Lehrveranstaltung

Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz ZIES - Zentrum für Innovative Energiesysteme Hochschule Düsseldorf Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik

Kapitel „Heizungstechnik“ adam

Heizungstechnik 1

Schwerpunkt Basisdaten - Heizstunden pro Jahr von Essen 0 … 5°C Heizwärme (kWh/a) = Heizleistung (kW) x Häufigkeit (h/a)

500 450

„Heizkurve“

400

50

Heiznetz-Temperatur in °C

350

100 55 Benötigte Heizleistung in %

Außentemperatur-Häufigkeit in Essen in h/a

Raumheizung - abhängig von der Außentemperatur

0

0

20

300 250

„Heizlast“ = Heizleistung (in kW) bei TAL,Norm

200 150 100

-17 -15 -13 -11 -9

-7

Norm-Auslegungstemperatur TAL,Norm, z.B. -10°C in Essen

-5

-3

-1

1

3

5

7

9

Außentemperatur in °C

Quelle: DIN 4710, Teil 1 adam

11 13 15 17 19

Heizgrenze z.B. 16°C im Altbau Heizungstechnik 2

Möglichkeiten zur Bereitstellung von Wärme

Wärmepumpe (Strom, Gas)

Thermische Solaranlage

Heizkessel (Öl, Gas)

Wärme

Blockheizkraftwerk (BHKW) Stromerzeugende Heizung Brennstoffzelle

adam

Heizkessel (Holz)

Elektroheizung (Nachtspeicher, Direktheizung) Fern-/Nahwärme aus Heizwerk, Kraft-Wärme-Kopplung, Geothermischer Bohrung, etc. Heizungstechnik 3

Wärmeerzeuger-Absatz in Deutschland Solaranlagen 2014: 100%

• 112.000 St. • 900.000 m²

80%

BHKW 2011: • ca. 10.000 St.

60%

Tendenzen 40%

• Gas-(BW) dominiert (fast 80%)

20%

• Öl geht zurück • Regenerative stagnieren

0% Quelle: www.bdh-koeln.de/prese, www. solarwirtschaft.de, Energie&Management BHKW-Markt

adam

Heizungstechnik 4

Wärmebereitstellungs-Kette in einer Heizungsanlage 5. Wärmeübergabe Heizung (Heizkörper)

99

7. RegelungsTechnik (Heizkurve, Heizzeiten, etc.)

3. Wärmeverteilung Heizung (Rohrnetz)

6. Wärmeübergabe Warmwasser (Zapfhahn)

4. Wärmeverteilung Warmwasser (Rohrnetz)

T

M

Bereitstellung Endenergieträger (Erdgas, Heizöl, …)

2. Wärmespeicherung (Wasserspeicher) 1. Wärmeerzeugung (Heizgerät)

adam

Heizungstechnik 5

Energieverluste in Heizungsanlagen - Übersicht Speicher- und Verteilverluste

Abgasverluste Abgasabkühlung nicht bis auf 20°C (einzige Verlustmessung durch Schornsteinfeger) ≥ 10 % 1) 5 … 8 % 2) -5 … -9 % 3)

Energiezufuhr

100% = Heizwert Hu bzw. Hi (per Konvention nicht Brennwert Ho bzw. Hs)

2 - 20 %

Übergabeverluste Heizgerät

Elektrische Hilfsenergie für Umwälzpumpen, Regelung, Brenner, etc.

Heizkörper

Brennstoffe wie Gas, Öl, Holz, etc.

Wärmeverluste an warmen Speicherbehältern und Rohren

durch unnötige Übererwärmung der Räume ca. 10 % bei Heizkörpern ca. 25 % bei Fußbodenheizung

10-20 % 1) 1-5 % 2) 1 % 3)

Oberflächen- und Bereitschaftsverluste Wärmeverluste an warmer Oberfläche und bei ausgeschaltetem Brenner durch Luftströmung vom Aufstellraum durch das Gerät in den Schornstein adam

typische Verlustwerte (Jahresmittelwerte) für 1)

Standard-Geräte 2) Niedertemperaturgeräte 3) Brennwertgeräte Heizungstechnik 6

Standard-Heizgeräte • Abgastemperaturen

HeizkreisMischer

- bis über 200°C bei Ölkesseln - wegen Versottungsgefahr alter Schornsteine bei zu niedrigen Abgastemperaturen

UmwälzPumpe

M T

Vorlauf

80°C

• Kesseltemperatur - konstant ca. 80°C - zur Vermeidung von Korrosion durch Abgaskondensation

Heiznetz

• Brennerleistung nicht variabel (An/Aus) lange Stillstandzeiten • Heizkreis-Mischer zur Realisierung variabler HeiznetzTemperaturen durch Beimischung von kühlem Rücklaufwasser zum konstant heißen Kesselwasser

