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Definition: ein Heizkessel mit besonders hohem Wirkungsgrad durch Kondensation des Wasserdampfs im Abgas
Die meisten Brennstoffe enthalten Wasserstoff oder Wasser, so dass bei der Verbrennung ein Abgas entsteht, welches Wasser (H2O) enthält. Die meisten Heizkessel führen dieses Wasser in gasförmiger Form (als Wasserdampf) ab. Dann liegt der erreichbare Wirkungsgrad stets unter dem (unteren) Heizwert des Brennstoffs. Das Abgas transportiert also allein schon dadurch Energie aus dem Heizkessel, dass es das Wasser in gasförmiger Form abführt.
Abbildung 1: Eine Gas-Therme, die einen mit Erdgas befeuerten Brennwertkessel enthält und der Beheizung und Warmwasserversorgung eines Einfamilienhauses dient. Das Rohr zum Kamin (oben) enthält ein dünneres Abgasrohr. Zwischen diesem und dem dickeren Außenrohr wird die Verbrennungsluft angesaugt (→ Luft-Abgas-System, siehe unten).
Ein Brennwertkessel (meist als kompakte Brennwerttherme ausgeführt, siehe Abbildung 1) kann einen höheren Wirkungsgrad erzielen, indem er die Abgastemperatur so stark absenkt (z. B. auf 40 °C), dass ein Großteil des Wasserdampfs im Kessel kondensiert. (Man spricht auch von Kondensationskesseln.) Das Kondenswasser (Kondensat) wird als Abwasser abgeführt – wenn nötig, über eine kleine Pumpe. Die Folge der Kondensation ist, dass zusätzlich zum Heizwert die Kondensationswärme (latente Wärme) nutzbar wird. Der Wirkungsgrad kann dann zumindest bei Volllast oberhalb von 100 % bezogen auf den Heizwert liegen, weil fast der ganze Brennwert genutzt wird.
Da das Kondensat häufig sauer und relativ korrosiv ist, müssen Brennwertkessel innen mit korrosionsbeständigen Materialien wie Edelstahl oder Keramik verkleidet sein.
Manche Brennwertkessel enthalten einen zusätzlichen Wärmetauscher (z. B. in Form eines LAS-Rohrs), mit dem Frischluft vorgewärmt und das Abgas noch weiter abgekühlt wird. Mit dieser Vollbrennwerttechnik sind hohe Grade der Kondensation und somit sehr hohe Wirkungsgrade selbst dann möglich, wenn die Vorlauf- und Rücklauftemperatur der Heizungsanlage nicht besonders niedrig sind. Ohne diese Technik kann es sein, dass die Kondensation nur sehr unvollständig erfolgt, wenn die Rücklauftemperatur zu hoch wird, was bei Zentralheizungen mit Heizkörpern (Radiatoren) eher geschieht als mit Fußbodenheizung oder anderen Flächenheizungen.
Das Brennwert-Prinzip kann auch mit einem herkömmlichen Heizkessel in Verbindung mit einem zusätzlichen Abgas-Wärmetauscher realisiert werden.
Brennwert-Heizkessel erreichen regelmäßig Wirkungsgrade und Jahresnutzungsgrade, die die Werte älterer Typen von Heizkesseln übertreffen, und werden selbst von keiner anderen Heizkesseltechnologie übertroffen. Jedoch nutzen auch sie die im Brennstoff erhaltene Exergie nur sehr unvollständig. Deswegen erlauben Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung eine deutlich höhere Systemeffizienz, selbst wenn der Gesamtwirkungsgrad der Anlage etwas niedriger ist. Da jedoch die Kraft-Wärme-Kopplung für kleine Leistungen (etwa für Einfamilienhäuser) kaum sinnvoll realisierbar ist, ist ein Brennwertkessel häufig die effizienteste der praktikablen Optionen.
