Wärmeerzeuger im Einfamilienhaus - Beurteilung bezüglich Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit


Diplomarbeit, 2002

204 Seiten, Note: 1


Leseprobe

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1 EINLEITUNG 8

1 Einleitung

1.1 Energieeinsparung - warum?

Noch bis zum Ende des 18. Jahrhunderts deckte man den Großteil des

Energiebedarfes an Wärme mit Brennholz, man nutzte Wasser- und Windkraft

z. B. mit Hilfe von Mühlen. Mit dem Beginn der Industrialisierung im 19.

Jahrhundert begann die Menschheit, die fossilen Energieressourcen der Erde

im verstärktem Maße auszubeuten, was einer der Gründe für die rasante

technische Entwicklung und dem damit verbundenen heutigen Wohlstand ist.

Energie aus fossilen Energieträgern ist relativ preiswert, einfach zu

transportieren, in ausreichendem Maße verfügbar und sehr gut dosierbar.

Heute wird mehr als 90% des Primärenergieverbrauchs durch fossile

Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas gedeckt.

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Abbildung 1.1-A: Entwicklung des Welt-Primärenergieverbrauchs wichtiger

Energieträger (nach Regenerative Energiesysteme, Tabelle 1.4)

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1 EINLEITUNG 11

1.2 Energiesparende Wärmeerzeuger

Der energetische Standard der Heizungsanlage hängt stark vom

Wärmeerzeuger ab. Zum einen davon, ob er mit fossilen oder regenerativen

Energieträgern versorgt wird, zum anderen, welchen Jahres-Nutzungsgrad er

erreicht. Der Jahres-Nutzungsgrad ist das Verhältnis der in einem Jahr im

Wärmeerzeuger auf den Wärmeträger übertragenen Wärmemenge zu der im

Brennstoff zugeführten Energie, bezogen auf den Heizwert (vgl. Projektierung

von Warmwasserheizungen, S. 396). Von 1960 bis heute konnten die Norm-

Nutzungsgrade von knapp 70% bis auf 109% bei Gas-Brennwertkesseln

gesteigert werden (siehe Abbildung unten). Durch die zusätzliche Nutzung

von Umweltwärme sind weitere Steigerungen möglich. So beabsichtigt die

Buderus Heiztechnik GmbH für 2002 ein Kombigerät aus einem Gas-

Brennwertkessel und einer Diffusions-Absorptions-Wärmepumpe auf den

Markt zu bringen, das Norm-Nutzungsgrade von 130% und mehr erreichen

kann. Damit wird ein Beitrag zur Einsparung fossiler Energieträger geleistet.

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Abbildung 1.2-A: Historische Entwicklung des Norm-Nutzungsgrades (Buderus)

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2 AUFGABENSTELLUNG 12

2 Aufgabenstellung

Die wichtigste Aufgabe des Wärmeerzeugers im Einfamilienwohnhaus ist -wie der Name schon sagt - die „Erzeugung“ bzw. Bereitstellung der Wärme,

die im Gebäude benötigt wird. An einen modernen Wärmeerzeuger werden

jedoch weit mehr Anforderungen gestellt: Faktoren, wie Funktionssicherheit,

Geräuschemissionen, Wartungs- und Bedienungsfreundlichkeit, Lebensdauer,

Platzbedarf und Design spielen bei der Kaufentscheidung eine wichtige Rolle.

Ferner wird immer mehr Wert auf Umweltfreundlichkeit gelegt, d. h. der

Primärenergieverbrauch sowie die Schadstoffemissionen sollen möglichst

gering sein. Selbst wenn ein Wärmeerzeuger einem Großteil dieser

Anforderungen gerecht wird, steht am Ende immer die wichtige Frage nach

den Kosten bzw. nach der Wirtschaftlichkeit. Der umweltfreundlichste und

optisch ansprechendste Wärmeerzeuger ist am Markt schwer durchzusetzen,

wenn er ein Vielfaches eines herkömmlichen Wärmeerzeugers kostet. Aber

nicht nur die Anschaffungskosten, auch die Folgekosten müssen bei der

Beurteilung der Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden. Die beiden zuletzt

genannten Kriterien bezüglich der Kaufentscheidung - Umweltfreundlichkeit

und Wirtschaftlichkeit - sollen in dieser Diplomarbeit näher untersucht werden.

