Brennwertkessel

Ein Brennwertkessel ist ein Heizkessel für Warmwasserheizungen, der den Energieinhalt (Brennwert) des eingesetzten Brennstoffes nahezu vollständig nutzt. Mit Brennwertkesseln wird das Abgas weitestgehend abgekühlt und dadurch auch die Kondensationsenthalpie (umgangssprachlich auch latente Wärme genannt) des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes zur Wärmebereitstellung genutzt.

Je nach Brennstoffart, Verbrennungstemperatur, Sauerstoffanteil und sonstigen Faktoren entstehen bei einer Verbrennung unterschiedliche Substanzen. Wird das Abgas unter den Taupunkt abgekühlt, beginnen dessen kondensierbare Stoffe zu kondensieren.

## Grundlagen

Bei der Benennung des spezifischen Energiegehalts von Brennstoffen unterscheidet man die Begriffe *Heizwert* und *Brennwert.* Der Heizwert Hi (früher Hu) bezieht sich auf die bei vollständiger Verbrennung gewinnbare Wärme; darüber hinaus beinhaltet der Brennwert Hs (früher Ho) zusätzlich die Kondensationsenthalpie des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs. Die Wirkungsgrade von Heizkesseln beziehen sich auf den Heizwert Hi. Dadurch haben Brennwertgeräte i. d. R. einen Wirkungsgrad über 100 %.

Der maximal erreichbare Wirkungsgrad bezogen auf den Heizwert Hi ist vom Brennstoff abhängig. Erdgas ermöglicht einen theoretischen Wirkungsgrad von 111 % bezogen auf Hi, während Heizöl eine verhältnismäßig geringere (theoretische) Steigerung auf 106 % ermöglicht, weshalb bei Ölheizungen Änderungen der Auslegung des Brenners (Blaubrenner, durch erhöhte Luftzufuhr wird die Verbrennung im Vergleich zum konventionellen Gelbbrenner vollständiger) im Niedertemperaturkessel eine höhere Einsparung bieten.

Separat vom Heizkessel oder fest eingebaut wird hinter dem Brenner das Abgas durch einen Abgaswärmetauscher geleitet, der die Abgase ganz oder teilweise unter den Taupunkt kühlt. Hierdurch kondensiert sowohl das neben Kohlendioxid hauptsächlich anfallende Verbrennungsprodukt Wasser als auch sonstige Stoffe. Beispielsweise Dämpfe von Säuren aus dem Abgas, vor allem Salpetersäure/salpetrige Säure aus der Verbrennung (Stickoxide NOx) und Schwefelsäure/schwefelige Säure aus den Anteilen von im Brennstoff enthaltenen Schwefel. Entschwefeltes Heizöl ist bei Verwendung von Brennwerttechnik daher empfehlenswert.

Die Nutzung der Kondensationsenthalpie der kondensierbaren Stoffe im Abgas verbessert den feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Das reduziert den Verbrauch der Brennstoffe (Stichwort *Energiesparen*) und damit den Ausstoß von CO2, aber auch den Ausstoß von säurebildenden Gasen und sonstigen kondensierbaren Verbindungen (s. u.). So wird neben der Brennwertnutzung noch zusätzlich verhindert, dass kondensierbare Verbindungen und mit dem Kondensat abscheidbare Stäube die Luft verschmutzen und die sauren Bestandteile in die Atmosphäre gelangen und als saurer Regen niedergehen.

Kondensat, das direkt in das Abwassersystem eingeleitet wird, muss gemäß den Bestimmungen der Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) behandelt werden. Bei Heizöl und bei Einleitung in Kleinkläranlagen ist die Neutralisierung immer notwendig, bei Erdgas oder Flüssiggas erst ab einer Mindestgröße des Heizkessels; eine säureempfindliche Abwasserinstallation im Haus kann ebenfalls die Neutralisation notwendig machen. Hierzu wird das Kondensat in einer Neutralisationsbox durch Granulat geleitet; das verbleibende Wasser ist neutralisiert, verbrauchtes Granulat kann über den Müll entsorgt werden.

Der tatsächlich erreichbare Wirkungsgrad einer Brennwertanlage hängt von der tiefstmöglichen Temperatur der Wärmetauschermedien ab (Heizungsrücklaufwasser oder kaltes Trinkwasser oder Zuluft), je niedriger diese ist, desto höher wird der Wirkungsgrad des Abgaswärmetauschers.

