IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 07/2001, Seite 94 ff.

Gas-Brennwerttechnik - ausgereift, aber noch lange nicht ausgereizt

Herbert Hanning*

Das Thema Gas-Brennwert ist in der Branche ein echter Dauerbrenner. Auch auf der diesjährigen ISH in Frankfurt wird es eine zentrale Rolle spielen. Hier informieren sich die Experten über den neuesten Stand der Technik. Alle namhaften Hersteller zeigen daher beim großen Branchenereignis unter anderem, was sie in puncto Brennwertgeräte zu bieten haben.

Das Ende der Wirkungsgradsteigerungen ist erreicht

Auch wenn die Technik der Geräte inzwischen ausgereift ist: Wer meint, zum Thema Brennwert sei alles gesagt, liegt falsch. Das zeigt schon die Diskussion darüber, welcher Werkstoff für den Wärmeübertrager am besten geeignet ist. Gängig sind reiner Edelstahl oder Aluminium-Silizium-Wärmeübertrager und beide Materialien setzen die Hersteller mit Erfolg in ihren Geräten ein. Inzwischen lassen sich auch Wärmeübertrager aus Aluminium und Silizium durch eine großzügige Reinigungsöffnung problemlos säubern (Bild 1).

Bild 1: Wärmezelle aus einem Gas-Brennwertgerät. Material: Aluminium-Siliziumlegierung.

Die Brennwertgeräte erreichen einen Normnutzungsgrad von etwa 109 Prozent (bezogen auf H_i,n), maximal möglich sind 111 Prozent. Vor allem bei den Brennwertgeräten zeigt die geringe Differenz von zwei Prozent zwischen Ist- und Idealwert, dass in diesem Bereich nicht mehr viel zu holen ist. Gleiches gilt für die Schadstoffe - im wesentlichen CO und NO_x - deren Emissionen durch die modernen Brennersysteme schon bis an die Nachweisgrenze reduziert werden konnten. Hier ist weiterer Entwicklungsaufwand wenig sinnvoll. Denn ein weiterer Schritt in Richtung Umweltschonung lässt sich nur noch durch einen verminderten Verbrauch fossiler Energieträger - also auch von Erdgas - realisieren.

Dafür sind ganz neue Techniken erforderlich. Eine umweltschonende Form der Wärmeerzeugung ist beispielsweise die Wärmepumpe. Die Brennstoffzelle, der Stirlingmotor oder die Kraft-Wärme-Kopplung sind weitere Alternativen für die Wärmeversorgung, die eines gemeinsam haben: Der elektrische Strom wird direkt beim Verbraucher erzeugt. Dadurch werden einerseits die Verluste durch den Transport des Stromes vom Kraftwerk zum Verbraucher reduziert. Andererseits kann der Hauseigentümer die anfallende Abwärme zum Heizen der Wohnung oder für die Warmwasserbereitung verwenden. Energieverluste durch Abwärme werden so weitgehend vermieden. Die Heizungsbranche beschäftigt sich intensiv mit diesen neuen Technologien - teilweise unterstützt von großen Stromkonzernen. Trotzdem wird es noch einige Jahre dauern, bis diese Geräte dem Markt zur Verfügung stehen. Außerdem kann man nicht erwarten, dass mit der Einführung der neuen Energiesparverordnung jeder Altbau automatisch zum Niedrigenergiehaus wird. Hier haben auch künftig die konventionellen Heizgeräte - mit oder ohne Brennwertnutzung - ihren festen Platz. Wer allerdings bei der Wärmeversorgung Energie sparen möchte, sollte seine Wohnung mit einem Brennwertgerät beheizen.

Es mag vielleicht überraschen, aber über kurz oder lang werden Wirkungsgrad, Verbrauch und Emissionen bei der Brennwertgeräteentwicklung kaum noch eine Rolle spielen. Dies aber nicht, weil sich Hersteller und Abnehmer nicht um die Schonung natürlicher Ressourcen kümmern würden, sondern deshalb, weil die Branche bei der üblichen Gerätetechnik die Möglichkeiten der Technik nahezu ausgereizt hat.

Die Schwerpunkte in der Entwicklung werden sich daher schon in naher Zukunft deutlich verschieben. Denn während beim Wirkungsgrad wirkliche Innovationen kaum noch möglich sind, gibt es in anderen Bereichen der Heizungstechnik noch Verbesserungspotenziale. Beispielsweise bei der Flexibilität von Installation und Betrieb sowie bei der Minimierung des Wartungsaufwands und der Einbindung in bestehende Systeme.