Die Buderus Heiztechnik GmbH wird 2002 eine Innovation auf den Markt

bringen: Die „Gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP 102“. Hierbei

handelt es sich um ein Kombigerät aus einer Diffusions-Absorptions-

Wärmepumpe (DAWP) und einem Gas-Brennwertkessel. Dieser neuartige

Wärmeerzeuger soll im Rahmen dieser Diplomarbeit mit folgenden

Wärmeerzeugern verglichen werden:

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3 UNTERSUCHTE W Ä R M E E R Z E U G E R 14

3 Untersuchte Wärmeerzeuger

Im Folgenden sollen die untersuchten Wärmeerzeuger - vor allem natürlich

die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP - beschrieben werden. Die

Beschreibungen beschränken sich auf die Punkte, die für diese Diplomarbeit

relevant sind.

3.1 Gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP 102

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Abbildung 3.1-A: Gasbetriebenen Wärmepumpe Loganova GWP 102 (Buderus)

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3 UNTERSUCHTE W Ä R M E E R Z E U G E R 18

Die Entwicklung der Prinzips der DAWP geht auf den schweizer Ingenieur Dr.

Hans Stierling zurück. Die Technologie des thermodynamischen Prozesses ist

seit Jahrzehnten bekannt und wurde bereits millionenfach in Kühlschränken

(gasbetriebene Camping- / Hotelkühlschränke) eingesetzt. Im Jahre 1996 hat

die Buderus Heiztechnik GmbH das Patent der DAWP erworben und seitdem

kontinuierlich weiterentwickelt.

3.1.2 Gas-Brennwertgerät

Zur Deckung der Spitzenlast ist in der gasbetriebenen Wärmepumpe

Loganova GWP ein Gas-Brennwertgerät integriert, das auf der Technik des

Logamax plus der Buderus Heiztechnik GmbH beruht. Das Gerät schaltet sich

bei hoher Heizungsanforderung bzw. bei Brauchwasseranforderung dazu. Die

Warmwasserbereitung übernimmt der Gas-Brennwertkessel monovalent. Die

DAWP verfügt nur über eine Heizleistung von 3,6 kW, womit sich nur ein

ungenügender Komfort für die Warmwasserbereitung realisieren lässt.

Außerdem hat sich gezeigt hat, dass die Leistungsziffer der DAWP dabei

relativ schlecht wird. Daraus ergibt sich jedoch auch ein Vorteil: Während der

Warmwasserbereitung muss der Heizungsbetrieb nicht vollständig

unterbrochen werden, er kann parallel zur Warmwasserbereitung von der

DAWP weitergeführt werden. Es ist somit mit geringen bis gar keinen

Komforteinbußen zu rechnen.

Ein ausführliche Beschreibung der Funktionsweise des Gas-Brennwertgerätes

findet man in Kapitel 3.3.

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3.1.3 Kombigerät Loganova GWP

Die nachfolgenden Ausführungen beruhen auf Angaben der Buderus

Heiztechnik GmbH.

3.1.3.1 Aufbau und Funktionsweise

Die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP wird in zwei Gerätegrößen

lieferbar sein: Mit einer maximalen Heizleistung von 11 und 19 kW. Die DAWP

besitzt in beiden Fällen eine Heizleistung von 3,6 kW. Die DAWP und der

Gas-Brennwertkessel sind hydraulisch parallel geschalten. Sowohl die DAWP

als auch der Gas-Brennwertkessel besitzen einen eigenen Brenner mit

Glühzünder und Flammenüberwachung, eine eigene leistungsabhängig

geregelte Umwälzpumpe, die gegeneinander durch Rückschlagklappen

hydraulisch abgesichert sind, und einen eigenen Kondensatablauf. Da die

DAWP zur Aufrechterhaltung des Kreisprozesses eine konstante

Wärmezufuhr benötigt, ist der Brenner der DAWP einstufig. Hingegen kann

der Brenner des Gas-Brennwertgerätes bis auf 48% in der Geräteausführung

mit 11 kW bzw. bis auf 50% in der Ausführung mit 19 kW modulieren. Die

Verbrennungsluft gelangt über den Ringspalt im konzentrischen Luft-Abgas-System in das Gerät. In der Zufuhr des zündfähigen Brennstoff-Luftgemisches

vor den beiden Brennstäben ist jeweils eine Rückschlagklappe angebracht,

um ein gegenseitiges Beeinflussen der beiden Brenner zu verhindern. Das

Abgas wird über je einen Kondensat-Wärmetauscher geleitet, in dem die

latente Wärme des Abgases dem Heizungsrücklauf zugeführt wird

(Brennwertnutzung). In der Regel wird das Gerät raumluftunabhängig

betrieben. Dann wird die Verbrennungsluft über den Ringspalt des

konzentrischen Luft-Abgas-Systems angesaugt, während das Abgas im

innenliegenden Rohr strömt. Das restliche Gehäuse ist nahezu luftdicht

ausgeführt.

