IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 08/2005, Seite 40 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Moderne Öl-Brennwertanlagen

Zum Stand der Technik

Dipl. Ing. Andreas Jeromin*

Im Neubau und bei der Modernisierung von Heizungsanlagen im Gebäudebestand werden heute hocheffiziente Heizgeräte eingesetzt. Sie leisten einen wichtigen Beitrag zur Energieeinsparung und damit zur Schonung der Ressourcen und der Umwelt. In diesem Zusammenhang hat die Öl-Brennwerttechnik mittlerweile einen festen Platz im Gerätemarkt eingenommen. Heute führt beinahe jeder Gerätehersteller ein Brennwertgerät im Sortiment, und die angebotenen Geräte haben, sowohl was die Technologie als auch das Design betrifft, eine vor wenigen Jahren so nicht erwartete Entwicklung genommen. Der folgende Beitrag liefert einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik bei Öl-Brennwertanlagen, wobei auch die speziell zur Förderung der Öl-Brennwerttechnik entwickelte Produktqualität Heizöl EL schwefelarm betrachtet wird.

Der Einsatz moderner Öl-Brennwertgeräte ermöglicht eine optimale Ausnutzung der eingebrachten Energie. Und eine effiziente Energieausnutzung ist der entscheidende Maßstab einer modernen Ölheizung - sowohl ökologisch als auch ökonomisch. Ein Energieeinsparpotenzial von bis zu 40 % gegenüber einem alten Standardheizkessel erfordert zwar zunächst eine höhere Investitionssumme als bei einer Niedertemperaturanlage, doch die Mehrkosten zahlen sich im Laufe der Betriebsjahre wieder aus. Brennwertgeräte verbrauchen selbst gegenüber modernen Niedertemperaturkesseln nochmals bis zu 10 % weniger Energie.

Energieausnutzung bei der Brennwerttechnik.

Was ist das Prinzip der Brennwerttechnik? Bei der Verbrennung entsteht Wasserdampf durch den im Brennstoff enthaltenen Wasserstoff. Die Abgase werden soweit abgekühlt, dass es zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes kommt. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wird neben der fühlbaren Wärme der Abgase zusätzlich genutzt.

Technisch realisiert wird das heute durch Öl-Brennwertanlagen, die für die Kondensation eines Großteils des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes konstruiert sind. Um eine Kondensation zu realisieren, sind die Abgase bis unter die Taupunkttemperatur abzukühlen. Die Taupunkttemperatur ist abhängig vom Wasserstoffgehalt des Brennstoffes sowie vom Luftüberschuss bei der Verbrennung. Bei Heizöl EL liegt die Taupunkttemperatur ungefähr bei 47°C.

Brennwertkessel mit interner Kondensation.

Traditionsgemäß wird die Energieausnutzung von Kesseln und damit alle Wirkungsgrad- und Nutzungsangaben in Deutschland auf den Heizwert H_i bezogen. Bei dieser Betrachtungsweise findet jedoch der unterschiedliche Wasserstoffgehalt der verschiedenen Brennstoffe und somit der bei der Verbrennung als Reaktionsprodukt anfallende Wasserdampf und dessen Energieinhalt keine Berücksichtigung. Ursprung dieser Festlegung war, dass bei konventionellen Kesseln der Wasserdampf wegen der Korrosionsgefahr nicht kondensieren durfte. Nur die Wärmemenge ohne Wasserdampfanteil war nutzbar und bildete daher die Basis für die Berechnung von Wirkungs- und Nutzungsgraden.

Bei Brennwertanlagen führt diese Betrachtungsweise jedoch zu verwirrenden Wirkungsgradangaben. Diese Geräte sind gerade so konstruiert, dass das Abgas bis unter Taupunkttemperatur abgekühlt wird und so der Wasserdampf kondensiert und die dadurch entstehende Wärme auch noch genutzt wird. Die nutzbare Wärmemenge erhöht sich also, theoretisch bei Heizöl EL um ca. 6% und bei Erdgas um ca. 11%. Dieser technische Fortschritt findet aber bei der Berechnung von Wirkungsgraden nicht statt. Die Basis bleibt gleich, die Kondensationswärme findet keine Berücksichtigung, was bei Brennwertgeräten zu theoretischen Wirkungsgraden von 106% bei Heizöl EL und 111% bei Erdgas führt.

