Heiztechniklexikon – einfach und verständlich erklärt
Das Heiztechniklexikon liefert Infos und Erläuterungen zu Begriffen der Heiztechnik, aber auch zu spezifischen Fachausdrücken.
Abgasverluste
Bei der Verbrennung von Öl oder Gas im Heizkessel kann die eingesetzte Energie nicht ohne Verluste an das Heizsystem abgegeben werden. Die warmen Abgase, die über den Schornstein in die Atmosphäre entweichen, enthalten eine verhältnismäßig große Wärmemenge, die als Abgasverlust bezeichnet wird. Der Schornsteinfeger stellt bei seiner jährlichen Emissionsmessung fest, ob die Verbrennungsqualität und der Abgasverlust bei Brennerbetrieb den gesetzlichen Vorschriften entspricht. Er prüft, ob der Brenner funktioniert und die Anlage sicher ist. Selbst wenn er Ihnen einwandfreie Werte bescheinigt, sagt das nur wenig über die tatsächliche Energieausnutzung des Wärmeerzeugers (Norm-Nutzungsgrad) aus, da diese maßgeblich auch durch die Höhe der Oberflächenverluste beeinflusst wird.
Absorber
Absorber sind integraler Bestandteil jedes Sonnenkollektors. Sie liegen unter der lichtdurchlässigen und reflektionsarmen Abdeckung des Kollektors, so dass sie direkt von der Sonne bestrahlt werden.
Der Absorber "schluckt" (absorbiert) die Sonnenstrahlung fast gänzlich, und die Sonnenenergie wird in Wärme umgewandelt. Hinsichtlich eines hohen Wirkungsgrades haben sich besonders Absorber ausgezeichnet, die - wie dies bei allen Sonnenkollektoren von Namenhaften Herstellern der Fall ist - hochselektiv beschichtet sind.
Blockheizkraftwerk (BHKW)
Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) besteht im Wesentlichen aus Motor, Synchrongenerator und Wärmetauscher. Der vom Verbrennungsmotor (Kraftmaschine) angetriebene Synchrongenerator (Arbeitsmaschine) erzeugt 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom) mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 400 V, der in der Regel selbst genutzt wird.
Die elektrische Anbindung erfolgt an das Niederspannungsnetz (0,4-kV-Ebene). In der Regel werden BHKW parallel zum öffentlichen Netz betrieben. Durch den Einsatz von Synchrongeneratoren ist prinzipiell aber auch Netzersatzbetrieb möglich.
Überschüssiger Strom kann in das Netz des Energieversorgungsunternehmen (EVU) eingespeist werden. Der Motor gibt Wärme ab, die im so genannten „inneren Kühlkreislauf“ nacheinander aus dem Schmieröl, dem Motorkühlwasser und dem Abgas aufgenommen und über einen Plattenwärmetauscher an das Heizungssystem übertragen wird.
Dieses System der Energieerzeugung und -nutzung heißt Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), weil gleichzeitig die vom Motor erzeugte mechanische Energie (Kraft) und die beim Antrieb des Generators durch den Motor frei werdende thermische Energie (Wärme) genutzt wird.
Funktionsschema
Ein gasbetriebener Verbrennungsmotor treibt einen Generator zur Stromerzeugung an. Die dabei entstehende Wärme wird dem Kühlwasser und dem Abgas über Wärmetauscher entzogen und genutzt.
Bivalente Trinkwassererwärmung
Bei der bivalenten Trinkwassererwärmung wird das Trinkwasser von zwei unterschiedlichen Wärmeerzeugern - z.B. Heizkessel und Sonnenkollektoren - erwärmt. Über eine Heizwendel des Warmwasserspeichers wird die Wärme der Sonnenkollektoren an das Trinkwasser abgegeben. Über eine zweite Heizwendel kann bei Bedarf eine Nachheizung über den Heizkessel erfolgen.
Technologie Brennstoffzelle
Wasserstoff und Sauerstoff: Mehr braucht es nicht, um Strom und Wärme zu produzieren. Basis der so genannten „kalten Verbrennung“ ist die chemische Reaktion der beiden Stoffe. Sie läuft zwischen zwei Elektroden ab: An der Anode wird Wasserstoff zugeführt, der von einem Katalysator in positive Ionen und negative Elektronen gespalten wird. Die Elektronen wandern über einen elektrischen Leiter zur Kathode und es fließt Strom. Gleichzeitig gelangen die positiv geladenen Wasserstoffionen durch den Elektrolyten (Ionen-Austausch-Membran) zur Kathode, wo sie letztlich mit Sauerstoff zu Wasser reagieren. Wärme wird freigesetzt. Und zwar völlig schadstofffrei und umweltschonend.