Rücklauf bodenstehender Standard-Kessel mit Heizkreis-Mischer

• in der Regel stark überdimensioniert und schlecht wärmegedämmt Bildquelle: http://www.ikz.de/ikz-praxis/p0109/010906.php adam

Heizungstechnik 7

Niedertemperatur-Heizgeräte • Abkühlung der Abgase bis ca. 50°C … 80°C • Kesseltemperatur -

gleitend von ca. 20°C … 75°C alle Verluste am Gerät sinken mit sinkender mittlerer Heiznetz-Temperatur

• Brennerleistung -

oft modulierend (z.B. 20 … 100%) oder zweistufig (z.B. 50 und 100%)

-

oft mit sich anpassender Luftzufuhr (Luftverhältnis λ = konstant)

Wandheizgeräte • „Umlaufwasserheizer“, „Gas-Etagenheizung“, „Therme“ • kompakte Wärmeübertrager Abgas > Wasser

geringere Bereitschaftsverluste durch verringerte Brenner-Stillstandszeiten geringere Abgasverluste durch stärkere Abkühlung des verringerten Abgasmassenstroms • als Wandheizgeräte und bodenstehende Kessel etwa seit 1985 am Markt

bodenstehende Kessel • großvolumige Wärmeübertrager

Bildquellen: Vaillant, Bosch Thermotechnik adam

Heizungstechnik 8

Brennwert- Heizgeräte kondensatbeständiges Abgasrohr

Abgas

• Abgasabkühlung soweit, dass im Abgas enthaltene H2O-Moleküle auskondensieren

Luftansaugung aus Aufstellraum oder über Luft/Abgas-Rohr-in-Rohr

- Kondensationsbeginn (für λ = 1,0) Erdgas: 47°C, Heizöl: 57°C - Verhältnis von Brennwert zu Heizwert Erdgas: 111 %, Heizöl: 106 %

Luft

Ventilator (Luft-/Abgas-Förderung)

• Kesseltemperatur - gleitend von 20°C … 75°C

Flächen-Brenner Heiznetz-Vorlauf Kondensat-beständiger Abgas-Wärmeübertrager Heiznetz-Rücklauf

Abgas

- alle Verluste am Gerät sinken mit sinkender Heiznetz-Rücklauftemperatur (Gegenstrom-Wärmeübertrager)

Gas-Luft-Mischung

Erdgas

• Brennerleistung: analog Niedertemperatur-Heizgeräte • Kondensateinleitung ins häusliche Abwasser (außer bei Heizöl mit hohem Schwefelgehalt vorherige Neutralisation)

Kondensat

• als Wandheizgeräte und bodenstehende Kessel etwa seit 1995 am Markt Prinzipskizze Bildquelle: ASUE adam

Unterdruckkammer (luftumspülter Gas/AbgasWeg) Heizungstechnik 9

Heizgeräte-Effizienz während einer Heizperiode

 gleitender Kesseltemperatur  modulierender Brennerleistung mit geregelter Luftzufuhr  Luft-/Abgasförderung durch Ventilator statt Schornstein ( kein Kaminzug bzw. Durchströmung bei Brennerstillstand)

Wirkungsgrad η in %

Oberer Bildteil: Wirkungsgradunterschiede der Heizgerätetypen bei Teillast größer als bei NennBetrieb, aufgrund der positiven Wirkung von

NennBetrieb

Teillast-Betrieb

110

≈ 108 %

100

≈ 104 % ≈ 90 %

80

Niedertemperaturkessel

60

Standardkessel Heizleistung in %

Wirkungsgrad bei Teillast viel wichtiger als bei Nenn-Betrieb

Brennwertkessel (70/50°C bei -15°C)

≈ 75 %

Unterer Bildteil: analog Folie 2 Heiz-Betriebsschwerpunkt bei 0…5°C Außentemperatur bzw. 30…50% Heizlast

Brennwertkessel (40/30°C bei -15°C)

100 50 0 Außenlufttemperatur in °C

Bildquelle: Energie.Agentur NRW adam

Heizungstechnik 10

Heizgeräte-Effizienz - Kennzahlen Nutzen Heizwärme - Output = Aufwand Endenergie - Input

-15

gleiche Energiemengen pro Block: 63% x 588 h = 48% x 772 h etc.