IWO-Broschüre zur Öl-Brennwerttechnik

Öl-Brennwerttechnik gewinnt unter Modernisierern und Neubauinteressenten zunehmend an Beliebtheit. Dieser Entwicklung trägt eine neue Broschüre des IWO Rechnung. Sie fasst die wirtschaftlichen, technologischen und ökologischen Vorteile dieser effizienten Heiztechnik zusammen. In der für interessierte Verbraucher wie Heizungsfachleute gleichermaßen geeigneten Broschüre werden zudem das Prinzip der Öl-Brennwertnutzung sowie ihre möglichen Varianten dargestellt. Zugleich findet der Leser Informationen zur eigens für die Öl-Brennwerttechnik entwickelten Sorte "Heizöl EL schwefelarm". Ebenfalls erläutert wird der Aspekt der Kondensatbehandlung. Anzufordern unter www.iwo.de.

Das suggeriert, dass Brennwerttechnik mit Erdgas effizienter wäre als mit Heizöl EL, was effektiv falsch ist. Bezieht man die Energieausnutzung nämlich technisch richtig auf den gesamten Energieinhalt eines Brennstoffes und somit auf den Brennwert H_s, dann wird ersichtlich, dass die Brennwerttechnik für beide Energieträger gleich effizient ist.

Varianten der Öl-Brennwertnutzung

Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten, die Abgase so weit abzukühlen, dass die Brennwertnutzung einsetzt: Zum einen durch Wärmeübertragung an den Heizungsrücklauf, zum anderen durch Wärmeübertragung an die zugeführte Verbrennungsluft.

Brennwertkessel mit nachgeschaltetem Wärmeübertrager.

Brennwertkessel mit Rücklaufkühlung

Hierbei wird die sensible und latente Wärme des Abgases innerhalb des Kesselkörpers auf das Rücklaufwasser des Heizungssystems übertragen. Dabei bewirken große Wärmetauscherflächen oder mehrzügige Abgasführung, dass die Abgase bis unter Taupunkttemperatur abkühlen. Dem Abgas wird dabei umso mehr Energie entzogen, je geringer die System- bzw. Rücklauftemperatur ist.

Vorteilhaft sind hierbei niedrige Rücklauftemperaturen, die bevorzugt bei der Fußbodenheizung oder der Warmwasserbereitung mit Speicherladesystemen realisiert werden können.

Konstruktiv kann bei dieser Lösung unterschieden werden zwischen Systemen, die die Kondensation im Kesselkörper oder in einem nachgeschalteten Wärmeübertrager darstellen. Mit der Nachrüstung eines solchen Wärmeübertragers wird die Brennwertnutzung übrigens auch für moderne Öl-Niedertemperaturkessel möglich.

Brennwertnutzung durch Wärmeübertragung an die Verbrennungsluft

Bei diesen Geräten wird zunächst die Wärme an das Kesselwasser abgeführt, wobei das Abgas auf Temperaturen oberhalb des Taupunktes abkühlt. Erst in einem zweiten Wärmeübertrager erfolgt die Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes, indem die Abgaswärme zur Vorwärmung der vom Brenner angesaugten Verbrennungsluft genutzt wird. Ein Vorteil dieser Variante: Gerade im Winter, wenn der Heizwärmebedarf am höchsten ist, wird durch die besonders kühle Außenluft ein höherer Kondensationsgrad erzielt. Prinzipiell sind jedoch - aufgrund des begrenzten Wärmespeichervermögens der Verbrennungsluft - der Brennwertnutzung Grenzen gesetzt.

Luft-Abgas-System.

Vorteile zeigen sich jedoch im Bereich der Trinkwassererwärmung oder der Altbausanierung, wenn hohe Systemtemperaturen der eigentlichen Brennwertnutzung entgegenstehen. Auch in diesen Anwendungsfällen wird aufgrund der Verbrennungsluftkühlung in der Regel eine Abgastemperatur von ca. 47°C nicht überschritten.

Die Variante der Wärmeübertragung an die Verbrennungsluft wird heute meist mit einem Luft-Abgas-System (LAS) erreicht. Dies erlaubt aufgrund der raumluftunabhängigen Betriebsweise zudem die Aufstellung der Brennwertgeräte innerhalb der thermischen Hülle - ganz im Sinne der Anforderungen der Energiesparverordnung.

In der heutigen Öl-Brennwerttechnik werden die einzelnen Varianten vielfach nicht voneinander abgegrenzt, die unterschiedlichen Systeme finden häufig gleichzeitig Anwendung. Beispielsweise können viele Anlagen, die für eine interne Kondensation im Kessel ausgelegt sind, auch über ein LAS raumluftunabhängig versorgt werden, mit der Folge der Maximierung der Energieausnutzung. Weiterer positiver Nebeneffekt: So kann auch eine Aufstellung innerhalb der thermischen Hülle realisiert werden, was vor dem Hintergrund der Anforderungen der Energieeinsparverordnung als optimal zu betrachten ist.

