Wie funktioniert ein Brennwertkessel?

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In meinem heutigen Beitrag möchte ich euch die Funktion eines Brennwertkessels und damit auch die Brennwerttechnik erklären. Die Brennwerttechnologie wird für die Erzeugung von Wärme bei Heißwasserheizungen eingesetzt und ist ein sehr effizientes Verfahren, um den Wirkungsgrad eines Brennstoffes wie Erdgas oder Heizöl zu erhöhen.

Was ist der Brennwert?

Der Brennwert eines Stoffes gibt die Wärmemenge an, die bei der Verbrennung eines brennbaren Stoffes freigesetzt wird. Dabei wird die Abkühlung der Verbrennungsgase ebenfalls berücksichtigt.

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Warum ist das so wichtig? Ein brennbarer Stoff reagiert bei der Verbrennung unter Flammenbildung mit Sauerstoff. Da in den meisten Wärmeerzeugungsanlagen Kohlenwasserstoffe (Erdöl, Kohle, Erdgas) als Brennstoffe verwendet werden, entstehen beim Verbrennen der Kohlenwasserstoffe Abgase, welche neben Kohlenstoffdioxid CO_2 und Stickstoff auch Wasserdampf H_2O enthalten.

Der Wasserdampf in den Abgasen bindet Wärme und setzt diese beim Abkühlen des Wasserdampfs durch Kondensation wieder frei. Nach dem Energieerhaltungssatz E_{Vor} = E_{Nach} wird beim Kondensieren des Wasserdampfs genauso viel Energie freigesetzt, wie man für den Verdampfungsvorgang benötigt hätte. Man nennt diese latente (verborgene) Energie auch Kondensationswärme.

Die moderne Brennwerttechnik macht diese Kondensationswärme nutzbar und erhöht somit den Wirkungsgrad des Brennstoffes. Dieser Vorgang wird Brennwerteffekt genannt.

Dabei gilt: Je höher der Wasserstoffanteil im Brennstoff ist, desto höher ist der durch den Brennwerteffekt erzielte Wirkungsgrad. Der zusätzliche Nutzen durch den Brennwerteffekt, welcher der Energieeinsparung entspricht, ist folgender:

  • Wasserstoff: ca. 18 %
  • Erdgas: ca. 11 %
  • Heizöl (leicht): ca. 6 %
  • Kohle (theoretisch): 2 – 3 %

Nachfolgend habe ich euch eine kleine Liste von verschiedenen Brennstoffen mit den jeweiligen Brennwerten zusammengestellt:

  • Erdgas: 10,83 kWh/kg
  • Heizöl, schwer: 11,86 kWh/kg
  • Heizöl, leicht: 9,5 kWh/l
  • Steinkohle:  6,9 – 7,0 kWh/kg
  • Braunkohle:  5,1 – 5,5 kWh/kg

Weitere Brennwertangaben zu verschiedenen Stoffen findet Ihr hier: Heizung-Direkt – Brennwerttabelle

Funktion der Brennwerttechnik

Um den Brennwerteffekt nutzen zu können, haben sich zwei gängige Systeme herauskristallisiert. Zum einen gibt es das Last- und Rücklauftemperaturunabhängige System (Vollbrennwerttechnik) und zum anderen das Last- und Rücklauftemperaturabhängige System (Niedrigtemperatur-Brennwerttechnik).

Im Folgenden möchte ich euch die Brennwerttechnik anhand der Vollbrennwerttechnik erklären (siehe Abbildung 1). Im ersten Schritt wird dem Kessel über das Luft-Abgas-System frische Luft für den Verbrennungsvorgang zugeleitet. Diese Luft wird bereits im Heizkessel durch die heißen Abgase am zweiten Wärmetauscher erwärmt, sodass die Energie im System nicht verloren geht.

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Durch die Verbrennung von Gas entsteht Wärme, welche mit Hilfe des ersten Wärmetauschers an das Heizsystem übertragen wird. Das erwärmte Heizwasser wird anschließend mit Hilfe der Heizungspumpe in das Heizungssystem gepumpt.