Brennwert (Hs)
Der Brennwert (Hs) definiert die bei vollständiger Verbrennung frei werdende Wärmemenge einschließlich der Verdampfungswärme, die im Wasserdampf der Heizgase enthalten ist.
Die Verdampfungswärme konnte früher nicht genutzt werden, da die technischen Möglichkeiten dafür noch nicht existierten. Für alle Nutzungsgrad-Berechnungen wurde daher der Heizwert (Hi) als Bezugsgröße gewählt. Durch die zusätzliche Nutzung der Verdampfungswärme und den Bezug auf Hi können somit Nutzungsgrade von über 100% entstehen.
Brennwerttechnik
Die Brennwerttechnik nutzt nicht nur die Wärme, die als messbare Temperatur der Heizgase bei der Verbrennung entsteht (Heizwert), sondern auch zusätzlich deren Wasserdampfgehalt (Brennwert). Brennwertkessel sind in der Lage, die in den Abgasen enthaltene Wärme fast vollständig zu entziehen und zusätzlich in Heizwärme umszusetzen und zu nutzen.
Die Brennwertkessel verfügen über Hochleistungs-Wärmetauscher, die die Abgase bevor sie durch den Schornstein entweichen soweit abkühlen, dass der in ihnen enthaltene Wasserdampf gezielt kondensiert und die freigesetzte Kondensationswärme zusätzlich auf das Heizsystem überträgt.
Mit dieser Technologie erreicht ein Brennwertkessel einen Norm-Nutzungsgrad bis 98% (bezogen auf Hs). Brennwertkessel arbeiten dadurch besonders energiesparend, was sowohl den Geldbeutel als auch die Umwelt schont.
Dreizugkessel
Das Konstruktionsprinzip des Dreizugkessels trägt zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei. Die Heizgase strömen zunächst durch die Brennkammer, dann durch eine Rückströmzone wieder nach vorne und treten dann in einen dritten Zug. So wird die Verweilzeit der Verbrennungsgase in der heißesten Zone reduziert und die Stickoxid-Bildung (NOx) gesenkt.
Emissionen
Bei jedem Verbrennungsprozess, bei dem fossile Energieträger beteiligt sind, entstehen neben dem unvermeidbaren Kohlendioxid (CO2) auch die Schadstoffe Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxid (NOx). Den Stickoxiden kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Ihre Zunahme führt sowohl zu einer Verstärkung des giftigen Ozons, gilt aber auch für den sauren Regen als mitverantwortlich.
Heatpipe-Prinzip
Beim Heatpipe-Prinzip durchströmt das Solarmedium die Röhren nicht direkt. Stattdessen verdampft ein Trägermedium in der Heatpipe unter dem Absorber und gibt die Wärme an das Solarmedium ab. Die trockene Anbindung der Heatpipe-Röhren im Sammler, der geringe Flüssigkeitsinhalt im Kollektor und die automatische Temperaturabschaltung sorgen für eine besonders hohe Betriebssicherheit.
Grafik: Das von der Sonne erhitzte Wasser verdampft und wandert in den kälteren Teil der Röhre. Dort kondensiert der Dampf, gibt die Wärme an den Sammler ab, das Wasser wird dann in einem Kreislauf erneut erhitzt.
Heizgerät
Ein Heizgerät ist ein Wandgerät, das für den reinen Heizbetrieb vorgesehen ist. Diese Geräte können zusätzlich mit einem Speicher-Wassererwärmer für die Trinkwassererwärmung kombiniert werden.
Heizkennlinie
Eine witterungsgeführte Heizungsregelung sorgt dafür, dass die Vorlauftemperatur an den tatsächlichen Wärmebedarf angepasst wird (die Vorlauftemperatur ist die Temperatur des Wassers, das zum Heizkörper / zur Fußbodenheizung geführt wird).
Dazu wird die Außentemperatur gemessen und daraus in Abhängigkeit von gewünschter Raumtemperatur sowie den Gebäuderandbedingungen die Vorlauftemperatur ermittelt.
Die Beziehung zwischen Außen- und Vorlauftemperatur wird durch die Heizkennlinien beschrieben. Vereinfacht: je niedriger die Außentemperatur, desto höher die Kesselwasser- bzw. Vorlauftemperatur.
Heizwert (Hi)
Der Heizwert (Hi) bezeichnet die Wärmemenge, die bei einer vollständigen Verbrennung frei wird, wenn das dabei entstehende Wasser dampfförmig abgeführt. Die im Wasserdampf der Heizgase enthaltene Verdampfungswärme wird nicht genutzt.
