil- und Übergabesystem.

Neben der Dimensionierung spielt die Anlagenhydraulik eine gewichtige Rolle. Deshalb stellt proKlima als Voraussetzung für die Förderung entsprechende Anforderungen, die in Zusammenarbeit mit dem Institut für energieoptimierte Systeme an der Hochschule Ostfalia überarbeitet und an den Stand der Technik angepasst wurden. Diese Anforderungen lassen sich mit Geräten der proKlima-Kesselliste erfüllen. Auf der Liste ist z. B. angegeben, für welche Gebäude- oder Wohnungsheizlast die Kessel geeignet sind und wie der Warmwasserkomfort bereitgestellt wird. Weitere Bedingung für die proKlima-Förderung ist die Heizungsoptimierung.

Jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz

In der EU Verordnung Nr. 811/2013 (siehe [2] unter Quellen) wird der Begriff folgendermaßen definiert: Die jahreszeitbedingte Raumheizungs-Energieeffizienz ηs bezeichnet den Quotienten aus dem von einem Raumheizgerät, einem Kombiheizgerät, einer Verbundanlage […] gedeckten Raumheizungsbedarf in einer bestimmten Heizperiode und dem jährlichen Energieverbrauch zur Deckung dieses Bedarfs in Prozent. Bezugswert für ηs ist der Brennwert. Er bezeichnet die gesamte Wärmemenge, die eine Einheit Brennstoff abgibt, wenn sie mit Sauerstoff vollständig verbrannt wird und die Verbrennungsprodukte auf Umgebungstemperatur abkühlen.

Diese Wärmemenge umfasst die Kondensationswärme des im Brennstoff enthaltenen Wasserdampfes ebenso wie die des Wasserdampfes, der durch die Verbrennung des im Brennstoff gegebenenfalls enthaltenen Wasserstoffs entsteht (siehe [3] unter Quellen). Nach Abzug der primärenergetischen Gewichtung und der Stand-by-Verluste erreichen Gas-Brennwertkessel in der Regel ein ηs zwischen 90 und 98 %. Zusatzkomponenten in Verbindung mit Solarthermie verhelfen dem Heizgerät zu einem ηs über 100 % (Klasse A+) im Verbundsystem.

Liste für energieeffiziente Gas-Brennwertkessel

Heizen mit Gas ist nach wie vor beliebt. Das zeigt auch die Bilanz des Bundesverbands der Deutschen Heizungsindustrie e. V. für das Jahr 2015. Den größten Absatz verzeichneten gasbasierte Systeme. Mit 439.500 verkauften Geräten erreichte die Gas-Brennwerttechnik ein Plus von 7 % gegenüber dem Vorjahreszeitraum (siehe [1] unter Quellen).

Seit mehr als 15 Jahren fördert proKlima den Einbau hocheffizienter Gas-Brennwertkessel in Hannover, Hemmingen, Laatzen, Langenhagen, Ronnenberg und Seelze. Dafür müssen die Geräte in der aktuellen Liste für energieeffiziente Gas-Brennwertkessel enthalten sein,  www.bit.ly/geb1271 . Die proKlima Liste wird aber auch überregional eingesetzt. Zurzeit umfasst sie 11 Fabrikate und 143 Typen. Jeder Hersteller kann seine Gas-Brennwertgeräte im Leistungsbereich bis 70 kW auf Einhaltung der Kriterien kostenfrei prüfen lassen.

Eine weitere Fördervoraussetzung ist die Optimierung der Heizungsanlage. Zum festgelegten Leistungsumfang dieser Heizungsoptimierung gehört im Wesentlichen der hydraulische Abgleich auf Grundlage der raumweisen Heizlastberechnung. Inzwischen hat proKlima fast 10.000 Gas-Brennwertgeräte bezuschusst.

