IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 15/2001, Seite 32 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Heizen im Niedrigenergiehaus
Entwicklungen und Chancen für das System Ölheizung
Dr. Ernst-Moritz Bellingen*
Der Energiebedarf für die Gebäudebeheizung hat in den letzten Jahrzehnten erheblich abgenommen. Durch den steigenden Wärmedämmstandard ergaben sich mit der Einführung bzw. Novellierung der Wärmeschutzverordnung (WSVO) 1984 und 1995 deutliche Veränderungen. Eine weitere Reduzierung des Bedarfs wird sich erwartungsgemäß mit der Einführung der Energieeinsparverordnung und dem damit verbundenen Niedrigenergiehaus-Standard für alle neuen Gebäude ergeben. Die damit einhergehenden Entwicklungen und Chancen für das System Ölheizung sollen im Folgenden aufgezeigt werden.
In der geltenden Wärmeschutzverordnung ist der maximal zulässige Heizwärmebedarf in Abhängigkeit von Oberfläche und Volumen des Gebäudes (A/V-Verhältnis) festgelegt. An kleine Einfamilienhäuser mit einer relativ hohen wärmeübertragenden Oberfläche werden geringere, an große Mehrfamilienhäuser höhere Anforderungen gestellt. In der geplanten Energieeinsparverordnung dagegen werden Anforderungen an den Primärenergiebedarf eines Gebäudes in Abhängigkeit vom A/V-Verhältnis gestellt. Zukünftig sollen damit nicht nur die Wärmedämmung des Gebäudes (Heizwärmebedarf), sondern auch die eingesetzte Heiztechnik und die Verluste der Vorkette betrachtet werden. Diese ergeben sich durch Förderung, Transport und Aufbereitung der entsprechenden Energieträger. Erstmalig wird damit eine umfassende Bewertung der verwendeten Energien gefordert und ein entscheidender Schritt zu einer globalen Energie- und Emissionsbewertung gemacht.
| Bild 1: Anforderungen WSVO, NEH, ENEV. |
Die Anforderungen, die sich durch die WSVO 95, den Niedrigenergiehausstandard und die geplante EnEV ergeben, sind im Bild 1 dargestellt. Soll das Anforderungsniveau der WSVO mit dem der EnEV verglichen werden, muss der Primärenergiebedarf in einen Heizwärmebedarf umgerechnet werden. Die Anforderungen lassen sich nur in Abhängigkeit von der verwendeten Anlagentechnik bestimmen und sind daher als Bereich dargestellt.
Reduzierter Energieverbrauch - höherer Komfort?
Die Reduzierung des spezifischen Energieverbrauchs und die damit einhergehende Verringerung der Emissionen bei der Gebäudebeheizung ist ein entscheidendes und politisch gefordertes Planungskriterium. Neben diesen Vorgaben müssen aber auch die individuellen Wünsche der Bewohner nach Wohnkomfort und Behaglichkeit berücksichtigt werden. Der Dämmstandard von Gebäuden war immer eng mit dem aktuellen Energiepreisniveau verknüpft. In den 60er-Jahren galt beispielsweise die Devise "Heizen ist billiger als Dämmen". Mit der Wärmeschutzverordnung ist heute ein allgemeingültiges Anforderungsniveau definiert, das einen Mindestwärmeschutz fordert. Nicht ohne Grund wird aber der "Niedrigenergiehausstandard" und nicht etwa "Niedrigwärmehausstandard" definiert und damit deutlich gemacht, dass auch der Einfluss der Anlagentechnik und damit der gesamte Energieverbrauch betrachtet werden muss. Daher gewinnen mit sinkendem Energieverbrauch zunehmend Problemfelder an Bedeutung, die bisher keiner besonderen Aufmerksamkeit bedurften. Neben der Wärmedämmung und Anlagentechnik ist der Mensch die entscheidende Größe, die auf den Energieverbrauch eines Gebäudes wirkt. Untersuchungen in gleichartigen Niedrigenergiehäusern zeigen, dass die Energieverbräuche in Abhängigkeit vom Nutzerverhalten bis zu Faktor 8 voneinander abweichen können. Stetige Fensterlüftung und erhöhte Raumtemperaturen führen beispielsweise zu einem erheblichen Anstieg des Heizenergiebedarfs. Verglichen mit einem konventionell gebauten Gebäude hat der Bewohner in einem Niedrigenergiehaus einen prozentual höheren Einfluss auf den Energieverbrauch. Um Komforteinbußen zu vermeiden, muss das Heizsystem daher auf den möglichen Spitzenlastfall ausgelegt werden. Die Anlage muss Leistungsreserven zum Ausgleich von Störgrößen wie Fensterlüftung, Nachtabsenkung und Trinkwasserbereitung bereitstellen können und ein schnelles Aufheizen des Gebäudes nach längerer Abwesenheit ermöglichen.