Hybrid-Gerät
Ein Hybrid-Gerät ist ein Gerät, das aus mehreren Energieträgern gespeist wird. Solche Systeme sind zum Beispiel bivalente Wärmepumpen-Systeme. Hierunter versteht man Heizungsanlagen mit einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe in Kombination mit mindestens einem fossilen Wärmeerzeuger und einer übergeordneten Regelung.
Im laufenden Betrieb deckt die Wärmepumpe die Grundlast mit ihrem hohen Anteil an kostenloser Umgebungswärme ab. Dafür entzieht die Außeneinheit der Außenluft die Wärme und bringt sie durch den Verdichter auf eine Vorlauftemperatur von bis zu 55 °C.
Das Gas-Brennwertgerät schaltet immer nur dann zu, wenn es aus Sicht der voreingestellten Betriebsart sinnvoll ist, d. h. sich für den Anlagenbetreiber geringere Betriebskosten ergeben oder weniger CO2 emittiert wird oder der Warmwasserkomfort erhöht wird.
Inox-Radial-Wärmetauscher
Alle Brennwert-Wand- und -Kompaktgeräte von Viessmann werden heute mit dem Inox-Radial-Wärmetauscher aus Edelstahl ausgerüstet. Diese Technik steht für den hohen Wirkungsgrad von bis zu 98 Prozent und zeichnet sich durch lange Nutzungsdauer und einen sicheren und effizienten Betrieb aus.
Der Inox-Radial-Wärmetauscher kühlt die Abgase vor der Ableitung in den Schornstein so weit ab, dass der in ihnen enthaltene Wasserdampf gezielt kondensiert und die freigesetzte Wärme zusätzlich auf das Heizsystem übertragen wird. Dieses Funktionsprinzip spart nicht nur wertvolle Energie, sondern schont auch die Umwelt durch deutlich reduzierte CO2-Emissionen.
Jahresarbeitszahl (JAZ)
Die Leistungszahl COP (COP = Coefficient of Performance) ist bei Wärmepumpen das Verhältnis der Wärmeabgabe zur Leistungsaufnahme. Die Jahresarbeitszahl ist der Durchschnitt aller im Laufe eines Jahres auftretenden COP. Der COP dient zur Vergleichbarkeit von Wärmepumpen hinsichtlich der Effizienz – er gilt jedoch nur in einem bestimmten Betriebspunkt unter definierten Temperaturbedingungen.
Für die Planung einer Anlage muss deren Betrieb über das gesamte Jahr hinweg betrachtet werden. Dafür wird die über das Jahr abgegebene Wärmemenge ins Verhältnis gesetzt zu der in diesem Zeitraum von der gesamten Wärmepumpenanlage aufgenommenen elektrischen Arbeit (inkl. Stromanteile für Pumpen, Regelungen etc.). Das Ergebnis wird als Jahresarbeitszahl bezeichnet. Beispiel: Eine JAZ von 4,5 bedeutet, dass die Wärmepumpe im Jahresdurchschnitt eine Kilowattstunde elektrische Energie benötigt hat, um 4,5 Kilowattstunden Wärme zu erzeugen.
Kombigerät | Kombiwasserheizer
Ein Kombigerät ist ein Wandgerät, das sowohl für die Raumheizung als auch für die Trinkwassererwärmung eingesetzt wird. Die Trinkwassererwärmung erfolgt im Durchlauferhitzerprinzip.
Lambda Pro Control
Die Verbrennungsregelung Lambda Pro Control in den Gas-Brennwert-Wandgeräten gewährleistet auch bei wechselnder Gasqualität eine dauerhaft stabile und umweltschonende Verbrennung, gleich bleibend hohen Wirkungsgrad und hohe Betriebssicherheit.
Die Verbrennungsregelung Lambda Pro Control erkennt jede verwendete Gasart automatisch. Dadurch entfallen alle manuellen Einstell- und Einmessarbeiten bei der Inbetriebnahme. Darüber hinaus regelt Lambda Pro Control kontinuierlich das Gas-Luftgemisch, um eine dauerhaft schadstoffarme und effiziente Verbrennung auch bei schwankenden Gasqualitäten sicherzustellen. Die Messdaten dazu liefert die Ionisationselektrode unverfälscht direkt aus der Flamme.
Mikro-KWK
Die dezentrale Wärme- und Stromversorgung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Heizungshersteller bieten Lösungen an, die einen Beitrag dazu leisten können, die Volatilität des Stromangebots aus erneuerbaren Energien auszugleichen. Als Ersatz für Kernkraftwerke und konventionelle Großkraftwerke wurden Windparks und Photovoltaikanlagen in großer Zahl errichtet.