Keine Überströmventile oder hydraulische Weichen

Die Gesamteffizienz des Gas-Brennwertkessels hängt wesentlich von der Rücklauftemperatur des Heizwassers ab. Je kühler das Heizwasser von den Heizkörpern in den Brennwertkessel zurückfließt, desto höher ist der Kondensationseffekt im Kessel. Nur bei Rücklauftemperaturen unter 57 °C kann die Kondensationswärme genutzt werden. Um eine unerwünschte Anhebung der Rücklauftemperatur auszuschließen, werden im proKlima-Programm Gas-Brennwertkessel mit internen oder externen Einrichtungen zur Aufrechterhaltung des Mindestvolumenstroms mit Überströmventilen oder hydraulischen Weichen nicht bezuschusst.

Überströmventile stellen eine „Kurzschlussverbindung“ zwischen Vor- und Rücklaufleitung des Gas-Brennwertgerätes her. Zum einen sorgen sie im Geräteinneren für den Überhitzungsschutz des Wärmeübertragers, indem sie einen Mindest-Volumenstrom aufrechterhalten, durch den Wärme abgeführt wird. Dies war früher wichtig bei Kesseln mit geringem Wasserinhalt.

Zum anderen begrenzen sie den Systemdruck – etwa bei teilweiser Beheizung oder wenn Thermostatventile infolge Sonneneinstrahlung schließen. Fordert der Heizkreis keine oder wenig Wärme an, sinkt die Heizwasserumlaufmenge und der Systemdruck steigt bei gleich bleibender Pumpenleistung. Beim Überschreiten einer definierten Schwelle öffnet das Überströmventil, sodass der Systemdruck sinkt und damit auch die Drosselgeräusche an den Thermostatventilen.

Damit auch ohne Überströmventile und hydraulische Weichen ein störungsfreier Heizbetrieb sichergestellt werden kann, müssen außer einer angepassten Sensorik, Regelung und Hydraulik der Modulationsbereich sowie die Dimensionierung des Gas-Brennwertgerätes auf den Bedarf abgestimmt werden.

Korrekt dimensionierte Kessel

Nur richtig dimensionierte Kessel erreichen eine gute Gesamteffizienz. Die erforderliche Nennleistung des Gas-Brennwertgeräts wird durch die Gebäude- bzw. Wohnungsheizlast bestimmt. Auf der Kesselliste sind jeweils der optimale Leistungsbereich sowie die Kessel-Mindestleistung aufgeführt. Anhand der zuvor ermittelten Gebäudeheizlast kann der Fachbetrieb leicht ein Gerät mit der entsprechenden Leistung auswählen.

Um häufiges Takten des Brenners zu vermeiden, muss die an der unteren Modulationsgrenze abgegebene Leistung kleiner sein als die halbe Gebäudeheizlast. Ausnahme: Bei Gebäuden mit einer Heizlast kleiner als 6 kW ist als unterer Wert des Nenn-Wärmeleistungsbereichs bis zu 3 kW zulässig. Weil der Brenner bei jedem Startvorgang zusätzlich Energie benötigt, bewirkt die geringere Taktzahl eine insgesamt höhere Effizienz. Gleichzeitig verringert sich der Geräteverschleiß.

Der Warmwasserkomfort sollte über das Volumen bereits integrierter oder gegebenenfalls zusätzlicher Trinkwarmwasserspeicher sichergestellt werden. Damit möglichst viel Wärme aus dem Wasserhahn kommt, ist es wichtig, dass unterwegs nichts verloren geht. Eine hervorragende Wärmedämmung des Speichers und des Verteilsystems ist obligatorisch.

Geräte mit großem Modulationsbereich

Weiterhin muss mindestens eine der beiden folgenden Bedingungen erfüllt sein:

  • Der Brenner moduliert mindestens zwischen 20 % und 100 % der Kesselnennwärmeleistung.
  • Der Wärmeerzeuger hat einen Heizwasserinhalt von mindestens 1 l/kW.

