Erdgas-Modernisierungskonzept für öffentliche Gebäude

Ing. Eige Clasen Teil 1

Viele veraltete Kesselanlagen in öffentlichen Gebäuden sind für heutige Verhältnisse nicht wirtschaftlich genug. Der Autor greift dieses Thema auf und stellt ein Modernisierungskonzept auf, mit dem Energie gespart und die Umwelt entlastet wird. Teil 1 bezieht sich auf grundsätzliche Modernisierungsaspekte, während Teil 2 eine umgestellte Anlage mit der alten vergleicht.

Zustand alter vorhandener Ölanlagen

Ein Großteil der in öffentlichen Gebäuden installierten Kesselanlagen arbeitet unwirtschaftlich. Das liegt zum Teil daran, daß die Wärmeerzeuger in der Vergangenheit bei der Festlegung der Nennwärmeleistung mit Sicherheitszuschlägen sowie mit Zuschlägen für die Erwärmung von Brauchwasser belegt worden sind. Das Ergebnis waren zu groß ausgelegte Kesselanlagen. Auch bei der Berechnung des Wärmebedarfs nach DIN 4701 wurden erhöhte Werte zugrundegelegt. In der Novellierung dieser Richtlinie (1983) wurden diese Werte erheblich verringert, was sicherlich den Gegebenheiten der Praxis entsprechen dürfte. So wird zum Beispiel von geringeren Temperaturspreizungen von der Raum- zur Außentemperatur ausgegangen, der Zuschlag für die unterbrechbare Betriebsweise entfällt, der Eckfensterzuschlag wird nicht mehr eingerechnet, und der Wert für den Lüftungswärmebedarf ist mit einem Gleichzeitigkeitsfaktor (meist 0,5) zu belegen.

Um Energiekosten einzusparen, wurden in vielen Fällen die Außenflächen der Gebäude wärmegedämmt, so daß die Wärmeleistung der Kessel hätte verringert werden müssen. Auch wurden, um Unsicherheitsfaktoren begegnen zu können, meist Reservekessel installiert, welche bei Störungen den Gesamtwärmebedarf des Gebäudes hätten übernehmen können.

Diese Kesseleinheiten wurden bzw. werden aus Unwissenheit gemeinsam auf Betriebstemperatur gehalten. Auch war das Abschalten von Kesseln während der Ruhe- und Übergangszeit oder in den Bereichen, in denen bei hohen Außentemperaturen kein erwärmtes Brauchwasser verlangt wurde, nicht üblich.

Bild 1: Investitionskosten je kWh und Jahr Einsparung (Prof. Dr. G. Hausladen).

Die Regelung der Heizungsanlagen erfolgt größtenteils über die der Außentemperatur angepaßte Vorlauftemperatur für den jeweiligen Heizkreis. Das Kesselwasser behält Tag und Nacht eine gleichmäßige Temperatur von zum Beispiel 80°C, was, bezogen auf den Schwefelsäure-Taupunkt bei der Verbrennung von Heizöl EL, bedingt durch das in diesem Bereich korrosionsanfällige Material der Kesselheizflächen, auch zum größten Teil erforderlich ist. Während der Ruhezeiten erfolgt zum Teil eine Absenkung der Heizkreistemperaturen durch eine Parallelverschiebung der Heizkurven. Bei Elternversammlungen, Konferenzen oder bei der Durchführung von Kursen wird wegen eines Klassenraumes die ganze Schule aufgeheizt.

Diese für den Anwendungsfall Schule meist unwirtschaftliche Regelungs- und Anlagentechnik führt neben unnötigen Beheizungen auch zu erhöhten Stillstandsverlusten der Kessel. Das heißt, die Wärmeerzeuger geben Energie über ihre Oberflächen ab, ohne daß die Heizkreise Wärme anfordern. Auch die Verteilungsverluste über das Rohrleitungssystem sind nicht unerheblich, zumal die Dämmaßnahmen zum Zeitpunkt der Installation nicht gesetzlich vorgeschrieben waren.

Heizkörperthermostatventile, die nicht gegen Veränderung des Temperatursollwertes geschützt sind, können nur bedingt zur Energieeinsparung beitragen.

Bild 2: Umstellung von Heizöl auf Erdgas durch Brennerwechsel.

Maßnahmen zur Energieeinsparung

Soweit energieeinsparende Maßnahmen nicht gesetzlich geregelt sind, sollte darauf geachtet werden, daß die Investitionen und Folgekosten in einem wirtschaftlichen Verhältnis zur Energiekosteneinsparung stehen.

Im Energieeinsparungsgesetz (EnEG) wird der bauliche Wärmeschutz von Gebäuden, wodurch der Heizwärmebedarf begrenzt werden soll, in der Wärmeschutzverordnung festgelegt. Die Begrenzung der Verluste von Heizungsanlagen durch festgeschriebene Maßnahmen werden in der Heizungsanlagen-Verordnung (HeizAnlV) behandelt. Für die Begrenzung der Emissionen von Feuerungsanlagen ist das Bundes-Immissionsschutzgesetz zuständig. Hier sind z.B. Abgasverluste u.a. für Kessel > 50 kW mit 9% festgelegt, wobei diese Werte durch eine jährliche Messung überwacht werden (Ausnahme Brennwertkessel).