### Blockheizkraftwerk

Neben konventionellen Heizkesseln können auch Blockheizkraftwerke, die über einen Motor/Generator Strom und über dessen Abwärme Wärme erzeugen (Kraft-Wärme-Kopplung), mit nachgeschalteten Abgaswärmetauschern in Brennwerttechnik betrieben werden.

Der Hersteller einer häufig verbauten Mini-KWK-Anlage gibt hierzu folgende Werte an:

#### Erdgas

Ottomotor Elektrisch 5,5 kW (27 %), thermisch 12,5 kW (61 %), Heizwert 20,5 kW – Gesamtwirkungsgrad 88 %

**Annahmen:** Abgastemperatur 150 °C, Erdgasverbrauch 2 m³/h, M Abgasausstoß 40,8 kg/h.

 35 °C
 50 °C
 60 °C

Bei vollständiger Kondensation entstehen ca. 1,5 Liter Kondenswasser je m³ Erdgas (je Heiz-Kraft-Anlage (HKA) ca. 3 l/h).

#### Heizöl

Dieselmotor elektrisch 5,3 kW (30 %), thermisch 10,5 kW (59 %), Heizwert 17,9 kW – Gesamtwirkungsgrad 89 %

**Annahmen:** Abgastemperatur 150 °C, Heizölverbrauch 1,9 l/h, Abgasausstoß 42,9 kg/h.

 35 °C
 50 °C
 60 °C

Bei vollständiger Kondensation entstehen ca. 0,8 Liter Kondenswasser je l Heizöl (bei 1 HKA ca. 1,5 l/h).

Bei einer Laufzeit der HKA (Heiz-Kraft-Anlage) von 5000 Stunden werden zusätzlich mit dem Kondenser ca. 3000 kg CO2 -Emissionen vermieden. Für den Wärmegewinn aus dem Abgas – die Wärme würde ohne Kondenser sonst in die Umgebung abgegeben – müssten ca. 20 m² Sonnenkollektoren installiert werden. Bei hoher Rücklauftemperatur ist ein Abgaswärmetauscher nur interessant, um das Abgas zu kühlen und so für niedrigere Temperaturen ausgelegte Abgasführungen verwenden zu können.

## Notwendige Änderungen/Voraussetzungen an Heizungsanlagen

Prinzipiell können Brennwertgeräte in jeder Heizungsanlage eingesetzt werden. Allerdings muss die Ableitung des Kondensats sichergestellt sein, d. h. der Kessel muss mit dem Abwasser-Abfluss verbunden werden. Eine manuelle Entleerung ist aufgrund der anfallenden Wassermenge nicht praktikabel. Das Kondensat darf in den meisten Fällen ohne Neutralisation in den Abfluss geleitet werden. Ob der Brennwerteffekt tatsächlich genutzt wird, kann durch Kontrolle der Kondensatmenge (mit Vergleich zum Brennstoffverbrauch) geprüft werden.

Bei den Hochtemperatur-Brennwertkesseln ist der Brennwert nicht last- oder rücklauftemperaturabhängig. Es gibt hier deshalb keine Einschränkungen, weder für Fußboden- noch andere Heizungen.

Bei den Niedrigtemperatur-Brennwertkesseln ist der Brennwert last- und rücklauftemperaturabhängig; zu hohe Rücklauftemperaturen vernichten den Brennwerteffekt. Damit erhöhen niedrige Rücklauftemperaturen die Effektivität. Eine Kombination mit entsprechend groß dimensionierten Heizflächen, z. B. Fußbodenheizungen, ist daher sinnvoll, jedoch nicht zwingend. In der Regel sind die vorhandenen Heizkörper nach Modernisierungsmaßnahmen am Gebäude (z. B. Fensteraustausch) groß genug dimensioniert, dass sie ausreichend geringe Rücklauftemperaturen haben.

Die Wärmeleistung, die ein Heizkörper an den Raum abgeben muss, sinkt allerdings bei ansteigenden Außentemperaturen stark. Je weniger Heizwärme vom Heizkörper abgegeben werden muss, desto höher ist die Rücklauftemperatur des Heizkörpers. Deswegen ist bei Brennwertgeräten der Einbau differenzdruckgeregelter Umwälzpumpen ein Muss: nur dann kann sichergestellt werden, dass der Volumenstrom des Heizkreislaufes stets der abgefragten Heizleistung angepasst ist und die Rücklauftemperatur optimal niedrig ist. Dies bedingt allerdings auch die (einmalige) Anpassung des Differenzdruckes der Umwälzpumpe an die Gegebenheiten der jeweiligen Heizanlage. Dies ist bei solchen Pumpen in der Regel durch ein an der Pumpe angebrachtes Potentiometer möglich.

