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Heizkessel

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

Englisch: boiler

Kategorien: Grundbegriffe, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 09.03.2010; letzte Änderung: 22.04.2016

Ein Heizkessel ist eine 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

Hinzu können Regeleinrichtungen gehören, die die Leistung des Heizkessels dem Bedarf anpassen oder den Brenner ein- und ausschalten können. In manchen Fällen wird auch das Verbrennungsluftverhältnis automatisch geregelt, basierend auf der Messung des Restsauerstoffgehalts im Abgas mit einer Lambdasonde. 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 Heizwassertemperaturen betrieben werden, anders als sehr alte Konstanttemperaturheizkessel z. B. aus Gusseisen. 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.

Öl-Heizkessel

Abbildung 1: Ein älterer Öl-Heizkessel eines Mehrfamilienhauses (hellroter Kasten) mit einer Heizleistung von 350 kW. Im Kasten davor ist der Ölbrenner untergebracht, darüber das schwarze Regelgerät für die Kesseltemperatur. Hinter dem Kessel sieht man die wärmegedämmten Heißwasserleitungen und eine Heizungs-Umwälzpumpe, und dahinter verläuft ein dickes Abgasrohr zum Schornsteinanschluss.

Gas-Therme

Abbildung 2: Eine Gas-Therme, die einen mit Erdgas befeuerten Brennwertkessel enthält und der Beheizung und Warmwasserversorgung eines Einfamilien­hauses dient.

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:

Es gibt Kombiheizkessel oder Wechselbrandkessel, 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

Wirkungsgrad und Jahresnutzungsgrad

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

  • Der Wirkungsgrad wird meist auf den Heizwert des Brennstoffs bezogen. Ein etwas niedrigerer Wert ergäbe sich mit Bezug auf den Brennwert, aber diese Angabe ist nicht üblich.

Relevant ist am Ende der Jahresnutzungsgrad und nicht etwa der Volllast-Wirkungsgrad eines Heizkessels!

  • 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, kaum 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 (d. h. dem Verbrennungsluftverhältnis). Die Abgastemperatur hängt ab von der Größe und Sauberkeit des Wärmeübertragers (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 bei älteren Kesseln häufig der Fall, da insbesondere über den Schornstein oder die Abgasleitung viel Wärme verloren wird, 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.
  • Der Kesselwirkungsgrad nimmt ab, wenn im Kessel Ruß-Ablagerungen entstehen.

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 auch die Bereitschaftsverluste reduziert werden.

Exergie-Betrachtung; Vergleich mit Kraft-Wärme-Kopplung und Absorptionswärmepumpen

Selbst die effizientesten Heizkessel sind wahre Exergievernichter. Sowohl die Kraft-Wärme-Kopplung als auch die Verwendung von Absorptionswärmepumpen kann die Effizienz erheblich verbessern.

Selbst bei hohem Wirkungsgrad bzw. Nutzungsgrad ist ein Heizkessel nicht unbedingt als eine Anlage zur effizienten Nutzung von Energie anzusehen. Dies liegt daran, dass er nur Niedertemperaturwärme erzeugt. Selbst die Energie des Brennstoffs vollständig als nutzbare Wärme gewonnen wird, nutzt man damit nur einen kleinen Teil der Exergie.

Effizientere Nutzungen unter Berücksichtigung der Exergie sind möglich:

  • Mit Kraft-Wärme-Kopplung kann immerhin ein Teil der Energie als hochwertige elektrische Energie gewonnen werden. Die könnte z. B. genutzt werden, um mit Hilfe einer Elektrowärmepumpe zusätzliche Heizwärme zu gewinnen. So gewinnt man insgesamt deutlich mehr Nutzwärme als mit einem Heizkessel. Als Beispiel betrachte man eine KWK-Anlage mit 35 % elektrischem Wirkungsgrad und 55 % thermischem Wirkungsgrad. Dies verbunden mit einer Elektrowärmepumpe mit Leistungszahl 3,5 ergibt eine Nutzwärmegewinnung von 55 % + 3,5 · 35 % = 177,5 % des Energiegehalts des Brennstoffs.
  • Eine andere Möglichkeit sind Absorptionswärmepumpen, die es ebenfalls erlauben, zusätzliche kostenlose Umweltwärme oder Abwärme zu nutzen. Ihre Leistungszahl (mit dem Wirkungsgrad eines Heizkessels zu vergleichen) kann z. B. 1,5 betragen, so dass die Wärmeausbeute 150 % der eingesetzten Brennstoff-Energie ist. Die Ausbeute ist meist niedriger als mit KWK und Kompressionswärmepumpe, aber dies wird mit einfacherer Technik erreicht und ist immerhin noch viel besser als ein Heizkessel.

Freilich geht selbst mit diesen Technologien noch ein erheblicher Teil der eingesetzten Exergie verloren; physikalisch gesehen könnte es im Prinzip also noch wesentlich besser gehen.

Abgassystem

Je nach Art eines Heizkessels kommen unterschiedliche Abgassysteme in Frage:

Auch die Druckverhältnisse sind oft wichtig. Naturzugkessel sind auf einen ausreichenden Kaminzug angewiesen, d. h. auf die Bildung eines Unterdrucks durch den Auftrieb des Rauchgases. Dagegen arbeiten Überdruckkessel mit einem Gebläse (in der Regel im Brenner), wodurch die Anforderungen an den Druck gering werden. Dagegen ist dann die Dichtigkeit des Abgassystems noch wichtiger.

Das wohl kostengünstigste Abgassystem ist eine Abgasleitung bestehend aus einem Kunststoffrohr, wie es für Brennwertkessel geeignet ist.

Ökologische Aspekte

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

Kleine Holzheizkessel mögen annähernd CO2-neutral betrieben werden, sind trotzdem aber oft sehr umweltschädlich.

Siehe auch: Brennwertkessel, Niedertemperaturheizkessel, Konstanttemperaturheizkessel, Brenner, modulierender Brenner, Rücklaufanhebung, Schornstein, Brennstoff, Festbrennstoff, Abgasleitung, Wärme, Wirkungsgrad, Heizwert, Abgasverlust, Spitzenlastkessel
sowie andere Artikel in den Kategorien Grundbegriffe, Haustechnik, Wärme und Kälte

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