Im Etagenbau werden häufig Kombithermen eingesetzt, die Trinkwasser im Durchflussprinzip erwärmen. Für diese Thermen ergeben sich beschränkte Einsatzmöglichkeiten. Die hohe Nennwärmeleistung, die zur Trinkwarmwasserbereitung erforderlich ist, führt technisch bedingt zu unteren Modulationsgrenzen im Heizungsbetrieb, die derzeit bei ca. 4 kW liegen. Nach den proKlima-Kriterien müsste die Wohnungsheizlast dann mindestens 8 kW betragen. Selbst im unsanierten Altbau trifft dies häufig nur für Wohnungen mit einer beheizten Fläche von über 100 m² zu. Bei der Planung für kleine Wohnungen ist deshalb darauf zu achten, dass Kombithermen mit einer möglichst geringen Mindestleistung oder alternativ Raumheizgeräte mit einem kleinen, hocheffizienten Speicher ausgewählt werden.

Optimale Förderhöhe der Heizkreislaufpumpe

Die Heizkreislaufpumpe muss so einstellbar sein, dass eine Restförderhöhe an der Schnittstelle zwischen Gerät und System von 150 mbar bzw. 1,5 m bei keinem Betriebszustand überschritten wird. Diese Anforderung verhindert einen hohen Differenzdruckverlust, vermeidet kleine Voreinstellwerte am Thermostatventil, die sich durch „Pfeifen“ bemerkbar machen würden, und sorgt für einen sparsamen Stromverbrauch der Pumpe. Die Heizkreislaufpumpe kann somit bestmöglich an das (vorhandene) Heizungsnetz angepasst werden. Für sehr ausgedehnte Heizungsnetze mit Pumpenförderhöhen jenseits 2 m empfiehlt proKlima den Einsatz von Strang-Differenzdruckreglern oder voreinstellbare Thermostatventile mit automatischer Durchflussbegrenzung.

In einem „Beiblatt Pumpeneinstellung“, das im Anhang an die „Kriterien für die Bewertung von Brennwertkesseln und Heizkreislaufpumpen“ veröffentlicht ist (www.bit.ly/geb1272), werden die Anforderungen an die Heizkreislaufpumpe erläutert. Diverse Pumpendiagramme vermitteln anschaulich je nach Regelungsart förderfähige und explizit auch nicht förderfähige Pumpeneinstellungen von im Kessel integrierten Heizkreislaufpumpen.

Die beiden gängigsten Regelungskonzepte seien hier beispielhaft als förderfähig aufgeführt. Die differenzdruckgeregelte Pumpe in Abb. 1 in der Bildergalerie kann auf Werte kleiner gleich 1,5 m eingestellt werden. Dies trifft auch auf die automatisch geregelte Pumpe in Abb. 2 in der Bildergalerie zu. In beiden Fällen wird die maximale Pumpenförderhöhe so begrenzt, dass die zulässige Restförderhöhe nicht überschritten wird.

In der Installationsanleitung für den Fachhandwerker ist die Einstellung der Heizkreislaufpumpe entsprechend den Förderkriterien zu dokumentieren. Beantragt der Kesselhersteller bei proKlima die Aufnahme in die Gas-Brennwertkesselliste, ist dieser Teil der Installationsanleitung dem Antragsformular beizufügen. Auch externe Heizkreislaufpumpen müssen sich in Bezug auf Volumenstrom und Restförderhöhe möglichst exakt an das Heizungsnetz anpassen lassen. Darüber hinaus ist bei proKlima ein Energieeffizienzindex (EEI) kleiner oder gleich 0,20 Bedingung für die finanzielle Förderung.

Optionales Kriterium: Verbrauchsdatenauswertung

Messdaten bieten die Möglichkeit, den Betrieb einer Heizungsanlage objektiv zu bewerten. Was im Kraftfahrzeugbereich schon jahrzehntelang üblich ist, steckt in der Heiztechnik noch in den Kinderschuhen. Dabei bieten im Kessel integrierte Wärme- und Gasmengen-Zähler ein großes Potenzial für die Betriebsoptimierung.

