Energieverbrauch eines Einfamilienhauses

* Eine Verbesserung beim Wirkungsgrad von einigen Prozent würde zum Klimaschutz nur marginal beitragen.

Überschlag: Modernisierung, Umbau von Ölheizung auf Öl-Brennwert-Heizung, Anlage 2020

Fazit: Fixkosten und Brennstoffkosten sind etwa im Verhältnis 1:1 .

Anlagen ohne Pufferspeicher sind von der Heizleistung meist überdimensionliert.
Sie haben extrem kurze Laufzeiten von nur wenigen Minuten.
Bis sich stabile Verbrennungszustände (Emission) eingestellt haben, hat die Temperaturregelung den Brenner wieder ausgeschaltet.

Haus 1

Ölheizung Baujahr 1989

Abb. 00-01-01: Ölkessel, Baujahr 1989 (FB)

Abb. 00-01-02: Baujahr 1989

Abb. 00-01-03: Der Ölbrenner, Baujahr 2012, Leistung 16 bis 34 kW (FB)

Abb. 00-01-04:           unten: Ventilator, Ölpumpe, Steuerung                                  oben: Brennkammer (FB)

Abb. 00-01-05: Brennkammer, Rohr für die Flamme (FB)

Abb. 00-01-06: Betriebsstunden und Brennerstarts pro Tag von 2012 bis 2020 von 2012 bis 2016 war noch ein älterer Brenner eingebaut. Das Verhältnis von Brennerstarts pro Betriebsstunde ist im Winter 2019                   ungefähr  48 Starts / 4 Betriebsstunden = 12, d.h. der Brenner läuft nach jedem Start im Mittel jeweils 5 Minuten .  (FB)

Abb. 00-01-06a: zweizügiger Schornstein mit Haube aus Kupferblech, links: Kaminofen, rechts: Ölheizung (FB)

Umbau 2020, Brennwert-Technik

Erfahrungen mit neuer Technik - mangelhafte Planung oder Ausführung

Abb. 00-02-01: mangelhafte Ausführung - Teil 1 !! Schornsteinkopf mit zwei Zügen, die Haube aus Kupfer ist entfernt,  11 Monate nach der Umrüstung, rechts: Zug für den Kaminofen, links: für die Ölheizung mit langem Auslaßrohr und kurzem Ansaugstutzen. Auf dem Mörtel: Silikon als Dichtungsmaterial für die Edelstahlbleche --->   Silikon ist ungeeignet (FB)

Abb. 00-02-02: rund 11 Monate nach Fertigstellung sind Nacharbeiten erforderlich. (FB)

Abb. 00-02-03: mangelhafte Ausführung - Teil 2 !! Beim Neudecken des Daches kamen die Fehlerursachen zum Vorschein. Auf der Unterseite der Haube konnten die Rauchgase vom Kaminofen direkt in das Ansaugrohr von der Ölheizung gelangen. Das war der Grund für vermeindliche Zündstörungen (Fehlermeldung der  Flammenüberwachung), weil die Sichtscheibe vor dem Fotosensor verrußt war.  (FB)

Abb. 00-02-04: mangelhafte Ausführung - Teil 2 !! auch unter der zweiten Haube (Ölheizung) konnten die Rauchgase hindurchgelangen. (FB)

Abb. 00-02-05: Nach der Neueindeckung des Daches bekam der Schornstein ein Jahr später eine Abdeckung aus Edelstahl. Blick von oben in den Zug. außen Edelstahlhaube Durchmesser 180 mm, in das Blech geschnittenes Loch, hochgebördelt, etwa 165 mmm  Fertigschornstein mit Rohrfassung von 150 mm (FB) Bei fachgerechter Ausführung hätte das Innenrohr um einige Dezimeter nach oben verlängert werden müssen, siehe nächstes Bild. (FB)

Abb. 00-02-06:  Rauchrohr 150 mm Durchmesser, 5000 mm lang, EAN 3858885781241, ca. 25 Euro (FB)

Abb. 00-02-07: passt genau in die Öffnung und sperrt damit jegliche Verbindung unter dem Edelstahlblech zur Ölheizung. (FB)