| Bild 2: Anteil der Trinkwasserbereitung am Energiebedarf. |
Bild 2 zeigt den Anteil der Trinkwasserbereitung am Gesamtenergiebedarf. Mit steigendem Wärmedämmstandard nimmt der Anteil stark zu und wird bei der Passivhausbauweise zum bestimmenden Auslegungskriterium. Im Gebäudebestand entfallen ca. 12%, im Niedrigenergiehaus ca. 30% des Gesamtenergiebedarfs auf die Trinkwasserbereitung.
Früher und heute
Im Gebäudebestand musste die Trinkwassererzeugung nur bedingt berücksichtigt werden, da bei hohem Heizenergiebedarf und einer dementsprechend ausgelegten Heizungsanlage die erforderlichen Leistungsreserven problemlos von der Heizungsanlage bereitgestellt werden können. Zur Deckung des maximalen Heizenergiebedarfs von Einfamilienhäusern im Niedrigenergiehausstandard sind dagegen Kesselleistungen von unter 8 kW ausreichend. Eine komfortable Warmwasserbereitung kann mit diesen kleinen Leistungen nur bedingt sichergestellt werden. Drei unterschiedliche Varianten zur Bemessung der erforderlichen Kesselleistung sollen im Folgenden näher betrachtet werden:
1. Minimal mögliche Kesselleistung (entspricht in etwa dem Heizwärmebedarf)
2. Kesselleistung mit Zuschlag für die Trinkwasserbereitung
3. Kesselleistung kann in Stufen dem erforderlichen Wärmebedarf angepasst werden.
Zu 1: Im ersten Fall wird eine besonders kleine Kesselleistung installiert, es ergeben sich die längsten Brennerlaufzeiten und die geringsten Taktraten. An kalten Tagen, an denen die untere Auslegungstemperatur erreicht wird, läuft dieses System fast rund um die Uhr. Um den Trinkwasser-Tagesbedarf bereitzustellen, muss daher ein großer Pufferspeicher installiert werden, der beispielsweise in der Nacht geladen werden kann. Erhöht sich der Trinkwasserbedarf z.B. durch häufiges Duschen oder ein zusätzliches Wannenbad, muss durch die fehlenden Leistungsreserven mit Komforteinbußen gerechnet werden. Das System kann nicht auf veränderte Anforderungen reagieren und ist daher wenig flexibel. Obwohl energetisch optimierte Gebläse und Pumpen für den kleinen Leistungsbereich eingesetzt werden, führen lange Brennerlaufzeiten zu einem höheren elektrischen Hilfsenergiebedarf, der in der Gesamtbilanz berücksichtigt werden muss. Aus Komfort- und ökologischen Gesichtspunkten ist daher von einer derartigen Planung abzuraten.
Zu 2: Im zweiten Fall wird eine deutlich höhere Kesselleistung installiert. Durch die Leistungsreserve kann eine bedarfsgerechte und flexible Trinkwassererwärmung sichergestellt werden. Ein häufiges Takten dieser Systeme kann durch einen großen Kesselwasserinhalt, durch die Einbindung eines Pufferspeichers in den Radiatoren-Wasserkreislauf und durch eine angepasste Kesselsteuerung vermieden werden. Die Bereitschaftsverluste des Kessels werden durch eine hohe Wärmedämmung, durch Luftabschlussklappen im Brenner und durch niedrige Abgastemperaturen reduziert. Im Teillastbereich verschlechtert sich der Wirkungsgrad daher nicht. In der Summe ergeben sich damit aus ökonomischer sowie ökologischer Sicht keine Nachteile für diese Auslegungsvariante.
Zu 3: Um die Kesselleistung den verschiedenen Betriebssituationen anzupassen, werden heute mehrstufige oder modulierende Brenner angeboten. Mit diesen Brennern kann der Heiz- und Trinkwasserkomfort in allen Betriebssituationen sichergestellt werden. Für den normalen Heizbetrieb ist in der Regel die kleinste Stufe erforderlich; bei der Trinkwassererwärmung wird die größte Stufe angefordert. Eine stufenlose Anpassung der Kesselleistung bietet keine entscheidenden energetischen Vorteile gegenüber zweistufigen Systemen.