### Einflüsse auf die Rücklauftemperatur

Sogenannte Überströmventile, die oft direkt nach der Umwälzpumpe zwischen Vor- und Rücklauf (bei Wandgeräten auch in das Gerät integriert) eingebaut sind, öffnen sich im Teillastbetrieb zum Druckabbau. Das passiert, wenn aufgrund schließender Thermostatventile zu wenig Wasser durch das Heizsystem gepumpt wird und in der Folge im Heizkessel zu wenig Wärme abgeführt wird und sich der Kessel überhitzt (der Kesselvolumenstrom kleiner ist als der Auslegungsvolumenstrom). Diese Überströmventile öffnen sich dann, um die Pumpe zu entlasten oder um eine vom Kessel benötigte Mindestumlaufwassermenge sicherzustellen, und heben dabei die Rücklauftemperatur an (Rücklaufanhebung). Letzteres gilt auch für 4-Wege-Mischer.

Sowohl Überströmventile als auch 4-Wege-Mischer sollten bei Einsatz von Brennwertkesseln stillgelegt oder ausgebaut werden, damit die Rücklauftemperatur am Kessel so niedrig wie möglich ist. Insbesondere Wandgeräte weisen aber oft so geringe Kesselwasserinhalte auf, dass zum Schutz der Wärmeübertragerflächen vor einer thermischen Überbelastung eine gewisse Mindestumlaufwassermenge durch Überströmventile sichergestellt werden muss. Die Mindestumlaufwassermenge soll möglichst klein sein.

Manche Hersteller verstehen unter Anhebung der Rücklauftemperatur, dass nur die Temperatur des Kesselwassers im heißesten Teil des Wärmetauschers angehoben wird, damit (wenn nach einem Brennerstillstand der wasserdurchflossene Wärmetauscher auf die zu kalte Rücklauftemperatur abgekühlt wird) in diesem Teilstück keine Wasserdampfkondensation stattfindet (die zu Korrosion, erheblicher Glanzrußbildung an den Tauscherflächen und zum Totalschaden am Wärmetauscher führen könnte) und in diesem Teilbereich des Wärmetauschers nur Abkühlung oberhalb des Taupunkts stattfindet, für die Abkühlung unter den Taupunkt ist dann ein „nachgeschalteter“ korrosionsfesterer Abschnitt des Wärmetauschers vorgesehen.

Die Probleme mit Überströmventilen entfallen beim Anschluss des Kessels über eine hydraulische Weiche. Beim Einsatz einer hydraulischen Weiche ist darauf zu achten, dass der kesselseitige Volumenstrom den heizkreisseitigen Volumenstrom in der hydraulischen Weiche nicht überschreitet. Andernfalls würde heißes Vorlaufwasser dem Rücklauf zum Kessel wieder beigemischt werden und dessen Temperatur anheben, was den Brennwerteffekt verringern oder sogar zunichtemachen würde. Der kesselseitige Volumenstrom sollte daher 10 bis 30 % niedriger als der heizkreisseitige Volumenstrom eingestellt werden. Die hydraulische Weiche erhöht oft die Verbrauchskosten.

Wird ein Brennwertkessel „unsachgemäß betrieben“ (beispielsweise durch Anschluss an ein Nicht-Niedertemperaturheizsystem oder wenn die Rücklauftemperatur immer zu hoch ist), können Schäden auftreten. Bei Pellet-Brennwertkesseln besteht der Feinstaub neben Ruß aus mineralischen Salzen, die sich im Wärmetauscher abscheiden und dort vom zugleich auftretenden Wasserdampfkondensat abgewaschen werden; tritt wegen zu hoher Rücklauftemperaturen keine Dampfkondensation ein, so verbacken diese Salze, vermindern den Wärmeübergang in den Wärmetauscher und verstopfen die Abgaskanäle.

### Brennwertkessel mit Modulation der Leistung

Moderne Brennwertkessel passen Brenner- und Pumpenleistung an die gerade nötige Heizlast an. Dies reduziert eine Taktung des Geräts. Ein- und Ausschaltvorgänge nutzen den Kessel ab und führen zu Auskühlverlusten in den Pausen zwischen den Betriebsphasen.