Abb. 00-02-12:  unten der Warmwasserspeicher, oben der Ölkessel. Typ Logano SB105 Das Gebläse (links oben) saugt Luft durch den schwarzen Schlauch an (links oben) und fördert sie durch den Aluminiumkanal zum Brenner (Bildmitte). Der Feuerungsautomat sitzt darüber (schwarzes Plastikgehäuse mit dem weißen Aufkleber) Der Kessel ist dahinter. Unten befindet sich der Wärmetauscher zur Gewinnung der Kondensationswärme aus den Abgasen. (FB)

Abb. 00-02-13: zweistufiger Brenner, mit Ölpumpe und links zwei Magnetventilen für die beiden Stufen Stufe 1: 100 % 19 kW,  Stufe 2:  60% 11,4 kW Der Mehrpreis für einen zweistufigen Brenner betrug laut Heizungsfirma etwa 1000 Euro. Angeblich würde der nur einstufige Brenner einen erheblich höheren Stromverbrauch haben. Daher die Entscheidung für den teureren Brenner. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, daß bei Heizbetrieb (nicht Warmwasser) der Brenner zunächst rund eine Minute auf der maximalen Stufe läuft, dann anschließend bis zum Abschalten weniger als 2 Minuten auf der niedrigeren Stufe.  Bei etwa 20 Brennerstarts pro Betriebsstunde  (siehe Abb. 00-02-12)  läuft er also jeweils nur rund 3 Minuten, davon etwa die Hälfte auf maximaler Stufe. "Der leistungsstarke Öl-Brenner arbeitet zweistufig. So kann die Wärmeleistung der Buderus Logano plus SB105 Öl-Brennwertheizung optimal an den jeweiligen Wärmebedarf angepasst werden. Sinken die Außentemperaturen, schaltet sich der Brenner zu und sorgt für Wärme. Steigt die Temperatur, reduziert der zweistufige Blaubrenner seine Leistung sofort und reduziert den Brennstoffverbrauch." https://www.thermondo.de/leistungen/heizsystem/oelheizung/buderus-logano-plus-sb105/  (FB)

Abb. 00-02-14: Blick in den Kessel, vorne ist der Brenner mit den beiden Zündelektroden (FB)

Abb. 00-02-15: Blick auf die feine Düse in der Mitte, aus der der Ölnebel herauskommt (FB)

Abb. 00-02-16: Flammenüberwachung mit einer Fotozelle. Das Licht der Flamme gelangt über einen Umlenkspiegel (unten am Messingrohr) auf die Zelle  (schwarzes Plastikgehäuse) Wenn die Optik der Fotozelle durch Ansaugen von Ruß aus dem Kaminofen verrußt ist, geht die Steuerung davon aus, daß die Flamme nicht ordentlich brennt und gibt eine Störungsmeldung ab. (FB)

Abb. 00-02-17: Wenn die Glasscheibe an der Fotozelle verrußt ist, gibt es unterschiedliche  Störungsmeldungen Zu viele Flammenunterbrechungen Flammenabriß in Betrieb 1. Stufe Keine Flamme innerhalb Sicherheitszeit Zündungsdauer zu hoch aktuelle Ionisation ist zu niedrig (FB)

Abb. 00-02-18: Der gemessene Flammenstrom ist ein Maß für die Helligkeit der Flamme. Vor dem Putzen der Optik war er im Bereich von unter 25 µA. Bei klarer Sicht ist er 52 µA.µ  (FB)

Abb. 00-02-19: Das Jahr hat 365 * 24 = 8760 Stunden. Zum Zeitpunkt des Foto war die Anlage 7948 Stunden (331 Tage) im Betrieb. Mit 937 Betriebstunden ist der Brenner 11,7% dieser Zeit gelaufen und zwar ist er 11787 gestartet und beim Erreichen der Soll-Temperatur wieder ausgegangen. Die mittlere Laufzeit war 937/11787= 0.08 Stunden oder 4,75 Minuten.