Besonders häufig werden Gas-Brennwertkessel eingesetzt, die mit Erdgas betrieben werden. Hier liegt der Brennwert um ca. 10 % höher als der Heizwert. Der auf den Heizwert bezogene Wirkungsgrad kann bei Volllast ca. 110 % erreichen. Wegen der sehr kompakten Bauart dieser Kessel (mit integriertem meist modulierendem Gasbrenner) sind die Bereitstellungsverluste recht gering, so dass auch der Jahresnutzungsgrad wesentlich höher liegen kann als bei älteren Gaskesseln oder Ölkesseln. Auch die Bereitstellung von Warmwasser über einen separaten oder im Gehäuse integrierten Warmwasserspeicher ist meist relativ effizient.
Das entstehende Kondensatwasser ist nur leicht sauer und kann häufig ohne weitere Behandlung als Abwasser abgeführt werden. Wenn der Ablauf höher liegt als der Kessel, wird eine kleine Kondensatpumpe benötigt.
Wegen ihrer besonders kompakten Bauart sind Gas-Brennwertthermen auch als in Wohnungen untergebrachte Etagenheizungen gut realisierbar. In manchen Fällen erübrigt sich sogar die Erstellung eines gewöhnlichen Schornsteins, wenn das (nur noch lauwarme) Abgas auf andere verträgliche Weise ins Freie gelangen kann.
Auch für den Betrieb mit Heizöl sind Brennwertkessel (in der Regel mit integriertem Ölbrenner) erhältlich. Die Wärmetauscherflächen im Kessel müssen gegen das saure Kondensat (aufgrund des Schwefelgehalts des Heizöls) beständig sein. Der Gewinn an Kondensationswärme ist etwas geringer als bei Gas-Brennwertkesseln, da der Brennwert nur um ca. 7 % höher liegt als der Heizwert. Wiederum dürfte aber der erreichte Jahresnutzungsgrad wesentlich höher liegen als bei konventionellen Ölkesseln.
Das saure Kondensatwasser muss in der Regel neutralisiert werden, bevor es in die Kanalisation eingeleitet werden kann, außer wenn der Kessel mit besonders schwefelarmem Heizöl betrieben wird. Der notwendige regelmäßige Ersatz des Neutralisationsmittels (meist einem Granulat) zusammen mit der sonstigen Wartung erhöht die Wartungskosten geringfügig.
Seit relativ kurzer Zeit sind auch Brennwertkessel für die Verbrennung von Holzpellets erhältlich.
Eine oft sehr vorteilhafte Konfiguration erlaubt den außenluftunabhängigen Betrieb eines Brennwertkessels. Hier wird die Verbrennungsluft nicht dem Aufstellungsraum entnommen, sondern beispielsweise durch das Kamin am darin stehenden Abgasrohr vorbei angesogen. Zunächst einmal entfällt hierdurch die Notwendigkeit, einen Lufteinlass zum Heizkeller anzubringen, durch den häufig sehr viel Wärme verloren geht.
Der zweite Vorteil ist, dass die Frischluft durch die Wandung des Abgasrohrs Wärme vom Abgas aufnimmt. Der Brenner arbeitet dann also mit vorgewärmter Luft, während das Abgas entsprechender kälter in die Außenluft abgegeben wird. Dies kann den Wirkungsgrad der Anlage um mehrere Prozentpunkte erhöhen – insbesondere in Fällen, in denen die Rücklauftemperatur der Heizungsanlage nicht allzu tief liegt. Dann mag das Abgas zwar immer noch mit z. B. 60 °C vom Kessel in das Abgasrohr gelangen, aber dort wird ihm dann noch weitere Wärme entzogen.
Anstelle eines Rohrs im Kamin kann auch ein spezielles LAS-Rohr (Luft-Abgas-System) z. B. aus Edelstahl verwendet werden. Hier strömt das Abgas durch ein Innenrohr und die Frischluft in der Gegenrichtung zwischen dem Innenrohr und einem Außenrohr.
Siehe auch: Heizkessel, Wirkungsgrad, Brennwert, latente Wärme