Verbesserung der Wärmedämmung

Eine Verbesserung der Wärmedämmung der Hüllflächen bestehender Gebäude ist aus Gründen der Behaglichkeitssteigerung empfehlenswert. Bei einer Amortisationsdauer je nach Höhe des Energiepreises und der Investitionen von 20 bis 40 Jahren ist diese Lösung jedoch unwirtschaftlich (Bild 1).

Ermittlung der Amortisationsdauer

Über eine Wirtschaftlichkeitsberechnung kann abgeschätzt werden, ob eine Investition sinnvoll ist. Neben den wirtschaftlichen Aspekten sind im besonderen Maße die Auswirkungen der geplanten Maßnahmen auf den Schutz der Umwelt zu beachten. Für die Ermittlung der Wirtschaftlichkeit gibt es verschiedene Berechnungsmethoden. Eine dieser Möglichkeiten ist die Ermittlung der Amortisationsdauer. Die Amortisationsdauer sagt aus, in welcher Zeit das eingesetzte Kapital mit Zins und Zinseszins durch die rechnerisch ermittelte Einsparung zurückgezahlt wird. Da Preise, Löhne und sonstige Kosten einer Steigerung unterliegen, ist die dynamische Methode der statischen vorzuziehen.

Darin bedeuten:

q₁ = Zinsfaktor = 1 + p

p = Zinssatz in 1/100

I = Investitionen in DM

e = jährliche Einsparung in DM/a

q₂ = Preissteigerungsfaktor = 1 + prozentuale Preissteigerung

Bild 3: CO₂-Bildung von Wärmeerzeugern (alt/neu) in kg CO₂/kWh Nutzwärme.

Umstellung der vorhandenen Kesselanlage

Die wirtschaftlichste Methode der Energieeinsparung liegt im Bereich der Heizungstechnik. In der Vergangenheit sind Heizöl-EL-Anlagen auf Erdgas umgestellt worden, in dem die Brenner ausgewechselt wurden (Bild 2). Hierdurch konnten zwar Kosten eingespart und Emissionen verringert werden, die erheblich überdimensionierte und veraltete Heizungsanlage blieb jedoch unverändert bestehen. Durch die energiesparenden Anforderungen der HeizAnlV können Energieverbrauch und Emissionen noch weiter begrenzt werden. Diese Verordnung kommt u.a. zur Anwendung, wenn heizungstechnische Anlagen ersetzt, erweitert oder umgerüstet werden oder mit Einrichtungen zur Steuerung und Regelung nachzurüsten sind. Es sind somit bei der Begrenzung der Abgasverluste, der Aufstellung von Wärmeerzeugern, der Einrichtung zur Begrenzung von Betriebsbereitschaftsverlusten, der Wärmedämmung von Wärmeverteilungsanlagen, der Einrichtung zur Steuerung und Regelung sowie beim Einsatz von Warmwasserbereitungsanlagen gesetzlich festgeschriebene Regeln zu beachten und einzuhalten.

Auswahl des Brennstoffes

Besonders wichtig bei der Optimierung der Heizungsanlage ist die Auswahl des Brennstoffes. Neben der optimalen Ausnutzbarkeit wird hier verstärkt nach dem Kriterium der Umweltbelastung entschieden (Bild 3). Ein Erdgaskessel kann wegen des praktisch nicht vorhandenen Schwefelanteils im Brennstoff meist unbedenklich im Niedertemperaturbereich betrieben werden. Auch die Nutzung des Brennwertes einschließlich eines Großteils der fühlbaren (sensiblen) Wärme ist möglich. Da für die vorhandenen Heizungsanlagen öffentlicher Gebäude, obwohl das Heizsystem beispielsweise auf eine Rücklauftemperatur von 70°C ausgelegt worden ist, bei einer mittleren Außentemperatur während der Heizperiode von + 5°C zum größten Teil eine Rücklauftemperatur von 40°C ausreicht, sollte auch bei dem hier genannten Anwendungsfall der Einsatz eines Brennwertgerätes überprüft werden (Bild 4).

Auch die Überdimensionierung der vorhandenen Heizflächen kommt diesen Überlegungen entgegen. Denn je größer die wärmeaustauschende Fläche ausgelegt ist bei gleicher Wärmedurchgangszahl, um so geringer kann die Heizmediumtemperatur bei konstanter Raumtemperatur gehalten werden. Es dürfte größtenteils mit 70/50°C Heizsystemen (höhere Temperaturen, wenn Lüftungsanlagen vorhanden) gerechnet werden können. Somit könnten diese Heizungsanlagen ca. 90% der Jahresheizarbeit im Bereich der Brennwertnutzung betrieben werden (Bild 4).

Bild 4: Kondensationswärmenutzung bei einem Heizsystem 70/50°C.

Der Brennwert des Erdgases kann genutzt werden, wenn die Abgastaupunkttemperatur, die je nach der Luftzahl bei der Verbrennung zwischen ca. 47 und 60°C liegt (bei Luftzahlen von l = 1 bis 2,2), unterschritten wird. Die Kondensationswärme beträgt bei Erdgas etwa 11% des Heizwertes. Zusammen mit der höheren Nutzung der fühlbaren Wärme ergeben sich Wirkungsgrade von über 100%. Dieser Wirkungsgrad ist möglich, da die Bezugsbasis auf den Heizwert des Gases zurückgeführt wird, der nicht den bei der Brennwertnutzung gewonnenen Anteil der Kondensationswärme enthält. (Fortsetzung folgt)

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