Weil sie aber fluktuierend und nicht planbar sind, sind steuerbare Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) wichtige Bausteine zum Gelingen der Energiewende. Diese Entwicklung folgt politischen Zielen, nach denen bis 2020 der Stromanteil aus KWK-Anlagen auf 25 Prozent steigen soll.
Dezentrale Stromerzeugung
Bei Engpässen in der volatilen Stromerzeugung können Mikro-KWK-Systeme einen wichtigen Beitrag zur Deckung des Bedarfs leisten. Weil dies dezentral geschieht und der Strom im Haus erzeugt wird, werden zudem die Stromnetze entlastet. Die eigene Stromerzeugung mittels Kraft-Wärme-Kopplung ersetzt den Strombezug aus dem öffentlichen Netz. In Kombination mit einem Stromspeicher kann besonders mit Mikro-KWK-Systemen eine autarke Stromversorgung erzielt werden.
Systemdarstellung Mikro-KWK-System
[1] Mikro-KWK
[2] Heizwasser-Pufferspeicher
[3] Stromspeicher
[4] Wechselrichter (Stromspeicher)
[5] Heizkreis
[6] Verbraucher
[7] Zähler
[8] Stromnetz im Haus
[9] Homemanager
[10] Öffentliches Netz
[11] Funk-Fernbedienung
natural cooling
Wärmepumpen sind in erster Linie dazu da, um für angenehmen Wärmekomfort und zuverlässige Trinkwassererwärmung zu sorgen. Aber Wärmepumpen können mehr: Sie können auch zur Kühlung eines Gebäudes eingesetzt werden. Während im Winter das Erdreich bzw. das Grundwasser als Energielieferant fürs Heizen dient, kann es im Sommer zur natürlichen Kühlung genutzt werden.
Bei der „natural cooling“-Funktion schaltet die Regelung der Wärmepumpe nur Primärpumpe und Heizkreispumpe ein. So kann das relativ warme Wasser aus der Fußbodenheizung im Wärmetauscher die Wärme an die Sole des Primärkreises abgeben. Den angeschlossenen Räumen wird so Wärme entzogen. Damit ist „natural cooling“ eine besonders energiesparende und kostengünstige Methode der Gebäudekühlung.
Norm-Nutzungsgrad
Um verschiedene Wärmeerzeuger hinsichtlich ihrer Energieausnutzung vergleichen zu können, hat man den Norm-Nutzungsgrad eingeführt. Als Maß für die Energieausnutzung eines Heizkessels gibt er an, bis zu welchem Prozentsatz die eingesetzte Energie über das gesamte Jahr in nutzbare Heizwärme umgesetzt wird.
Die Höhe des Norm-Nutzungsgrades wird maßgeblich beeinflusst durch die Höhe der im Betrieb entstehenden Abgasverluste sowie der Oberflächenverluste.
Oberflächenverluste
Oberflächenverluste sind die Anteile der Feuerungsleistung, die über die Oberfläche des Wärmeerzeugers an die umgebende Luft abgegeben werden und somit nicht als nutzbare Heizwärme zur Verfügung stehen.
Sie entstehen während der Brennerlaufzeit als Strahlungsverluste oder während der Brennerstillstandszeit als Betriebsbereitschaftsverluste, gerade während der Übergangsmonate oder auch im Sommer, wenn der Heizkessel lediglich zur Trinkwassererwärmung benötigt wird.
Die Oberflächenverluste sind in der Regel bei einem alten Heizkessel wesentlich höher als die Abgasverluste, die der Schornsteinfeger misst. Die Höhe der Oberflächenverluste ist somit ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit (Norm-Nutzungsgrad) des Wärmeerzeugers.
Raumluftabhängige Betriebsweise
Die Begriffe "raumluftabhängig" und "raumluftunabhängig" beschreiben, woher ein Wärmeerzeuger mit der für die Verbrennung notwendigen Luft versorgt wird.
Bei der raumluftabhängigen Betriebsweise entnimmt der Wärmeerzeuger die Verbrennungsluft aus dem Aufstellraum. Dafür muss der Raum selbstverständlich über ausreichende Zuluftmöglichkeiten verfügen. Hier sind mehrere Möglichkeiten denkbar. Häufig wird die Verbrennungsluftversorgung über Öffnungen in der Außenwand oder Außenfugen gesichert. Für die Aufstellung im Wohnbereich bietet sich der sog. "Raumluftverbund" an, bei dem über die luftseitige Verbindung mehrerer Räume (Türschlitze) ausreichende Fugenlüftung sichergestellt wird.