Im Bereich der Wohnungslüftung ergeben sich ebenfalls durch individuelle Gewohnheiten unterschiedliche Anforderungen an die Heiztechnik. Ein erhöhter Luftwechsel durch häufiges Fensterlüften oder der Betrieb einer Dunstabzugshaube in der Küche, führt zu einem erhöhten Heizenergiebedarf. In Gebäuden mit besonders geringem Heizenergiebedarf wird daher eine kontrollierte Wohnungslüftung erforderlich. Um den Energiebedarf möglichst niedrig zu halten, ist auch die Einweisung und Information der Bewohner erforderlich, damit die eingesetzten Systeme energiesparend genutzt werden können.
Bewährter Standard - maßgeschneiderte Systeme
Die Reduzierung der Heizlasten bedingt beim System Ölheizung konsequenterweise auch eine Reduzierung des Brennstoffmassenstromes. Dies kann bei Öldruckzerstäuberbrennern durch die Reduzierung des Pumpendrucks und durch den Einsatz von kleineren Düsen erreicht werden. Die Verbrennungsqualität ist entscheidend von der Gemischaufbereitung abhängig. In modernen Brennersystemen wird die Verbrennungsluft so geführt, dass Drall und Wirbelzonen für eine gleichmäßige Verteilung des Ölnebels sorgen und zu einer homogenen Gemischbildung und somit zur schadstoffarmen Verbrennung beitragen.
Durch die Rezirkulation heißer Abgase in die Verbrennungszone kann die Gemischbildung verbessert werden. Der Brennstoff wird hier zunächst vollständig verdampft und danach rußfrei verbrannt. Vergleichbar zur Abgasrückführung bei modernen Automotoren wird bei diesen Systemen durch die Reduzierung des Sauerstoffgehalts die Spitzentemperatur der Verbrennung gesenkt und damit das Emissionsverhalten verbessert. Die so genannte Inertisierung des Gemisches führt insbesondere zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen.
Bei der Entwicklung von ruß- und schadstoffarmen Feuerungstechniken verfolgt man zunehmend das Ziel, die Gemischbildungszone und die Reaktions- oder Verbrennungszone zu trennen. Das bedeutet, dass im ersten Schritt aus dem flüssigen Brennstoff ein gasförmiges Brenngas erzeugt wird und im zweiten Schritt die eigentliche Verbrennung erfolgt. Dieses Ziel kann sowohl mit konventionellen Ölzerstäubungsbrennern, wie aber auch durch neue Feuerungstechniken erreicht werden. Einige Entwicklungsstudien werden im folgenden Kapitel angesprochen.
| Bild 3: Brennwertkessel mit interner Kondensation. |
Optimiertes System
Die Optimierung konventioneller Ölfeuerungstechnik, der sogenannten Öl-Niedertemperaturtechnik, ermöglicht heute Kesselwirkungsgrade bis zu 94%. Durch den Einsatz von Öl-Brennwertkesseln kann sogar nahezu die gesamte Wärmeenergie des Brennstoffes ausgenutzt werden. Rechnerisch ergibt sich damit ein maximaler Nutzungsgrad von 106 %. In verschiedenen Feldversuchsanlagen konnte gezeigt werden, dass der Wirkungsgrad im praktischen Betrieb, durch Abgasabkühlung und Nutzung der latenten Wärme, um rund zehn Prozent im Vergleich zu moderner Niedertemperaturtechnik gesteigert werden kann. Die Gesamtverluste betragen damit lediglich ein bis drei Prozent und entsprechen denen, die auch mit modernen Gas-Brennwertgeräten erreicht werden.
Die Kondensation des Wasserdampfs geschieht dabei entweder im Kessel oder in einem nachgeschalteten Wärmeübertrager (Bilder 3 und 4). Wird im Kessel kondensiert, muss der Kesselkörper aus korrosionsbeständigen Werkstoffen bestehen. Bei der Kondensation in einem nachgeschalteten Wärmeübertrager kann ein handelsüblicher Niedertemperaturkessel eingesetzt werden.
| Bild 4: Brennwertkessel mit externer Kondensation. |
Um die Auskühlung des Aufstellraumes durch die Verbrennungsluft zu verhindern, sollte der Kessel in Niedrigenergiehäusern in die thermische Hülle des Gebäudes einbezogen werden. Für diesen Einsatz werden Raumluft unabhängige Heizsysteme angeboten, bei denen der Brenner die erforderliche Verbrennungsluft aus dem Freien ansaugen kann (Bild 5) - beispielsweise über ein Luft-Abgas-System (LAS). Das Abgasrohr wirkt dabei als zusätzlicher Wärmeübertrager, der das Abgas weiter abkühlt und die vorgewärmte Verbrennungsluft dem Heizsystem zuführt.
