© Dr. Rüdiger Paschotta

Heizkessel

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Definition: eine Anlage zur Gewinnung von Wärme durch Verbrennen von Stoffen

Ein Heizkessel ist die Anlage, in der ein Brennstoff verbrannt werden kann mit dem Zweck, nutzbare Wärme zu gewinnen. Es findet also eine Umwandlung chemischer Energie in Wärme statt. Typische Anwendungen sind die Beheizung von Räumen, die Bereitung von Warmwasser und die Erzeugung von Prozesswärme, z. B. für Trocknungsprozesse.

Aufbau

Zu einem Heizkessel gehört meist

• ein Hohlraum mit Wänden z. B. aus Gusseisen, Edelstahl oder Keramik
• ein Rost für die Verbrennung fester Stoffe (Holz, Kohle, Stroh) oder ein mit flüssigen oder gasförmigen Stoffen betriebener Brenner (der oft nicht als Teil des Heizkessels betrachtet wird)
• wasserführende Rohre zur Abführung der Nutzwärme, als Wärmetauscher verwendet
• ein Abgasrohr für die Abführung der Abgase, z. B. zu einem Schornstein (Kamin)
• eine Wärmedämmung zur Verminderung von Wärmeverlusten in die Umgebung

Hinzu können Regeleinrichtungen gehören, die die Leistung des Heizkessels dem Bedarf anpassen oder den Brenner ein- und ausschalten können. In manchen Fällen wird auch die Verbrennungsluftmenge automatisch geregelt, basierend auf der Messung des Restsauerstoffgehalts im Abgas mit einer Lambda-Sonde. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines modulierenden Brenners sinnvoll.

Häufig kann der Brenner separat erworben werden, da sie verschiedene Brenner mit verschiedenen Heizkesseln kombinieren lassen. Durch Austausch des Brenners lässt sich z. B. eine Ölheizung auf den Betrieb mit Erdgas umrüsten. Große Kessel enthalten häufig auch mehr als einen Brenner und lassen sich je nach Brennstoffpreisen abwechselnd mit Erdgas oder Heizöl betreiben.

Niedertemperaturheizkessel können auch mit niedrigen Temperaturen betrieben werden; dies ist längst Standard. Stand der Technik für die Verwendung von Erdgas und Heizöl sind Brennwertkessel, die nicht nur mit einer niedrigen Temperatur arbeiten, sondern auch die Kondensationswärme des Brennstoffs nutzen können.

Heizkessel für Erdgas können sehr kompakt gebaut werden. Für Einfamilienhäuser oder Etagenheizungen genügt eine kleine Gastherme (siehe Abbildung 2), die neben dem Heizkessel auch eine Heizungs-Umwälzpumpe und andere Komponenten enthält.

Brennstoffe

Heizkessel werden mit den unterschiedlichsten Brennstoffen betrieben:

• Festbrennstoff-Kessel sind geeignet für feste Brennstoffe wie Kohle (etwa in Form von Briketts) oder Holz (Scheite oder Holzpellets). Die Verbrennungsluft wird kontrolliert über einen Ventilator zugeführt oder selbsttätig (oft schlecht geregelt) über den Kaminzug (Naturzugkessel).
• Andere Kessel arbeiten mit einem Brenner für flüssige oder gasförmige Brennstoffe wie Heizöl (schwer oder extraleicht), Erdgas oder Flüssiggas. Der Brenner enthält meist ein Gebläse für die Verbrennungsluft und ggf. eine Vorrichtung zur feinen Zerstäubung des Brennstoffs.

Es gibt Heizkessel, die mit unterschiedlichen Brennstoffen (z. B. Kohle oder Holz) betrieben werden können. In der Regel erreichen jedoch speziell für einen Brennstoff optimierte Kessel eine bessere Effizienz und u. U. auch günstigere Schadstoffwerte im Abgas.

Energieeffizienz

Die Energieeffizienz eines Heizkessels kann in Form eines Wirkungsgrads beziffert werden. Hier sind jedoch unterschiedliche Angaben möglich:

• Der Wirkungsgrad wird meist auf den Heizwert des Brennstoffs bezogen. Ein etwas niedrigerer Wert ergibt sich mit Bezug auf den Brennwert.
• Häufig werden nur Volllast-Wirkungsgrade angegeben, während im Teillastbetrieb (mit geringer Auslastung, häufig auch Takten, d. h. An- und Abschalten des Brenners) erheblich geringe Werte gelten. Eine nützlichere Angabe ist die des Jahresnutzungsgrads, welcher allerdings stark von den konkreten Bedingungen abhängen kann. Beispielsweise ergibt sich häufig ein wesentlich niedrigerer Jahresnutzungsgrad, wenn ein Heizkessel auch im Sommer für die Bereitung von Warmwasser verwendet wird. (Dies gilt besonders für alte Heizkessel, weniger für moderne Gas-Brennwertkessel.)