Raumluftunabhängige Betriebsweise
Bei der raumluftunabhängigen Betriebsweise wird die notwendige Verbrennungsluft durch eine Zuluftleitung von Außen zugeführt. Hier sind im wesentlichen drei Lösungen zu nennen:
1. Luftzufuhr durch senkrechte Dachdurchführung
2. Luftzufuhr über einen Außenwandanschluß
3. Luftzufuhr über einen LAS Schornstein
Die Vorteile der raumluftunabhängigen Betriebsweise liegen darin, dass sie für Gas-Wandgeräte noch flexiblere Aufstellungsmöglichkeiten als die raumluftabhängige Betriebsweise bietet. Ob in Wohn- oder Aufenthaltsräumen oder in Nischen, Schränken und Dachräumen, überall kann das Gerät montiert werden.
Die Unabhängigkeit von der Raumluft verringert zudem Verluste, da nicht die erwärmte Luft des Raumes für die Verbrennung genutzt wird. So können raumluftunabhängige Geräte innerhalb der thermischen Hülle des Gebäudes aufgestellt werden.
Solare Trinkwassererwärmung
Herzstück dieser Lösung ist der bivalente Warmwasserspeicher. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung heizt das in der Solaranlage befindliche Solarmedium über den unteren Wärmetauscher das Wasser im Speicher-Wassererwärmer auf. Sinkt die Temperatur durch Wasserentnahme, etwa beim Baden oder Duschen, schaltet sich bei Bedarf der Heizkessel zur zusätzlichen Erwärmung über den zweiten Kreislauf ein.
Solare Heizungsunterstützung
Das in den Sonnenkollektoren erhitzte Solarmedium kann außer zur Trinkwassererwärmung auch für die zusätzliche Erwärmung des Heizungswassers verwendet werden. Dafür nutzt der Heizkreislauf über einen Wärmetauscher das kontinuierlich durch die Sonnenkollektoren erhitzte Wasser im Solarspeicher. Die Regelung prüft, ob die gewünschte Raumtemperatur erreicht werden kann. Liegt dieTemperatur unterhalb des Sollwertes, schaltet sich zusätzlich der Heizkessel ein.
ThermProtect
Ein Solarkollektor erzeugt immer dann Wärme, wenn Sonnenlicht auf den Absorber trifft – auch, wenn diese Wärme nicht benötigt wird. Das kann zum Beispiel im Sommer der Fall sein, wenn die Hausbewohner im Urlaub sind. Ist die Wärmeabnahme durch den Speicher-Wassererwärmer oder Heizwasser-Pufferspeicher nicht mehr möglich, weil dieser bereits vollständig geladen ist, schaltet sich die Umwälzpumpe ab und die Solaranlage geht in Stagnation.
Bei weiterer Sonneneinstrahlung führt dies zu steigenden Kollektortemperaturen bis hin zur Verdampfung des Wärmeträgermediums und hoher thermischer Belastung von Anlagenkomponenten wie Dichtungen, Pumpen, Ventilen und des Wärmeträgermediums. In Anlagen mit Temperaturabschaltung ThermProtect wird Dampfbildung zuverlässig vermieden.
Flachkollektor mit schaltender Absorberschicht
Erstmals wurde ein Flachkollektor entwickelt und patentiert, der bei Erreichen einer bestimmten Temperatur die weitere Energieaufnahme unterbindet. Die Absorberbeschichtung basiert auf dem Prinzip „schaltender Schichten“. Sie verändert abhängig von der Kollektortemperatur ihre Kristallstruktur und damit ihre Leistung. Die Stillstandstemperatur vermindert sich. Oberhalb einer Absorbertemperatur von ca. 75 °C ändert sich die Kristallstruktur, wodurch sich die Wärmeabstrahlung um ein Vielfaches erhöht. Dadurch reduziert sich bei steigender Kollektortemperatur die Kollektorleistung, die Stagnationstemperatur ist deutlich geringer, eine Dampfbildung findet nicht statt.
Sinkt die Temperatur im Kollektor, geht die Kristallstruktur wieder in den ursprünglichen Zustand zurück. Dann werden mehr als 95 Prozent der eintreffenden Sonnenenergie absorbiert und in Wärme umgewandelt, nur ein Anteil geringer 5 Prozent wird wieder abgestrahlt. Damit ist der Ertrag des neuen Kollektors höher als bei herkömmlichen Flachkollektoren, da er nicht in Stagnation geht und jederzeit wieder Wärme liefern kann. Der Wechsel der Kristallstruktur ist unbegrenzt reversibel und die Funktion ist dauerhaft verfügbar.