Funktion Brennwertkessel

Abbildung 1: Funktion Brennwertkessel

Die Abgase werden durch das kältere Heizwasser im Rücklauf sowie der, im ersten Schritt beschriebenen, zum Verbrennungsvorgang benötigten kalten Luft abgekühlt. Daraufhin kondensiert der Wasserdampf in den Abgasen und gibt die freigesetzte latente Kondensationsenergie an den 2. Wärmetauscher ab. Diese Energie wird an das Heizwasser im Rücklauf abgegeben, sodass zur anschließenden Erwärmung des Heizwassers weniger Energie benötigt wird.

Das Kondensat der Abgase fließt in eine Neutralisationsbox und wird anschließend der Kanalisation zugeführt. Die restlichen Abgase werden von einem Abgasventilator über das Luft-Abgas-System abgeführt und geben, ähnlich wie bei einem Wärmetauscher, weitere Wärme an die Zuluft für den Verbrennungsvorgang ab.

Bei Niedrigtemperatur-Brennwertgeräten wird der Brennwerteffekt durch vergleichsweise niedrige Systemtemperaturen oder der Reduzierung der Rücklauftemperatur erreicht. Die Abgase werden dann aufgrund der niedrigen Rücklauftemperaturen abgekühlt und kondensieren. Die Frischluft für den Verbrennungsvorgang wird hier nicht für den Brennwerteffekt nutzbar gemacht. Man nennt dieses System daher „Last- und Rücklauftemperaturabhängig“. Die Rücklauftemperaturen sind in diesen Fällen meist unter 30°C und für Niedrigtemperatursysteme wie Fußbodenheizungen sehr interessant.

Voraussetzung für die Brennwerttechnik

Um den Brennwerteffekt nutzen zu können, ist es notwendig, dass die Abgase kondensieren. Dies geschieht jedoch nur, wenn diese ihre jeweilige Taupunkttemperatur unterschreiten. Der Taupunkt des Wasserdampfes in einem Abgas hängt dabei von der Zusammensetzung des Brennstoffes ab.

Die Abgas-Taupunkttemperatur von Heizöl liegt bei ca. 47 ^{\circ}C und von Erdgas bei ca. 57 ^{\circ}C. Das bedeutet, dass die Abgastemperatur im Heizsystem mindestens diese Taupunkttemperatur unterschreiten muss, damit der Wasserdampf in den Abgasen kondensieren kann und ein Brennwerteffekt zu verzeichnen ist.

Ein Hydraulischer Abgleich kann den Brennwerteffekt positiv beeinflussen und für niedrigere Systemtemperaturen sorgen.

Fazit

Die Brennwerttechnik ermöglicht es, zusätzliche Energie aus den Abgasen zu nutzen. Dieser zusätzliche Nutzen von ca. 11 % bei Erdgas und ca. 6 % bei Heizöl ist gleichzeitig die Energieeinsparung, die durch die Brennwerttechnologie möglich ist.

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Ich hoffe ich konnte euch in diesem kleinen Beitrag die Funktion eines Brennwertkessels näher bringen. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zum Brennwertkessel habt, nutzt die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Wikipedia – Stickstoff
Wikipedia – Kohlenwasserstoffe
Wikipedia – Verbrennung (Chemie)
Wikipedia – Brennwertkessel
Seilnacht Lexikon – Kohlenwasserstoffe
Kermut.ch – Neutralisationsbox für Kondensat
Asue – Brennwerttechnik – aktueller Stand
Junkers – Video zum Brennwerteffekt
Tabelle mit Brennwerten


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8 Kommentare/Fügen deinen eigenen Kommentar hinzu

  1. Jens Skutnik / Antworten ¬

    Mit einem Brennwertkessel spart man nicht nur Energie, verschiedene Institutionen schießen auch noch Geld dazu: Zahlreiche Fördertöpfe bieten Zuschüsse oder andere Fördermittel für den Umstieg an.

  2. Armin / Antworten ¬

    Ist die Einsparung durch Brennwert in den Übergangsmonaten (geringere Vorlauftemperaturen) höher als in den Monaten Dezember / Januar?

    Was ist außer einer niedrigen Abgastemperatur noch für eine Optimierung zu beachten?

    Erzielt eine extrem knapp bemessene Brennwertheizung schlechtere Werte (hohe Belastung des Brenners)?