Bild 2: Beispiel für ein Brennwertgerät für hohen Komfort.

Zudem zeichnet sich auf der diesjährigen ISH in Frankfurt ein weiterer Trend ab: Die Hersteller wollen jedem Kunden das passende Brennwertgerät anbieten können. Deshalb stellt Junkers/Bosch Thermotechnik eine neue Generation von Brennwertgeräten mit zwei Modellen vor: Mit der Cerasmart bietet der Thermotechnik-Spezialist ein Gerät, das alles hat, was Bauherren für den Einstieg in die Brennwerttechnik brauchen. Für noch mehr Wärme-, Warmwasser- und Bedienungskomfort hat Junkers zudem die neue Cerapur im Programm (Bilder 2 und 3).

Bild 3: Beispiel für ein Brennwertgerät als Einsteigermodell.

Technische Innovationen machen ein Brennwertgerät zu einer High-Tech-Anlage

Um den Geräterücklauf nicht unnötig zu erwärmen und somit die Brennwertnutzung zu reduzieren, arbeiten beide Geräte ohne Mindestumlaufwassermenge. Zudem sind die Vor- und Nachspülzeiten des Ventilators sehr kurz, damit der Wärmeübertrager nicht unnötig durch Frischluft ausgekühlt wird.

Bei Heizwertgeräten darf es innerhalb der Brennkammer und des Abgassystems zu keiner Kondensation der Abgase kommen. Anders bei den Brennwertgeräten: hier kann die Brennerleistung, so weit wie technisch möglich, reduziert werden. Die Geräte erhalten dadurch einen deutlich größeren Modulationsbereich. Dieser lässt sich sogar noch erweitern, wenn die benötigte Leistung auf Kaskaden aufgeteilt wird. Weil dabei mehrere Einzelgeräte zusammengeschlossen sind, ist die Gesamtanlage zudem sehr ausfallsicher. Das Takten des Brenners und die Start-Stop-Emissionen sind durch den erweiterten Modulationsbereich auf ein Minimum reduziert. Das verbessert die Regelgüte und verlängert die Lebensdauer der schaltenden Bauteile. Durch den großen Modulationsbereich der Geräte können diese in den unterschiedlichsten Installationsumgebungen eingesetzt werden: Beispielsweise für Niedrigenergiehäuser mit kleinem Wärmebedarf oder Altbauten mit deutlich höherem Heizwärmebedarf.

Vorrangiges Ziel der Entwickler war es in der Vergangenheit, den Wirkungsgrad zu erhöhen, die Verbrennung zu verbessern und dadurch den Verbrauch zu minimieren und die Emissionen zu senken. Im Bereich der Wirkungsgradverbesserung können die Geräteentwickler nicht mehr viel erreichen. Weitere Energieeinsparungen lassen sich nur noch über den verminderten Verbrauch von Hilfsenergie - also elektrischem Strom - realisieren. Hauptstromverbraucher sind bei den Brennwertgeräten das Gebläse und die Heizungsumwälzpumpe. Modulierende oder in Stufen schaltende Gebläse verbrauchen deutlich weniger Strom, da die Geräte überwiegend mit Teillast betrieben werden. Deshalb haben sich diese Gebläse inzwischen am Markt durchgesetzt.

Zwar bieten auch die Pumpenhersteller elektronisch geregelte Umwälzpumpen, diese lassen sich jedoch meist nicht mit der Geräteelektronik adaptieren. Das kann den Komfort der Warmwasserbereitung beeinträchtigen. Beispielsweise durch ein mit geringer Leistung arbeitendes Kombigerät und eine Pumpenelektronik, die im Laufe der Zeit die Leistung ebenfalls heruntergeregelt hat. Öffnet der Benutzer den Warmwasserhahn, meldet die Geräteelektronik dem Brenner, automatisch auf Volllast zu fahren. Die Umwälzpumpe jedoch reagiert auf die veränderte Last zeitverzögert oder eventuell gar nicht, weil sie diese Änderungen unter Umständen gar nicht oder nicht rechtzeitig registriert.

Um eine komfortable Warmwasserbereitung sicherzustellen, sollte die Umwälzpumpe daher direkt von der Elektronik des Heizgerätes angesteuert werden. Der Bewohner regelt in diesem Fall über den Raum- oder Außentemperaturregler nicht nur das Heizgerät, sondern auch die Umwälzpumpe. Für den Kunden machen sich die Vorteile einer solchen Pumpenregelung in gesteigertem Komfort und durch einen geringeren Stromverbrauch bemerkbar.