Der Jahresnutzungsgrad eines Heizkessels hängt von mehreren Faktoren ab:

• Der Volllast-Wirkungsgrad hängt hauptsächlich von den Abgasverlusten (den Wärmeverlusten über das Abgas) ab. Diese ergeben sich im Wesentlichen aus der Abgastemperatur (die möglichst niedrig sein sollte), aus dem Anteil des kondensierten Wasserdampfs (bei Brennwertkesseln) sowie aus dem Luftüberschuss. Die Abgastemperatur hängt ab von der Größe und Sauberkeit des Wärmetauschers (ggf. beeinträchtigt durch Verrußung) sowie von der Brennerleistung. Überschüssige Verbrennungsluft führt zu einer erhöhten Abgasmenge und damit zu höheren Abgasverlusten. Die Luftmenge sollte also möglichst knapp eingestellt werden, aber doch hoch genug, um eine unvollständige Verbrennung zu vermeiden, die z. B. zur Bildung von Ruß und giftigem Kohlenmonoxid führen könnte.
• Der Jahresnutzungsgrad kann auch bei gutem Volllast-Wirkungsgrad bescheiden ausfallen, wenn die Bereitschaftsverluste des Kessels hoch sind. Dies ist häufig der Fall, da insbesondere die Abgasleitung viel Wärme verlieren kann, selbst wenn ein Kessel sonst gut wärmegedämmt ist. Geringe Bereitschaftsverluste werden erzielt über gute Wärmedämmung, ggf. eine automatisch schließende Abgasklappe, eine möglichst niedrige Betriebstemperatur, das Abschalten des Kessels in Zeiten ohne Bedarf (z. B. im Sommer mit nur gelegentlicher Brauchwassererwärmung), sowie mit einem kompakten Aufbau.

Häufig bringt der Ersatz eines älteren (z. B. 15 Jahre alten) Heizkessels durch einen neuen Brennwertkessel erhebliche Reduktionen des Brennstoffverbrauchs. In vielen Fällen ist diese Reduktion auch erheblich stärker, als allein aufgrund des höheren Volllast-Wirkungsgrads zu erwarten wäre, weil vor allem Bereitschaftsverluste reduziert werden.

Selbst bei hohem Wirkungsgrad bzw. Nutzungsgrad ist ein Heizkessel nicht unbedingt als eine Anlage zur effizienten Nutzung von Energie anzusehen. Dies liegt daran, dass Heizkessel nur Niedertemperaturwärme erzeugen, während mit Kraft-Wärme-Kopplung immerhin ein Teil der Energie als hochwertige elektrische Energie gewonnen werden könnte. Anders ausgedrückt mag ein Heizkessel zwar einen großen Teil der Energie des Brennstoffs nutzen, aber nur einen kleinen Teil der Exergie.

Ökologische Aspekte

Der Betrieb von Heizkesseln kann die Umwelt auf verschiedene Weisen belasten:

• Die Verbrennung erzeugt fast immer wesentliche Mengen von klimaschädlichem Kohlendioxid (CO₂). Allerdings werden ähnliche Mengen von CO₂ bei der Erzeugung von nachwachsenden Brennstoffen wie Holz oder Biogas aufgenommen, so dass mit solchen Brennstoffen betriebene Anlagen als weitgehend CO₂-frei gelten können.
• Zusätzlich können giftige Luftschadstoffe wie Stickoxide (NO_x), Kohlenmonoxid (CO) und Ruß (Feinstaub) entstehen. Bei modernen Öl- und vor allem Gasbrennern sind solche Effekte ziemlich gering (auch ohne besondere Nachbehandlung der Abgase), während Kohle- und Holzkessel u. U. zu erheblichen Schadstoffbelastungen führen.
• Selten und meist geringfügig sind andere Belastungen, etwa durch lokale Geräuschbelästigung oder säurebelastete Abwässer von Brennwertkesseln.
• Die Herstellung und Anlieferung von Brennstoffen kann die ökologische Bilanz zusätzlich belasten, etwa durch den dafür benötigten Energieumsatz. Allerdings dominiert in aller Regel klar die Abgasbelastung am Ort des Kessels.

Siehe auch: Niedertemperaturheizkessel, Brennwertkessel, Brenner, modulierender Brenner, Wärme, Brennstoff, Wirkungsgrad, Heizwert, Spitzenlastkessel

Kategorien: Grundbegriffe, Wärme

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