    1. Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Armin,

      die Rücklauftemperatur im Heizsystem muss mindestens die Abgas-Taupunkttemperatur unterschreiten, damit der Wasserdampf in den Abgasen kondensieren kann. Wenn die Systemtemperatur beispielsweise 75/55 (Brennstoff: Erdgas, Abgas-Taupunkttemperatur: ca.:57 °C) ist, kann man davon ausgehen, dass im optimalen Fall ganzjährig der Brennwerteffekt genutzt werden kann. Bei nicht optimierten Systemen (z. Bsp. fehlender hydraulischer Abgleich), wird die gewünschte Rücklauftemperatur nicht immer erreicht und eine Einsparung durch den Brennwerteffekt kann in den Übergangsmonaten deutlich höher sein als in der kalten Jahreszeit.

      Liebe Grüße! Martin

  3. Dieter Kraneis / Antworten ¬

    Hallo Martin,
    ein sehr informativer Blog!
    Meine Fragen:
    Welche Funktion hat die Neutralisationsbox und wie funktioniert diese.
    Wie viel Strom benötigt der Abgasventilator und wie geht dieser in die Energiebilanz ein.
    Viele Grüße Dieter

    1. Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Dieter,

      vielen Dank für deinen Kommentar. Der PH-Wert vom Kondensat aus Brennwertkesseln liegt zwischen 1,8 und 3,8 für Öl und zwischen 3,8 und 5,3 für Gas. Somit ist der PH-Wert des Kondensats sauer und wird zum Schutz der öffentlichen Abwasseranlagen neutralisiert. Dabei gelten jedoch immer die örtlichen Bestimmungen der kommunalen Abwasserbehörden. Einen tollen Beitrag zu diesem Thema findest du in dem diesem Sonderdruck der Firma Buderus.

      Der Abgasventilator ist meist in den Brennwertkesseln integriert, da aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen der Kamineffekt zu schwach wäre, um die Abgase allein durch den Schornstein abzuführen. Die Leistungsaufnahme der Ventilatoren ist dabei nicht immer in den Produktdatenblättern zu finden. Wenn du ein Beispielkessel hast, würde ich den Support der Herstellerfirma daraufhin ansprechen.

      Liebe Grüße! Martin

  4. Yvonne / Antworten ¬

    Hallo Martin,

    vielen Dank für den tollen Blog! Wirklich gut erklärt!
    Trotzdem eine Frage:
    Ich würde gern den Unterschied und die Einsatzmöglichkeit von Niedrigtemperatur-Brennwertkesseln und Voll-Brennwertkesseln wissen. Ich hoffe du kannst mir vielleicht weiterhelfen.

    Vielen Dank schon mal!
    Liebe Grüße, Yvonne

    1. Martin Schlobach / Antworten ¬

      Hallo Yvonne,

      vielen Dank für deine Frage. Ich habe den Beitrag etwas angepasst und versucht deine Frage darin ebenfalls noch einmal etwas detaillierter zu beantworten.

      Wie in dem Beitrag erklärt, muss für den Brennwerteffekt der in den Abgasen enthaltene Wasserdampf kondensieren. Bei Niedrigtemperatur-Brennwertgeräten wird dies durch vergleichsweise niedrige Systemtemperaturen oder der Reduzierung der Rücklauftemperatur erreicht. Man nennt diese Funktion auch „Last- und Rücklauftemperaturabhängig“, Die Rücklauftemperaturen liegen hier meist unter 30°C.

      Bei einem Vollbrennwertsystem ist dies nicht der Fall, da hier die Abgase über mehrere Wärmetauscher abgekühlt werden. Die dem Kessel über das Luft-Abgas-System zugeführte Frischluft kühlt auf ihrem Weg zum Brenner ebenfalls die Abgase über einen Wärmetauscher, sodass diese kondensieren können. Gleichzeitig wird die Frischluft erwärmt, sodass die Energie aus den Abgasen dem System erhalten bleibt. Ein Vollbrennwertsystem ist somit unabhängig von der Rücklauftemperatur und kann auch mit vergleichsweise hohen Systemtemperaturen betrieben werden.

      Ich hoffe ich konnte dir damit etwas weiterhelfen.
      Liebe Grüße! Martin

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