Besonders wer seine Wohnung mit einer älteren Anlage heizt, profitiert von dem besseren Komfort. Denn früher war die Abstimmung der Pumpe auf die Anlage durch den Fachmann reine Gefühlssache. Pfeifende Thermostatventile an den Heizkörpern waren deshalb besonders im Teillastbereich keine Seltenheit. Bei Anlagen mit Kennfeldpumpe stellt der Fachhandwerker die Pumpe bei der Inbetriebnahme auf die erforderliche Leistung ein und innerhalb dieses definierten Kennfeldes arbeitet die Pumpe dann. Manche Pumpen können wahlweise auf Proportionaldruck, Konstantdruck oder auf eine von mehreren festen Kennlinien eingestellt werden. Pumpe und Brenner werden so parallel geregelt (Bild 4).

Bild 4: Kennfeld der neuen Pumpe der Brennwert-Kesseltherme Cerapur.

Dass sich mit Brennwertgeräten Energiekosten senken lassen, ist nichts Neues. Weiteres Einsparpotenzial bietet die Integration von Solaranlagen und Systemen zur kontrollierten Wohnungslüftung. Deshalb nehmen immer mehr Heizgerätehersteller diese Anlagen mit ins Programm und bieten Komplettsysteme aus einer Hand für hohen Wärme- und Warmwasserkomfort. Dabei sind alle Komponenten aufeinander abgestimmt - vom Wärmeerzeuger über die Solaranlage und dem Lüftungssystem bis zur Regelung.

Einfache Installation und Inbetriebnahme sind unerlässliche Eigenschaften

Damit ein Brennwertgerät zuverlässig arbeitet, sollte der Fachmann bei der Installation und Inbetriebnahme besonders sorgfältig vorgehen. Denn Endkunden wollen mit ihrer Heizung möglichst nichts mehr zu tun haben, wenn sie einmal installiert ist. Sie verlangen also nach einem Gerät, das keine Überwachung erfordert, aber trotzdem immer optimal funktioniert. Hilfreich erweisen sich Brennwertgeräte mit einem Textdisplay. Die Klartextanzeige auf dem Display unterstützt die Eingabe und ermöglicht zusammen mit einer - sofern vorhanden - "mitdenkenden" Bedienerführung eine weitgehend selbsterklärende Bedienung selbst komplexer Programme (Bild 5).

Bild 5: Hilfreich bei der Bedienung: Display mit Klartextanzeige.

Bewährt haben sich Systeme mit einer automatischen Fehlerdiagnose. Läuft die Therme nicht ordnungsgemäß, blinkt eine Multifunktionsanzeige und gibt einen mehrstelligen Fehlercode an. Dann wissen die Bewohner, dass es Zeit für den Fachmann ist. Sinnvoll sind Regelungen, die nicht bei jeder Störung sofort abschalten. Sie sollten analysieren, wann der Weiterbetrieb vertretbar ist und wann die Mängel sicherheitsrelevant sind. So gibt es Systeme mit Notlaufeigenschaften: Bei bestimmten Zwischenfällen reduziert es die Leistung auf Minimalbetrieb, damit die Bewohner zumindest einen einzelnen Raum noch beheizen können, bis der Servicetechniker kommt.

Zur Warmwasserbereitung werden die meisten Brennwertgeräte in Deutschland mit einem Speicher kombiniert. Im europäischen Ausland hingegen sind Kombigeräte wesentlich stärker verbreitet. Noch sprechen der höhere Komfort bei der Warmwasserbereitung und Wirtschaftlichkeitsgründe für Speicherlösungen. Dies könnte sich in Zukunft aber ändern. Der große Modulationsbereich bei modernen Brennwertgeräten erlaubt inzwischen auch höhere Brennerleistungen, wie sie für eine ausreichende Warmwasserversorgung im Durchlaufprinzip erforderlich sind.

Wirtschaftlich arbeitet dieses System, wenn der Wärmeaustauscher für die Warmwasserbereitung auf das Gesamtgerät so abgestimmt ist, dass auch bei der Warmwasserbereitung die volle Brennwertnutzung möglich ist. Junkers hat als einer der wenigen Hersteller die volle Brennwertnutzung für die Warmwasserbereitung auch bei Kombigeräten realisiert. Und dies hat sogar noch einen weiteren Vorteil: Die niedrigen Systemtemperaturen verhindern die Verkalkung des Plattenwärmetauschers. Über die Systempaarung primär 70/35�C werden sekundär 55�C mit einem niedrigen Verkalkungsrisiko erzeugt (Bild 6).