Seit 1. Januar 2016 fördert proKlima Verbrauchsdatenauswertungen anhand einer messtechnischen Bestimmung des Nutzungsgrades von Kesselanlagen mit dem ServicePaket Heizung. Unabhängig von dieser Förderung wäre es wünschenswert, wenn Hersteller ihre Wärmeerzeuger bereits standardmäßig mit vollwertigen Wärmemengenzählern ausstatten würden.

Leistungsumfang der Heizungsoptimierung

Wärmeerzeuger, Regelung, Heizkreislaufpumpe und Heizflächen müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, damit die Wärme gleichmäßig, sparsam und ohne Geräusche verteilt wird. Der Einbau eines neuen Gas-Brennwertkessels ist die beste Gelegenheit, um den hydraulischen Abgleich mit durchzuführen. Erst damit lassen sich die vom Hersteller angegebenen Nutzungsgrade und Energieeinsparungen tatsächlich erreichen. Aber auch ohne Kesseltausch ist es sinnvoll, mit einem hydraulischen Abgleich die Heizungsanlage effizienter zu betreiben. Wenn z. B. Dämmmaßnahmen am Haus oder der Einbau neuer Fenster die benötigte Heizlast deutlich verringert haben, gewährleistet erst der hydraulische Abgleich, dass die erreichbaren Einsparpotenziale voll ausgeschöpft werden.

Der hydraulische Abgleich ist wesentlicher Bestandteil einer Heizungsoptimierung. Bei proKlima ist der Leistungsumfang dieser Optimierung fest definiert. Er beinhaltet folgende Schritte:

Vor Ort oder anhand von Planunterlagen:

  • Nachvollziehbare Bestimmung der einzelnen Raumwärmebedarfe über Raumaußenflächen und Lüftungsverluste
  • Heizkörperdaten aufnehmen und berechnen
  • Heizungsrohrnetz ermitteln bzw. abschätzen

Nach erfolgter Berechnung (s. u.):

  • Einstellung des Heizsystems (Regler und Ventile) inklusive Nutzereinweisung

Mithilfe einschlägiger Software, wie z. B. Optimus:

  • Festlegung der optimalen Vorlauftemperatur und Berechnung jeder einzelnen Rücklauftemperatur
  • Berechnung der einzelnen Heizkörper-Auslegungsvolumenströme und des System-Auslegungsvolumenstroms
  • Berechnung der einzustellenden bzw. Angabe der vorgegebenen Heizkreislaufpumpen-Förderhöhe
  • Auslegung der Heizkörper-Thermostatventile und Berechnung der Thermostatventil-Voreinstellung
  • Heizflächenoptimierung zugunsten geringerer Vorlauftemperaturen und größerer Volumenströme

Fazit

Die Effizienz einer Heizung hängt nicht ausschließlich vom Gerät und vom Nutzer ab, sondern auch maßgeblich von der Einbausituation. Eine gute Geräteeffizienz laut Label bedeutet nicht in jedem Fall einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage. Was nützt die beste Technik, wenn die Parametrierung der Regelung nicht optimal an das Heizungsnetz angepasst wird.

Im Bestand sind häufig weit überdimensionierte Heizkessel anzutreffen. Mit jeder energetischen Sanierung sinkt die Heizlast weiter. Neue Gas-Brennwertkessel beheizen dann nicht selten ganze Wohngebäude mit Heizlasten, die im Auslegungsfall weniger als 8 kW betragen. Großes Potenzial steckt in der homogenen Auslegung der Heizkörper im Bestand. Hierbei werden thermisch ungünstige Heizflächen getauscht.

Aus der Berechnung der Heizungsoptimierung lässt sich das Verhältnis von Heizkörperleistung zur Raumheizlast ableiten. Viele Heizkörper werden mit Wärme überbedient, mit der Folge einer Volumenstrombegrenzung durch voreinstellbare Ventile. Die thermisch ungünstige, aber häufig anzutreffende Konstellation, dass nur wenige Heizkörper, die vielleicht gar nicht oder nur selten genutzt werden, die Vorlauftemperatur vorgeben, sollte vermieden werden.