Abb. 00-02-20: rot: Vorlauf, blau: Rücklauf, grün: Warmwasser, orange: Abgastemperatur 02.05.2020 10 Uhr bis 03.05.2020 11 Uhr Die hohen Spitzen entstehen, wenn das Brauchwasser aufgeheizt wird. (FB)

Abb. 00-02-21: Zeitraum vom 05.05.2020 bis 07.05.2020 Der Brenner ist jeweils mehrmals pro Stunde angesprungen und wieder ausgegangen. (FB)

Abb. 00-02-21: Messwerte vom ersten Betriebsjahr Starts, Betriebsstunden, elektrischer Verbrauch und das zurückgewonnene Kondensat (Brennwert) Die Kurven haben den gleichen Verlauf. Im Sommer sind sie wenig ansteigend, im Winter stärker Für den elektrischen Verbrauch (Ölpumpe, Ölheizung, Steuerung) sind rund 300 kWh (33 ct/kWh) angefallen. Bei 1000 Euro Ölkosten wären das rund 100 Euro pro Jahr für den Strom.  (FB)

Abb. 00-02-22: Ölverbrauch und zurückgewonnenes Kondensat, Das Verhältnis (Liter Kondensat) / (Liter Öl) ist im Sommer etwa 0,6 und im Winter etwa 0,4. Damit wird der theoretische Höchstwert* von 1 nur zu weniger als die Hälfte erreicht. Bei 1 würde man durch die Brennwert-Technik 6% Energie dazubekommen. Diese Anlage erreicht im Mittel etwa die Hälfte davon, also 3%. Bei 1000 Euro Einsatz für das Öl pro Jahr gewinnt man somit rund 30 Euro pro Jahr. In zehn Jahren beträgt damit die Ersparnis 300 Euro. In 100 Jahren 3000 Euro. Der erhöhte technische Aufwand für die Brennwert-Nutzung rechnet sich somit in keinem Fall. *  Heizöl    Heizwert  10,0 kWh/L,   Brennwert 10,6 kWh/L  Differenz  0,6 kWh/L     zum Vergleich: Verdampfungswärme Wasser 2088 kJ/L ~  0,6 kWh/L            maximaler Gewinn bei voller Ausnutzung  0,6 kWh/L  also 6 % der Energie.         Die Abgase von 1 Liter Heizöl enthalten 0,6 kWh Kondensationswärme         0,6 kWh entsprechen dem Energieinhalt von einem Liter Kondenswasser         Wenn pro Liter Heizöl etwa ein Liter Kondenswasser erzeugt wird, dann wird die            Kondensationswärme komplett zurückgewonnen, hier sind es aber nur 0,4 Liter.  (FB)

Abb. 00-02-23: Brennerbetriebsstunden und Starts. Im Sommer sind es 15 Starts pro Betriebsstunde, im Winter etwa 20 Damit läuft der Brenner nach jedem Start etwa 60/20 = 3  Minuten. Davon ist die erste Minute mit Stufe 1 (19kW) und der Rest mit Stufe 2 (11,4 kW). Hätte man nur einen einstufigen Brenner, dann wären es rund 2 Minuten bei 19 kW. Der finanzielle Mehraufwand für den zweistufigen Brenner (laut Heizungsfirma circa 1000 Euro) ist somit nicht gerechtfertigt - auch wenn man einen höheren Stromverbrauch für den einstufigen Brenner berücksichtigt.  (FB)

Haus 2

Gasheizung, Umstellung auf Brennwert-Therme

Technische Daten

Abb. 00-03-01: Kombikessel, Feststoff und Gasbrenner. Der Gasbrenner ist abmontiert. Der Kessel dient als Notheizung. (FB)

Abb. 00-03-02: Test,  Brennstoff für den Notfall. Das Auto ist mit Holzspänenbriketts fast überladen. Jedes Paket enthält 10 kg. Einkaufen, Ein- und Ausladen, Transport in den Keller . . .          alternativ:  Gashahn öffnen, dann strömt das Gas von alleine, hinterläßt keine Asche . . .  (FB)

Abb. 00-04-01: Gastherme  (FB)