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3.1.3.2 Planung

Die Loganova GWP wurde für den Einsatz im Ein- und Zweifamilienhaus

konzipiert. Hydraulisch eingebunden in das Heizsystem wird sie prinzipiell

genauso wie ein herkömmlicher Gas-Brennwertkessel:

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Abbildung 3.1-F: Hydraulikschema mit zwei Heizkreisen (Buderus)

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3 UNTERSUCHTE W Ä R M E E R Z E U G E R 27

3.1.3.3 Feldtest

In der Praxis erprobt wird die gasbetriebene Wärmepumpe Loganova GWP

102 seit August 1999 mit 85 Geräten in einem zweijährigen Feldversuch in

Deutschland und den Niederlanden. Bei den Testaktivitäten arbeitet die

Buderus Heiztechnik GmbH mit der Ruhrgas AG als deutscher und Gasunie

als niederländischer Koordinator sowie zahlreichen weiteren regionalen

Gasversorgungsunternehmen zusammen.

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Abbildung 3.1-J: Aufteilung der deutschen Feldtestanlagen nach Dämmstandards

(nach Angaben von Buderus)

Die obige Abbildung zeigt, dass die Loganova GWP sowohl in Ultra-Niedrigenergiehäusern mit einer Heizlast von weniger als 5 kW als auch in

Altbauten mit einer Heizlast von über 15 kW getestet wurde. Das komplette

Spektrum im Ein- und Zweifamilienhaussektor wurde damit abgedeckt. Auch

in bezug auf die Auslegungstemperatur sind alle Kombinationen von 40 °C bis

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3.2 Öl-Niedertemperatur-Heizkessel

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Abbildung 3.2-A: Öl-Niedertemperatur-Heizkessel Logano G115 (Buderus)

Buderus bietet im Kleinkesselbereich zwei Kesseltypen an: Den Gusskessel

Logano G 115, der das gehobene Preissegment abdeckt, und den Stahlkessel

Logano S115 als preisgünstige Alternative. Die nachfolgenden Ausführungen

beziehen sich auf ersteren.

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3.2.1 Aufbau und Funktionsweise

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Der Kesselblock des Logano G115 besteht aus dem speziell von Buderus

entwickeltem Grauguss G180 M. Es weist besonders gute Eigenschaften bei

der Herstellung auf und ist unempfindlich gegen aggressives Schwitzwasser,

das sich in bestimmten Betriebsfällen bei Niedertemperatur-Heizkesseln

bilden kann. Es sind vier verschiedene Kesselgrößen mit einer Nennleistung

von 17, 21, 28 und 34 kW erhältlich.

Es stehen drei verschiedene Brenner zur Auswahl: Der Gelb- bzw.

Transparentbrenner Logatop TE, der Blaubrenner BE und als High-End-

Produkt der Rezirkulations- bzw. Blaubrenner OE. Alle drei Brenner erreichen

in etwa denselben feuerungstechnischen Wirkungsgrad. Unterschiedlich

hingegen sind die Schadstoffemissionen. Heutzutage werden nur noch sehr

selten Gelbbrenner eingesetzt, da die Emissionswerte sehr hoch sind.

Blaubrenner sind Stand der Technik. Der BE-Brenner weist geringfügig

schlechtere Werte als der OE-Brenner auf, ist allerdings in der Anschaffung

wesentlich günstiger, weshalb er am häufigsten verkauft wird. Im

Nachfolgenden wird daher auf diesen Brennertyp eingegangen.

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Blaubrenner haben einen etwas erhöhten Gebläseenergieverbrauch und

höhere Schallemissionen, so dass ein Abgasschalldämpfer zu empfehlen ist.

Diese beiden Nachteile werden aber durch die Vorteile wieder aufgewogen:

Der Luftüberschuss kann minimiert werden, dadurch wird der

feuerungstechnische Wirkungsgrad verbessert. Die Stickoxid- (NO X ) und

Kohlenmonoxidemissionen (CO) sind äußerst gering. Beim Brenner mit 17 kW

entstehen beispielsweise nur 95 mg/kWh Stickoxide und 15 mg/kWh

Kohlenmonoxide (Angaben von Buderus). Dies wirkt sich positiv auf die

Umweltfreundlichkeit aus.