Häufig sinken nach einem hydraulischen Abgleich ohne Heizflächenoptimierung oder durch bessere Dämmung der Gebäude die Heizkörper- und Gesamt-Volumenströme. Um eine gute Regelbarkeit zu gewährleisten, sollte jedoch ein Heizkörper-Volumenstrom von 10 l/h nicht unterschritten werden, außer in Räumen mit sehr kleinen Heizlasten.

Der Trend bei den Gas-Brennwertgeräten muss klar in Richtung kleinerer Geräte mit großem Modulationsbereich bei kleinen Volumenströmen, besonders im Teillastbereich, gehen. Zur weiteren Optimierung im Betrieb wünschen wir uns geräteinterne Wärmemengenzähler, auch um den Erfolg einer Sanierung objektiv beurteilen zu können.

Quellen

[1] Bundesverband der Deutschen Heizungsindustrie e. V., Dynamisches Wachstum in 2015: Deutsche Heizungsindustrie zieht Jahresbilanz, Pressemitteilung 24. Februar 2016, www.bdh-koeln.de 

[2] Europäische Union, Delegierte Verordnung (EU) Nr. 811/2013 der Kommission vom 18. Februar 2013, L 239/4, Artikel 2 Begriffsbestimmungen, Ziffer 21, www.bit.ly/geb1277

[3] Europäische Union, Delegierte Verordnung (EU) Nr. 811/2013 der Kommission vom 18. Februar 2013, L 239/8, ANHANG I Begriffsbestimmungen für die Anhänge II bis VIII, Ziffer 12, www.bit.ly/geb1277

Über proKlima

Der im Juni 1998 gegründete Klimaschutzfonds proKlima wird von den Städten Hannover, Hemmingen, Laatzen, Langenhagen, Ronnenberg und Seelze (zusammen das proKlima-Fördergebiet) sowie der Stadtwerke Hannover AG (enercity) finanziert. Den Großteil des jährlichen Fondsvolumens von aktuell rund 4,4 Mio. Euro trägt enercity. Die Vergabe des Geldes erfolgt nach festgelegten Kriterien. Die CO2-Effizienz, die absolute CO2-Reduzierung, die Multiplikatorwirkung und der Innovationsgrad der Maßnahmen sind dabei ausschlaggebend. Mit Know-how und Zuschüssen wird vor allem die Einsparung von Heizenergie und Strom unterstützt.

Ein Schwerpunkt der Förderprogramme ist das energieeffiziente Bauen und Modernisieren. Gefördert werden z. B. Wärmedämmungen, Komfortlüftungsanlagen, neue Fernwärmeanschlüsse, Blockheizkraftwerke, Solarwärme- und Holzheizanlagen. Ziel ist unter anderem die weitere Etablierung des Passivhaus-Standards. Eine wichtige Rolle spielt zudem die individuelle Beratung durch Experten: Beispielsweise geben von proKlima gelistete Stromlotsen bei Vor-Ort-Terminen Tipps zum Stromsparen und PV-Lotsen helfen bei der Realisierung von Photovoltaikanlagen. Auch die Ausstattung von Schulen mit Unterrichtsmaterialien zu den Themen Klimaschutz und erneuerbare Energien gehört zu den Aufgaben des enercity-Fonds.

Die aktuelle proKlima-Gas-Brennwertkesselliste sowie weitere Informationen zur Heizungsoptimierung und zum Fördergeschäft sind unter www.proklima-hannover.de zu finden.

Dieser Beitrag von Stefan Leffers ist zuerst erschienen in Gebäude-Energieberater/10-2016. Stefan Leffers, Dipl.-Ing. (FH) Elektrotechnik, ist Geprüfter Technischer Betriebswirt (IHK) und Programmleiter Altbau Anlagentechnik bei proKlima - Der enercity-Fonds in Hannover.

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