| Bild 5: Wandhängendes Raumluft unabhängiges Öl-Brennwertgerät. |
Durch die Einbindung von regenerativen Energiequellen kann der Verbrauch von fossilen Brennstoffen ebenfalls weiter reduziert werden. Im Bereich der Heizungstechnik ergeben sich damit neue Installations- und Kombinationsmöglichkeiten. Weitere Einsparpotenziale ergeben sich durch den Einsatz von Solarkollektoren zur Trinkwassererwärmung. In das Heizsystem kann außerdem ein Warmwasser-Kaminofen eingebunden werden. Der Öl-Heizkessel schaltet sich dann nur bei Bedarf zu und ergänzt den erforderlichen Heizwärmebedarf (Bild 6).
Eine Kombination von Heizkessel und Pufferspeicher bieten speicherintegrierte Heizsysteme, bei denen der Feuerraum in den Pufferspeicher integriert ist. Vorteile ergeben sich hier durch den geringen Platzbedarf im Vergleich zur getrennten Aufstellung. Bei einer solaren Energienutzung können die solaren Wärmegewinne zudem zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden.
| Bild 6: Heizungsanlage mit Festbrennstoffkessel, Solarkollektoren und LAS. |
Tankraum verschwindet im Schrank
Die geringen Öl-Lagermengen, die für den Jahresbedarf in Niedrigenergiehäusern erforderlich sind, führen zu neuen Konzepten bei der Heizöllagerung. Neben den klassischen Bauformen und maßgeschneiderten Tanksystemen kann auch ein Heiz- und Lagerschrank vorgesehen werden. Neben einem Raumluft unabhängigen Kessel mit Warmwasserspeicher gehört auch der Lagerbehälter dazu. Das System wird mit einer Metalltür gegen den Wohnraum abgeschlossen und kann so beispielsweise auch in einem Hauswirtschaftsraum installiert werden (Bild 7).
| Bild 7: Raum sparendes Heizsystem (Studie). |
Zukunft der Ölheizungstechnik
Um den zukünftigen Anforderungen zur Bereitstellung von Raumwärme Rechnung zu tragen, werden neue Entwicklungen und Konzepte zur umweltschonenden und effizienten Verbrennung von Heizöl EL im kleinen Leistungsbereich entwickelt. Im Zuge einer gesamtenergetischen Betrachtung gewinnt der Hilfsenergiebedarf einer Heizungsanlage zunehmend an Bedeutung, der zum Einsatz von optimierten Gebläsen und Pumpen führt. Zur Verbesserung der Verbrennungsgüte werden neue Gemischaufbereitungs- und Verbrennungsprinzipien untersucht.
| Bild 8: Projektstudie: Oberflächenbrenner für Heizöl EL. |
Die Oberflächenverbrennung bietet ein großes Entwicklungspotenzial für eine umweltschonende und geräuscharme Verbrennung. Feuerraum und Heizflächen sowie die gesamten Heizgeräte lassen sich mit dieser Technik geometrisch kompakter gestalten. Durch die Stabilisierung der Flamme an einer glühenden Oberfläche wird eine hohe Betriebssicherheit und die Minderung der thermischen Stickoxidbildung erreicht. Die vom Institut für Wirtschaftliche Oelheizung (IWO) vorgestellte Studie (Bild 8) besteht aus einem zylindrischen porösen Körper, in den ein konventioneller Blaubrenner integriert wurde. Beim Startvorgang wird der poröse Körper durch den Blaubrenner vorgeheizt. Die poröse Oberfläche wird von den heißen Abgasen durchströmt und auf Betriebstemperatur gebracht. Sobald die Oberfläche stellenweise zu glühen beginnt, kann die Aufheizphase abgebrochen werden, durch die Unterbrechung der Brennstoffzufuhr erlischt die Startflamme. Bei erneuter Brennstoffzufuhr verdampft der Brennstoffnebel im Luftstrom vollständig, durchdringt die poröse Oberfläche, entzündet sich und umschließt den zylindrischen Körper als blauer Flammteppich. Als Oberflächenmaterialien können beispielsweise Keramik, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid sowie hochtemperaturfeste Edelstähle verwendet werden. Der Brenner kann in weiten Bereichen modulierend ab einer Leistung von 4 kW betrieben werden.