-6

60 48% 39%

40

-3 0 3 6 9

0 0

adam

-9

30%

20

Bildquelle: http://www.energyagency.at/publ/pdf/ oil_brennwert.pdf

-12

40

13%

Außentemperatur in °C

63%

1212 h

Jahres-Nutzungsgrad mittlerer Wirkungsgrad im Betrieb für ein Jahr (Feldmessung)

80

Aufteilung der Jahres-Heizwärme in 5 gleich große Blöcke Ermittlung der zugehörigen mittleren Heizleistungen 5 Betriebspunkte

948 h

Norm-Nutzungsgrad mittlerer Wirkungsgrad für eine Heizperiode (Labormessung)

100

772 h

30%-Teillast-Wirkungsgrad für die Heizperiode charakteristischer Teillastbetriebspunkt (Labormessung)

„Mittelung“ der η-Messergebnisse an 5 charakteristischen Teillastbetriebspunkten

588 h

Nenn-Wirkungsgrad Wirkungsgrad am NennBetriebspunkt (= Dauerbetrieb bei Nennleistung, Labormessung)

Norm-Nutzungsgrad (DIN 4702 T8)

Heizgeräte-Leistung in %

η=

12 15

2872 h

80 120 160 200 240 280 Heiztage Heizungstechnik 11

Warmwasserbereitung mit Trinkwasserspeichern Indirekt beheizte Speicher

Schichtenspeicher

- beheizt über innen liegenden Rohrschlangen-Wärmeübertrager

- beheizt über externen PlattenWärmeübertrager

- Durchmischung bei Speicherladung

- unmittelbar nach Ladebeginn steht heißes Wasser zur Verfügung gleicher Komfort mit kleineren Speichern

Warmwasser Heizgerät 80°C

10°C

35°C

- gleichbleibend kühles Rücklaufwasser zum Heizgerät größerer Wirkungsgrad

60°C

- einzeln oder als Geräte-Unit erhältlich Kaltwasser Warmw. Geräteunit aus Heizgerät und liegendem Speicher

Heizgerät 80°C

10°C

60°C

60°C

10°C Kaltw.

PlattenWärmeübertrager

stehender Speicher indirekt beheizte Wasserspeicher

Bildquelle: www.viessmann.de/mediaservice-db adam

Heizungstechnik 12

Wärmeverluste sehr unterschiedlich, je nach Speichervolumen und Wärmedämmung in realen Einbausituationen teils deutliche Erhöhung der Wärmeverluste durch •

Einrohrzirkulation (+ ca. 10 % pro Rohranschluss)

•

Umlaufzirkulation z.B. über externe Wärmeübertrager (kann drastisch sein)

Wärmeverluste in kWh/d bei dT=40K

Warmwasserspeicher - Wärmeverluste

Speichervolumen in l Speicher wählen • so klein wie vom Komfort her sinnvoll • mit guter Dämmung (auch am Boden) • mit reduzierter Einrohr/Umlauf-Zirkulation durch Z-Abgänge nach unten Quelle: Produktunterlagen Fa. Vaillant, Viessmann (2014)

adam

Heizungstechnik 13

Warmwasser-Speicher - Systemnutzungsgrad Sommer schlechte Anlage

gute Anlage

Warmwasserverbrauch (70l/d, 60°C) Nutzenergie (T-Kaltwasser = 10°C)

100 l/d, 45°C 4,0 kWh/d

100 l/d, 45°C 4,0 kWh/d

Wärmeverluste am Speicherbehälter

Wärmeverluste an der Zirkulationsleitung (0,2 W/mK, 40 K)

2,0 kWh/d (200 l, indirekt beheizt, Einrohrzirkulation) 5,1 kWh/d (40 m, 16 h/d)

0,5 kWh/d (100 l, Schichtenspeicher mit Vakuumdämmung) 0,2 kWh/d (5 m, 5 h/d Kick-Start)

Thermische Masse Heizgerät Aufheizvorgang (∆ϑ = 75°C - 20°C) Anzahl Aufheizungen Wärmeverluste durch Aufheizung Heizgerät

200 kJ/K (Ölkessel) 3,0 kWh 2/d 6,0 kWh/d

20 kJ/K (Gaswandheizg.) 0,3 kWh 2/d 0,6 kWh/d

Wärmebedarf für Warmwasser, gesamt

17,1 kWh/d

5,3 kWh/d

Nutzungsgrad Heizgerät Energiebedarf für Warmwasser gesamt

85 % (NT-Kessel) 20,1 kWh/d

100 % (Brennwert-Gerät) 5,3 kWh/d

Nutzungsgrad Warmwasserbereitung

4 / 20,1 = 20 %

4 / 5,3 = 75 %

adam

Heizungstechnik 14

Speicher- und Durchlaufsysteme im Energie-Vergleich Elektro-Durchlauferhitzer - Verluste*) = 0 kWh/d - ηDurchlauferhitzer= 97% - ηKraftwerk= 38%

10 kWh/d

Primärenergiebedarf

Gas-Wandheizgerät + Warmwasserspeicher mit ηHeizgerät = 100 % 6 kWh/d • Fazit 2 kWh/d

•

0 l/d

50 l/d

100 l/d

Warmwasserverbrauch mit 45 °C adam

Speichersystem mit Gas-Heizgerät primärenergetisch vorteilhaft bei geringen Verlusten und normal großem Warmwasserverbrauch ansonsten: Elektro-Durchlauferhitzer