Öl-Brennwertgeräte zeichnen sich neben minimalem Energieverbrauch und geringen Emissionen auch durch ihre kompakten Abmessungen aus. Wandhängende Geräte können in Raumnischen installiert werden und bodenstehende Öl-Brennwertgeräte benötigen genauso wenig Stellfläche wie eine Waschmaschine.

Heizölsorten im Vergleich.

Rahmenbedingungen für den Einsatz von Öl-Brennwertanlagen

• Abgasabführung

Die Abgase von Öl-Brennwertanlagen müssen über ein feuchteunempfindliches, korrosionsbeständiges und druckdichtes Abgassystem ins Freie geführt werden. Die Hersteller von Öl-Brennwertanlagen bieten üblicherweise die gemeinsam mit ihrem Produkt zugelassenen Abgassysteme an. Bestehende Schornsteine können z.B. durch das Einbringen von Abgasleitungen aus Kunststoff für eine Brennwertanlage angepasst werden.

• Kondensat

In der Praxis kann je nach Anlagensystem von ca. 0,5 l Kondenswasseranfall je Liter Heizöl im Jahresmittel ausgegangen werden. Das anfallende Kondensat wird in das öffentliche Abwassersystem eingeleitet. Dabei sind vorrangig die Vorgaben der zuständigen Abwasserbehörde einzuhalten. Häufig wird dazu auf das ATV-Arbeitsblatt A 251 zurückgegriffen (ATV = Abwassertechnische Vereinigung). Hierin ist u.a. festgelegt, dass beim Einsatz schwefelarmen Heizöls Kondensate aus Öl-Brennwertgeräten bei Anlagen bis 200 kW Leistung nicht mehr neutralisiert werden müssen.

• Brennstoffqualität

Besonders umweltschonend ist der Betrieb einer Öl-Brennwertanlage mit der eigens dafür entwickelten Sorte "Heizöl EL schwefelarm". In der Überarbeitung der DIN 51 603-1 im Jahre 2003, welche die Mindestanforderungen an die Qualität von Heizöl EL festlegt, wurden Anforderungen und Eigenschaften für schwefelarmes Heizöl EL aufgenommen.

Drei Heizölsorten werden nunmehr unterschieden: Zum einen Heizöl EL schwefelarm mit einem zulässigen Schwefelgehalt von max. 50 mg/kg, zum anderen die bewährte Standardqualität mit einem zulässigen Schwefelgehalt von mehr als 50 mg/kg bis 2000 mg/kg. Die Standardqualität wird ferner als Premiumqualität angeboten, bei welcher durch speziell abgestimmte Additivpakete anwendungsrelevante Eigenschaften verbessert werden.

Kaum Ablagerungen: Brennkammer nach 1800 Betriebsstunden mit schwefelarmem Heizöl.

Heizöl EL schwefelarm wurde speziell für die hocheffiziente Öl-Brennwerttechnik entwickelt. Neben den um den Faktor 40 reduzierten SO₂-Emissionen, vergleichbar mit denen aus Erdgasheizungen, sowie dem Wegfall der Neutralisationseinrichtung bei Anlagen bis 200 kW ist ein weiterer Vorteil von Heizöl EL schwefelarm festzuhalten: deutlich geringere Ablagerungen im Kessel. Dadurch sinkt der Reinigungsaufwand, zugleich erhöht sich die Lebensdauer der mit diesem Brennstoff betriebenen Anlagen.

Von Bedeutung ist, das Heizöl EL schwefelarm nur für den Betrieb von Ölgeräten geeignet ist, für die eine entsprechende Eignung vom Hersteller vorliegt. Ausführliche Informationen über Heizöl EL schwefelarm gibt es im Internet.

Fazit

Aus heutiger Sicht ist die Brennwertnutzung bei Heizöl EL Stand der Technik. Durch den Einsatz von Heizöl EL schwefelarm werden auch die Umweltwirkungen (SO₂-Emissionen, Kondensat) mit Erdgas vergleichbar. Daher sollten alle Möglichkeiten zur Unterstützung und Förderung dieser modernen Technologie ausgeschöpft werden, damit sich die Öl-Brennwerttechnik als Standardlösung für Ölheizungsanlagen im Markt etabliert. Die anlagen- als auch die produkttechnischen Voraussetzungen für den Einsatz moderner Öl-Brennwerttechnik sind jedenfalls geschaffen.