Bild 6: Plattenwärmeübertrager für die Brauchwasserbereitung.

Für den Handwerker kommt es darauf an, dass die Geräte auch bei schwankenden Energiedichten des Erdgases zuverlässig arbeiten. Die Gasversorgungsunternehmen müssen das Gas aus Gründen der Versorgungssicherheit aus mehreren Quellen beziehen. Weil Erdgas ein Naturprodukt ist, kann die Zusammensetzung schwanken. Diese Schwankungen bewegen sich jedoch innerhalb normierter Grenzen. Wird Erdgas aus verschiedenen Gasfördergebieten der Welt miteinander vermischt, können sich solche Schwankungen der Energiedichte ergeben. Die Brenner in den Wärmeerzeugern müssen trotz unterschiedlicher Gasmischungen zuverlässig und ohne erhöhten Schadstoffausstoß arbeiten.

Wichtig für den Handwerker ist zudem die einfache Installation und schnelle Inbetriebnahme von Heizgeräten. Aufwändige Einstellarbeiten an Brenner und Regelung kann er dem Endkunden gegenüber kaum rechtfertigen und diesem daher auch nicht in Rechnung stellen. Schon seit einiger Zeit beschäftigt die Heizgerätehersteller dieses Thema und auch künftig werden die Ingenieure sich verstärkt diesem Entwicklungsschwerpunkt widmen. Eine Möglichkeit der automatischen Gasartenanpassung kann mit einer Lambda-Sonde erreicht werden. Nachteilig ist jedoch ein hoher Stromverbrauch und eine zu kurze Standzeit der Lambda-Sonde.

Brennwerttechnik für feuchteempfindliche Schornsteine

Um die Brennwerttechnik auch im Altbau mit wenig Aufwand einsetzen zu können, gibt es inzwischen auch ein Brennwertgerät, das sich an feuchteempfindliche Schornsteine anschließen lässt. Bisher hielt die unvermeidliche Schornsteinsanierung beim Einbau von Brennwertgeräten Haus- oder Wohnungsbesitzer oft davon ab, sich solche sparsamen und umweltschonenden Geräte anzuschaffen. Mit der neuen Cerapur-Kamin haben die Junkers-Ingenieure jedoch ein Brennwertgerät entwickelt, das sich an fast allen gebräuchlichen Schornsteinen betreiben lässt, die in den vergangenen 20 bis 30 Jahren gebaut wurden - ohne dass die Gefahr einer Durchfeuchtung besteht. Überall, wo konventionelle Heizwertgeräte einwandfrei funktionieren, kann auch die Cerapur-Kamin eingesetzt werden. Auch in Mehrfamilienhäusern mit Mehrfach- oder Gemischtbelegung am nicht renovierten Schornstein lässt sich das Gerät anschließen. Und falls der Schornstein dann doch eines Tages saniert werden sollte, lässt sich die Gas-Brennwerttherme nachträglich zu einem vollkondensierenden Brennwertgerät umrüsten - mit einem Normnutzungsgrad von bis zu 108 Prozent (Bild 7).

Bild 7: Gas-Brennwertgerät Cerapur-Kamin für den Einsatz an vorhandene, feuchteempfindliche Schornsteine.

Fazit

Im Bereich der Brennwerttechnik gibt es also inzwischen für jeden Anwendungsfall die passende Lösung - ob Alt- oder Neubau, Etagenwohnung oder Mehrfamilienhaus, Dach- oder Kellerinstallation. Das zeigen die auf der ISH in Frankfurt vorgestellten Produktinnovationen und -verbesserungen einmal mehr. Und das beweist auch unsere These: Die Brennwerttechnik ist ausgereift - ausgereizt ist dieses Thema jedoch noch lange nicht. Das Gegenteil ist sogar der Fall. Ein Ende der dynamischen Entwicklungen bei Brennwertgeräten ist noch nicht in Sicht. Obwohl sich die Wirkungsgrade nicht mehr steigern und die Schadstoffemissionen kaum noch weiter senken lassen, gibt es noch viele Ansätze für weitere Verbesserungen zum Nutzen der Kunden.

*) Herbert Hanning, Produktmanager für Gas-Heizgeräte bei Junkers/Bosch Thermotechnik, Wernau

B i l d e r : Junkers/Bosch Thermotechnik, Wernau

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