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Heizkessel

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. In der Regel wird ein Heizkessel in einem speziellen Heizraum aufgestellt, also nicht in einem Wohnraum. Es gibt allerdings Heizgeräte (z. B. Erdgasthermen), die durchaus auch in Wohnräumen aufgestellt werden können, da sie kompakt und leise sind.

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 nicht immer als Teil des Heizkessels betrachtet wird)
• wasserführende Rohre zur Abführung der Nutzwärme, als Wärmeübertrager 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 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.

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:

• Festbrennstoffkessel 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 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.

• 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 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.

Bedeutung der Kesselwassermenge

Ältere Heizkessel weisen häufig eine relativ große Bauform auf und enthalten eine große Menge von Kesselwasser. Dagegen arbeiten z. B. moderne Gasthermen mit viel geringen Kesselwassermengen.

Das Kesselwasser bringt meist den größten Teil der Wärmekapazität des Heizkessels ein – mehr als beispielsweise die metallischen Kesselwandungen. Diese Wärmespeicherspeichervermögen wird oft als uneingeschränkt günstig für die Energieeffizienz des Kessels angesehen. Bei genauerer Betrachtung ergibt sich ein differenzierteres Bild:

• Alte Heizkessel hatten meist einen Brenner, der nicht in der Leistung geregelt werden kann und deswegen im Taktbetrieb eingesetzt werden muss. In diesem Fall führt eine zu geringe Kesselwassermenge bzw. Wärmekapazität dazu, dass der Brenner zu häufig ein- und ausgeschaltet werden muss. Dies bedeutet diverse Nachteile, etwa zusätzlichen kühlenden Luftdurchsatz bei Start und Stopp sowie verstärkte Rußbildung, die dann den Wärmeübergang an den Kesselwänden beeinträchtigt. Wie schwer diese Nachteile ausfallen, hängt allerdings stark von den Umständen ab; beispielsweise können sie relativ gering sein bei einem modernen Gasbrenner.
• Moderne Brenner sind oft modulierend, also in einem gewissen Bereich in der Wärmeleistung regelbar. Solange die benötigte Wärmeleistung die minimale Leistung nicht unterschreitet, ist dann kein Taktbetrieb mehr notwendig, sodass die oben genannten Nachteile entfallen. Bei sehr geringer Wärmenachfrage (häufiger übrigens bei Überdimensionierung des Brenners) kommt man jedoch wieder in den Taktbetrieb, wenn auch mit wesentlich geringerer Schalthäufigkeit als bei Betrieb mit voller Brennerleistung.
• Ein großes Kesselwasservolumen geht mit einer größeren Oberfläche der warmen Teile einher, was die Wärmeverluste (auch die Stillstandsverluste) vergrößert. Diesbezüglich sind kompakte Gasthermen sehr viel günstiger.

Aus diesen Gründen ist eine moderne Gastherme mit ihrem geringen Kesselwasservolumen meist deutlich effizienter als ein großer alter Heizkessel. Dazu kommen die Vorteile eines geringeren Platzbedarfs und einem geringeren Materialbedarf, was den Anschaffungspreis senkt. Auch der Ein- und Ausbau ist einfacher, wenn keine enorm schweren Teile transportiert werden müssen.

Abgassystem

Je nach Art eines Heizkessels kommen unterschiedliche Abgassysteme in Frage:

• Konventionelle Heizkessel mit relativ hohen Abgastemperaturen benötigen einen Schornstein. Dies trifft insbesondere auch für Festbrennstoffkessel zu. Dort ist eine gewisse Rußbildung kaum vermeidbar, und das Abgassystem muss rußbrandbeständig sein. Schornsteine sind aber oft feuchteempfindlich und damit dann nicht für niedrige Abgastemperaturen geeignet.
• Für niedrige Abgastemperaturen werden meist feuchteunempfindliche Abgasleitungen verwendet. Gegebenenfalls kann ein Schornstein durch Einziehen einer Abgasleitung umgerüstet werden. Hierbei wird oft auch ein Luft-Abgas-System realisiert.

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:

• 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-neutral gelten können.

• Zusätzlich können giftige Luftschadstoffe wie Stickoxide (NO_x), Kohlenmonoxid (CO) und Ruß (z. T. als Feinstaub) entstehen. Bei modernen Öl- und vor allem Gasbrennern sind solche Effekte ziemlich gering (auch ohne jede 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: Brennwertkessel, Niedertemperaturheizkessel, Konstanttemperaturheizkessel, Brenner, modulierender Brenner, Rücklaufanhebung, Schornstein, Brennstoff, Festbrennstoff, Abgasleitung, Wärme, Wirkungsgrad, Heizwert, Abgasverlust, Spitzenlastkessel