PDF: Hersteller/Anbieter für Öl-Brennwerttechnik

Drei Fragen

IKZ-HAUSTECHNIK: Öl-Brenntwertgeräte werden in unterschiedlichen Bauarten angeboten. Weit verbreitet sind Geräte mit nachgeschaltetem Wärmeübertrager - geht der Trend hin zu dieser Konstruktionsart?

Dr. Bellingen: Die Kessel mit nachgeschaltetem Wärmeübertrager können häufig sowohl als Niedertemperaturkessel wie auch als Brennwertkessel eingesetzt werden. Durch einen nachgeschalteten Wärmeübertrager können zudem Niedertemperaturkessel häufig auch nachträglich zu einem Brennwertsystem ergänzt werden.

Für den größeren Leistungsbereich - über 50 kW - werden in der Regel nachgeschaltete Wärmeübertrager angeboten. Im kleinen Leistungsbereich kleiner 50 kW werden unserer Ansicht nach auch zukünftig beide Konstruktionsprinzipien angeboten. Durch die neue schwefelarme Heizölsorte können kompakte wandhängende Kesselkonstruktionen der Gastechnik übernommen werden. Es ist daher anzunehmen, dass der Anteil der Geräte mit integriertem Wärmeübertrager steigen wird.

IKZ-HAUSTECHNIK: Die Aufstellung eines Öl-Brennwertgerätes im Wohnbereich ist nicht unproblematisch. Bei Wartungsarbeiten wie etwa dem Wechsel des Ölfilters drohen erhebliche Geruchsbelästigungen. Wie kann man dieses Problem in den Griff bekommen?

Dr. Bellingen: Geruchsbelästigungen durch Heizölgeruch müssen auch zukünftig unbedingt vermieden werden. Es ist anzunehmen, dass in Wohnräumen nahezu ausschließlich raumluftunabhängige Geräte installiert werden. Mögliche Gerüche werden im Betrieb mit der Verbrennungsluft angesaugt und gelangen somit nicht in den Wohnraum. Bei Wartungsarbeiten muss natürlich besonders auf Sauberkeit geachtet werden.

Um Gerüche nach einem Ölfilterwechsel zu vermeiden, ergeben sich verschiedene Lösungsvorschläge. Der Ölfilter kann unter der Kesselverkleidung installiert werden. Wie oben erläutert, kann bei raumluftunabhängigen Geräten so eine Geruchsbelästigung vermieden werden. Bei Verwendung eines Kellertanks kann der Ölfilter am Tank installiert werden, man erreicht so eine räumliche Trennung vom Wohnbereich. Zum Dritten ist zu erwarten, dass die Komponentenhersteller für diese Installationsart neue Filterbauarten anbieten, die für eine Installation im Wohnbereich optimiert sind.

Mögliche Geruchsbelästigungen können durch die Verwendung von schwefelarmem Heizöl deutlich reduziert werden. Schwefelarmes Heizöl hat einen erheblich geringeren Eigengeruch, der durch die Verwendung von Geruchsüberdeckern, wie sie in Premiumheizölen eingesetzt werden, weiter reduziert wird.

IKZ-HAUSTECHNIK: Ihre Prognose zur Entwicklung der Öl-Brennwerttechnik in den kommenden fünf Jahren.

Dr. Bellingen: Nach Angabe einiger Gerätehersteller liegt der Marktanteil von Öl-Brennwertsystemen bereits in der Größenordnung von 10%. Aufgrund der energetischen Vorteile und der entsprechenden Bewertung durch die Energieeinsparverordnung ist zu erwarten, dass dieser Anteil in den folgenden Jahren schnell ansteigt. Nahezu jeder namhafte Gerätehersteller hat heute mindestens ein Öl-Brennwertgerät im Programm.

Die Steigerung des Marktanteils der Öl-Brennwerttechnik hängt, da die technischen Voraussetzungen für eine schnelle Marktdurchdringung von der Geräteindustrie und der Mineralölwirtschaft bereits geschaffen worden sind, auch von Anreiz- und Förderprogrammen, wie beispielsweise KfW-Förderprogrammen ab. Hier wird bei der heutigen Ausgestaltung die Öl-Brennwerttechnik noch nicht entsprechend berücksichtigt.

Internetinformationen:
www.iwo.de
www.schwefelarmes-heizoel.de

* Dipl. Ing. Andreas Jeromin, Referent Technik-Neubau, Institut für wirtschaftliche Oelheizung e.V., Hamburg

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