## Wirkungsgrad und Nutzungsgrad des Brennwertkessels

Der Wirkungsgrad eines Gerätes sagt aus, welcher Teil der eingesetzten Leistung genutzt werden kann. Wirkungsgrade stellen stets eine Momentaufnahme dar (z. B. Messung im Beharrungszustand bei 70 °C Kesselwassertemperatur und Nennleistung) und beziehen sich auf das Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Leistung. Für die energetische Bewertung eines Kessels reicht dies jedoch nicht aus, da die Bereitschaftswärmeverluste nicht berücksichtigt werden. D. h., es werden lediglich die Verluste berücksichtigt, die bei laufendem Brenner anfallen.

Der feuerungstechnische Wirkungsgrad, der im Schornsteinfegerprotokoll ausgewiesen wird, gibt an, welcher Anteil der in Form von Brennstoff dem Kessel zugeführten Leistung nach Abzug der trockenen (oder auch sensiblen) Abgasverluste übrig bleibt. Von diesem Anteil müsste nun korrekterweise noch der latente Abgasverlust abgezogen werden, der aufgrund der nicht oder nicht vollständig genutzten Kondensationswärme des Abgases entsteht.

Eine vollständige energetische Bewertung von Kesseln kann nur mit Hilfe des Kessel-Nutzungsgrades erfolgen. Der Kessel-Nutzungsgrad ist das Verhältnis aus der in einem bestimmten Zeitraum in Form von Brennstoff zugeführten Energiemenge und der vom Kessel an das nachgeschaltete Heizungsnetz bzw. an den Warmwasserspeicher abgegebenen Nutzenergie. Die Angabe des Kessel-Nutzungsgrades berücksichtigt im Gegensatz zur Kessel-Wirkungsgradangabe auch die im Betrieb anfallenden Bereitschaftwärmeverluste des Kessels, die beispielsweise durch die Abgabe von Strahlungswärme an den Aufstellraum während des Brennerstillstands erfolgen.

Bei Wirkungs- und Nutzungsgradangaben ist stets anzugeben, ob diese sich auf den Heizwert *H*i (früher *H*u) des eingesetzten Brennstoffes oder auf den Brennwert *H*s (früher *H*o) beziehen. Um die Wirkungs- und Nutzungsgrade von Kesseln, die mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, vergleichen zu können, eignen sich lediglich brennwertbezogene Angaben, da nur diese die gesamte im Brennstoff enthaltene Energie nennen. Die theoretisch erreichbaren Wirkungs- und Nutzungsgrade liegen bei Öl-Brennwertkesseln bei 100 %, wenn mit *H*s, und 106 %, wenn mit *H*i gerechnet wurde. Bei Gas-Brennwertkesseln werden maximal 100 % mit *H*s und maximal 111 % mit *H*i berechnet erreicht.

Die heizwertbezogene Betrachtung ignoriert die latenten Wärmeverluste (Kondensationsenthalpie).

Auch der Stromverbrauch einer Heizung ist zu berücksichtigen.

Bei der Beurteilung eines Brennwertkessels sollten neben dem Wirkungsgrad bei der Wärme*erzeugung* auch Bereitstellungsverluste berücksichtigt werden, die durch Wärmeabstrahlung der Geräte (Kessel, Speicher, Leitungen) bei schlechter Wärmedämmung hervorgerufen werden. Bereitstellungsverluste werden in Datenblättern angegeben in Prozent (der maximalen Kesselleistung, nicht des Jahresenergieverbrauchs) und liegen bei modernen Geräten in der Größenordnung von etwa 0,5–1 %. Reduktionen der Bereitstellungsverluste können beispielsweise durch Abschaltung in der Nacht (Heizungs-Solltemperatur 3 °C) anstelle von Temperaturabsenkung um zwei Grad und durch zusätzliche Wärmedämmung von Pufferspeichern und Rohrleitungen erreicht werden. Die Bereitschaftsverluste treten nur auf, wenn das Gerät in Betrieb ist oder danach abkühlt, eine Hochrechnung auf 365 × 24 = 8760 Stunden Bereitschaft resultiert noch aus Zeiten, als kleine Zündflammen „Bereitschaft hielten“ und führt zu überhöhten Werten. Das Takten eines Heizkessels beim Heizen und daraus resultierende Abkühlverluste können erhebliche Wärmeverluste verursachen, die die Einprozentmarke der Bereitschaftsverluste bei weitem übersteigen.

Mit einem Brennwertkessel kann bei Ansaugung der Zuluft aus dem Heizraum (im Keller) sonstige gebundene latente Wärme (aus der Austrocknung der Baufeuchte, wenn der Heizraum zur Wäschetrocknung genutzt wird, Badezimmer- und Saunaabluft aus der kontrollierten Wohnraumlüftung) durch Kondensationsersparnis genutzt werden.