3.2.2 Planung

Öl-Niedertemperatur-Heizkessel sind im Wesentlichen für alle

Anwendungsfälle im Einfamilienhaus geeignet. Es können sowohl Heizkörper

als auch Fußboden- oder Wandheizsysteme zum Einsatz kommen. Moderne

Niedertemperatur-Heizkessel können kontinuierlich mit Rücklauftemperaturen,

die unter dem Taupunkt der Abgase liegen, betrieben werden. Es kann zu

einer Kondensation des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes

kommen. Die Nutzung der Kondensationswärme wie bei der Brennwerttechnik

ist allerdings nicht beabsichtigt.

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3.3 Gas-Brennwertkessel

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Im Unterschied zu Heizwertkesseln nutzen Brennwertkessel zusätzlich die im

Abgas enthaltene Kondensations- bzw. latente Wärme. Bei Erdgas beträgt der

Anteil an Kondensationswärme etwa 11% bezogen auf den Heizwert, bei

Heizöl nur etwa 6%. Bei Niedertemperatur-Heizkesseln, d. h.

Heizwertkesseln, bleibt dieser Wärmeinhalt ungenutzt. Da bei

Brennwertkesseln außerdem die Abgastemperatur niedriger als bei

Heizwertkesseln ist, kann zusätzlich die im Abgas enthaltene sensible Wärme

genutzt werden. Summa summarum lassen sich Norm-Nutzungsgrade bis

109% erreichen, während bei Niedertemperatur-Heizkesseln nur maximal

96% erreicht werden.

Entscheidenden Einfluss auf den Nutzungsgrad hat jedoch die Auslegung des

Heizsystems. Erst wenn die Rücklauftemperatur der Heizungsanlage den

Taupunkt des Abgases unterschreitet, fällt Kondensat an, und erst dann kann

der latente Wärmeinhalt des Abgases genutzt werden. Bei Erdgas liegt der

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Taupunkt des Abgases etwa bei 57 °C, bei Heizöl etwa bei 48 °C. Je niedriger

also die Rücklauftemperatur, desto höher der Kesselwirkungsgrad.

Zusätzlich positiv auf den Nutzungsgrad wirkt sich eine modulierende

Betriebsweise des Gas-Gebläsebrenners aus. Im Teillastbereich ist die Fläche

des Abgaswärmetauschers im Verhältnis zum Abgasmassenstrom relativ

groß, so dass ein größerer Anteil an latenter und sensibler Wärme genutzt

werden kann. Wichtig dabei ist jedoch, dass dabei der

Verbrennungsluftüberschuss konstant gehalten wird, d. h. das

Brennergebläse muss ebenfalls modulieren. Geschieht dies nicht, sinkt

sowohl der Wirkungsgrad aufgrund des erhöhten Abgasmassenstroms (es

muss mehr Luft als Ballast miterwärmt werden) als auch aufgrund des

Absinkens des CO 2 -Gehalts sowie der relativen und absoluten Luftfeuchte,

weshalb der Taupunkt sinkt. Die heute auf dem Markt gängigen Geräte

erfüllen diese Anforderungen.

Im Einfamilienhausbereich haben sich in den vergangenen Jahren

wandhängende Gas-Brennwertkessel etabliert. Diese sind bis zu einem

Leistungsbereich von 60 kW erhältlich und können somit das komplette

Spektrum im Ein-, Zwei- und Mehrfamilienhaussektor bedienen.

Von Buderus werden zwei Bautypen angeboten: Für das gehobene

Preissegment der Logamax plus GB 112 und der Logamax plus GB 122 als

preisgünstige Alternative. In dieser Diplomarbeit wird auf ersteren Typ

eingegangen.

Ende der Leseprobe aus 204 Seiten

Details

Titel
Wärmeerzeuger im Einfamilienhaus - Beurteilung bezüglich Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit
Hochschule
Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Note
1
Autor
Jahr
2002
Seiten
204
Katalognummer
V185870
ISBN (eBook)
9783656990499
ISBN (Buch)
9783867467414
Dateigröße
3470 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
wärmeerzeuger, einfamilienhaus, beurteilung, umweltfreundlichkeit, wirtschaftlichkeit
Arbeit zitieren
Thomas Wachinger (Autor), 2002, Wärmeerzeuger im Einfamilienhaus - Beurteilung bezüglich Umweltfreundlichkeit und Wirtschaftlichkeit, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185870

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