Die Erzeugung eines homogenen Gemisches aus Luft und Brennstoff steht im Mittelpunkt einer anderen Projektstudie (Bild 9). Der Einsatz der sogenannten Vormischtechnik und der Gemischbildung durch so genannte Kalte Flammen soll im Folgenden veranschaulicht werden.
| Bild 9: Ansicht und schematische Darstellung des gläsernen Verdampfers für Heizöl EL. |
Kalte Flammen sind in einem Temperaturbereich zwischen 300 und 480° C zu beobachten. Es handelt sich hierbei um einen Temperaturanstieg, der sich aus einer exothermen chemischen Reaktion der Kohlenwasserstoffe (Heizöl EL) mit dem Luftsauerstoff ergibt. In ein auf ca. 300° C vorgewärmtes Luftgemisch wird Brennstoff eingedüst. Das Gemisch erwärmt sich dann bis zu einer Temperatur von etwa 480°C. Diese Temperatur stellt einen Grenzwert dar, der auch bei weiterer Erhöhung der Zulufttemperatur nicht überschritten wird. Der Effekt wird aus diesem Grund mit Kalter Flamme bezeichnet.
Das von IWO vorgestellte Funktionsmodell wurde an der RWTH Aachen entwickelt. Es besteht aus einem Glasrohr, in dem die Reaktion anschaulich gezeigt werden kann. Durch eine wassergekühlte Düse wird flüssiger Brennstoff (Heizöl EL) in einen vorgewärmten Verbrennungsluftstrom eingedüst. Das Brennstoff-Luftgemisch strömt in das Rezirkulationsrohr, wo anschließend die Reaktion der kalten Flamme einsetzt. Durch Injektorwirkung transportiert das Rezirkulationsrohr heiße Verbrennungsluft in den Düsenbereich. Im Dauerbetrieb kann daher auf eine Luftvorwärmung verzichtet werden. Im Bereich der kalten Flamme ist ein schwaches blaues Leuchten zu beobachten. Am Ausgang des Glasrohrs tritt ein homogenes Brennstoff-Luft-Gemisch aus. Das durch Kalte Flammen erzeugte Gasgemisch kann in modernen Brennerkonzepten sowie als Ausgangsstoff für die Synthesegasherstellung genutzt werden. Verbrennungskonzepte, die bisher nur mit gasförmigen Brennstoffen realisierbar waren, können so auch mit flüssigen Brennstoffen betrieben werden. So könnte die Gemischaufbereitung beispielsweise im Bereich der Brennstoffzellentechnologie als "Vergaser" genutzt werden.
Konsequenzen für das Niedrigenergiehaus
Der hohe Wärmedämmstandard in Niedrigenergiehäusern führt zu einem geringen Heizwärmebedarf. Auslegungskriterien wie die Warmwasserbereitung und eine komfortable und schnelle Wärmeerzeugung in allen Betriebssituationen gewinnen an Bedeutung, sie müssen daher bei der Auslegung der Kesselleistung stärker berücksichtigt werden. Mit einer Kesselleistung, die sich nur am Heizenergiebedarf orientiert, kann eine komfortable und jederzeit verfügbare Warmwasserbereitung nicht sichergestellt werden. Moderne Heizkessel können wirtschaftlich und emissionsarm auch im Teillastbereich betrieben werden. Aus ökologischer und ökonomischer Betrachtung heraus, steht der Bereitstellung von Leistungsreserven daher nichts im Wege.
Anforderungen an Niedrigenergiehäuser
Die Anforderungen, die bei der Planung und der Bauausführung von Niedrigenergiehäusern berücksichtigt werden müssen, werden durch das RAL-Gütezeichen 965 beschrieben. Der Jahresheizwärmebedarf wird hier auf das 0,7-fache des in der WSVO vorgegebenen Wertes begrenzt; für Wohnflächen unter 200 m2 gilt ein Wert von unter 70 kWh/(m2 a) als ausreichend. Zur Minimierung von Wärmebrücken wird ein planerischer Nachweis gefordert. Anforderungen an die Luftdichtigkeit des Gebäudes werden über einen planerischen Nachweis und über Forderungen einer späteren Messung der tatsächlichen Luftdichtigkeit sichergestellt. Des Weiteren werden Anforderungen an die Qualität der Heizungsanlage, der Trinkwassererwärmung und an die kontrollierte Wohnungslüftung gestellt.
*) Dr. Ernst-Moritz Bellingen, Institut für wirtschaftliche Oelheizung e.V.
B i l d e r : IWO, Hamburg
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