*) Wärmeverluste am Speicher, am Heizgerät, auf dem Weg zur Zapfstelle Heizungstechnik 15

Stromeinsparung bei Wärmeverteilung Hocheffiziente Umwälzpumpen

Wilo Stratos PICO

• Erheblicher Technologiesprung in 2001 Wirkungsgradsteigerungen bei kleinen Pumpen (bis 100 W): 5 bei größeren Pumpen (bis 500 W): 20

25 % 40 %

 ECM-Antriebsmotoren mit hohem Wirkungsgrad (electronic-comutated-motor)  optimierte Laufrad-/Gehäuse-Geometrie

Grundfos MAGNA 3

• automatische Drehzahlregelung weitere Einsparung durch Anpassung an realen Bedarf

Hydraulischer Abgleich des Rohrnetzes Problem: vom Heizgerät weit entfernte Heizkörper mit langer Rohranbindung bekommen zu wenig Wasser, kurze Rohrkreise zu viel schlechte Lösung: Pumpendrehzahl erhöhen gute Lösung: zusätzlicher Druckverlust in kurzen Kreisen Quellen: Wilo, Grundfos adam

Heizungstechnik 16

Automatische Drehzahlregelung von Umwälzpumpen

Druckdifferenz

Anlagenkennlinie bei schließenden Thermostatventilen Anlagenkennlinie (∆p = Druckverlust in der Anlage) Auslegungs-Betriebspunkt ∆p-c-Drehzahlregelung

Pumpenkennlinie (∆p = Förderhöhe der Pumpe)

∆pAusleg.

∆ p Ausleg . 2

V& Auslegung Halbierung des Jahres-Stromverbrauchs

adam

Volumenstrom

(laut Neuhaus-Melsheimer / Fa. Wilo)

Heizungstechnik 17

Energiesparende Heizungsregler-Einstellungen • 1 K geringere Raumtemperatur

ca. 6 % Energieeinsparung

 Transmissions- und Lüftungswärmeverluste = f (TRaum – TAußenluft)  mittlere Außentemperatur während der Heizperiode = ca. 4°C 

TRaum − TAußenluft 19°C − 4°C 15 K = = = 93,8% TRaum , 0 − TAußenluft ,0 20°C − 4°C 16 K

• möglichst niedrige, iterative Einstellung der Heizkurve bzw. Vorlauftemperatur höhere Wirkungsgrade des Heizgerätes geringere Wärmeverteilverluste • Abschalten statt Absenken zusätzliche Energieeinsparung keine Gefahr normalen Weiterheizens im Absenkbetrieb wegen zu hoch eingestellter Heizkurve (Thermostatventile drosseln tags und öffnen nachts) Stromeinsparung bei der Umwälzpumpe

adam

Heizungstechnik 18

Übung - Energieeinsparung durch neues Heizgerät Analysieren Sie den Austausch eines alten Gas-Kessels in einem Altbau unter folgenden Randbedingungen: • mittlerer Gasverbrauch der letzten Jahre = 4000 m³ pro Jahr (Heizwert = 10 kWh/m³) • geschätzter Jahresnutzungsgrad des vorhandenen alten Standardkessels = 70 % • zu erwartender Jahresnutzungsgrad eines neuen Niedertemperaturgerätes = 90 % • zu erwartender Jahresnutzungsgrad eines neuen Brennwertgerätes = 102 % • Gaspreis = 7 ct pro kWh Ho (Brennwert) • Strompreis = 25 ct pro kWh 1. Wie groß ist der jährliche Wärmebedarf des Gebäudes (inklusive Wärmeverteil- und Wärmeübergabeverlusten)? 2. Wie viel Energie spart man pro Jahr durch den Austausch des alten Standardkessels durch ein Niedertemperatur- bzw. ein Brennwertgerät? 3. Welcher Einsparung an Energiekosten entspricht dies pro Jahr? 4. Wie teuer dürfen die beiden Geräte jeweils sein, wenn sie sich im Laufe ihrer erwarteten Lebensdauer von 20 Jahren amortisieren sollen (ohne Berücksichtigung von Zinseffekten)? 5. In welcher Zeit amortisiert sich der Austausch der alten Umwälzpumpe mit 50 W Leistung, wenn die neue drehzahlgeregelte Pumpe eine mittlere Leistung im Verlauf der Heizperiode von 7 W besitzt und ihr Einbau 250 Euro kostet (Länge der Heizperiode = 260 Tage)? Lösungen: 28.000 kWh/a – 8.889 kWh/a, 12.549 kWh/a – 691 €/a, 975 €/a – 13.820 € ,19500 € - 3,7 a adam

Heizungstechnik 19