Abb. 00-04-02:  Der Wärmetauscher, das Wasser fließt im dünnen Viereck-Edelstahlrohr, durch den engen Spalt zwischen den Windungen strömen die Verbrennungsgase.  Ausstellungsstück auf einer Messe (FB)

Abb. 00-04-03: Der Wärmetauscher nach einem Jahr Betrieb (FB)

Abb. 00-04-04: Ablagerungen im Wärmetauscher (FB)

Abb. 00-04-05: Der Gasbrenner mit Drahtnetz, vorne die beiden Zündelektroden, links die Elektrode zur Flammenüberwachung (FB)

Ergebnisse

1. Die Umstellung auf Brennwert-Technik erfolgte von einer Anlage mit 250 Liter Wasserinhalt auf eine sogenannte Kleinwasseranlage.
   Wegen des hier sehr geringen Wasserinhalts von wenigen Litern erhöht sich die Wassertemperatur unmittelbar nach Brennerstart um mehrere Grad. Bei einem Wasserdurchfluß von 1/4 Liter pro Sekunde sind es rund 1 Grad Erhöhung pro kW Leistung, z.B. bei 15 kW demnach 15 Grad. Bei dem großen Wasserinhalt einer herkömmlichen Anlage ist das Brennen oder Nichtbrennen der Gasflamme an der Heizkörpertemperatur kaum zu bemerken, während bei der Kleinwasseranlage die Brennerflamme eine große Temperaturdifferenz verursacht.
   Wenn dann zusätzlich noch die gelieferte Wärmemenge größer als die angeforderte ist, dann kommt es zwangsweise in kurzer Zeit zu peridischen Abschaltungen des Brenners und damit verbunden zu großen regelmäßigen Schwankungen der Heizkörper-Vorlauftemperatur.
   Mit einer Wärmebildkamera betrachtet, sieht dann der Heizkörper fleckig aus, da er permanent im Wechsel mit kälterem bzw. mit wärmerem Wasser durchströmt wird.
   Man kann als Abhilfe
   
   • die im Umlauf befindliche Wassermenge beispielsweise durch ein Puffergefäß,
     

   • den Durchfluß durch Erhöhen der Pumpenleistung  und Öffnen eines Bypasses vergrößern oder
     
   • den Heizkörperthermostaten ihre Regelfunktion nehmen und sie weit öffnen.
     Erhöhte Pumpenleistung verursacht aber zusätzliche Geräusche und höhere Betriebskosten.
   
   
2. Die Meßdaten der mittleren Tages-Leistung (für Heizung und Warmwasser) zeigen, daß sich das Haus innerhalb der beobachteten drei Winter mit einer maximalen Dauerleistung von rund 6 kW ausreichend beheizen läßt (Abb. 01).
   
   
3. Innerhalb einer winterlichen Heizperiode (November bis April) gibt es eine große Anzahl von Tagen, bei denen die mittlere Dauerleistung im Bereich zwischen 2 und 5 kW liegt (Abb. 01).
   
   
4. Nach Einbau des Heizwasserspeichers von 850 l für die Solaranlage hätte es möglich sein sollen, die Heizung ohne Komforteinbußen viele Stunden mit diesen kleinen Leistungen im Dauerbetrieb heizen zu lassen (geringe Schadstoffe, hoher Brennwertnutzen). Jedoch liegt die Minimalleistung des Gerätes immer noch über dem mittleren Wärmebedarf, was somit zum Takten des Brenners führt (Abb. 06).
   
   
5. Leider sind Regelung oder Konstruktion speziell dieser Bauart der Gastherme nicht für einen Pufferspeicher ausgelegt.
   Wenn die durchfließende Wassermenge nämlich so eingestellt wird, daß bei kleinster Leistung etwa 10 Grad Temperaturunterschied zwischen Vor- und Rücklauf entstehen, um den Speicher nicht zu durchmischen, gibt es häufig übermäßig viele Taktungen (Startversuche mit Abbrüchen) (Abb. 07).  (10 Grad Temperaturdifferenz sind ein klassisches Auslegungsbeispiel für Heizkörper und daher keine Besonderheit (Abb. 05))
   
   Einen einstellbaren Parameter in der Brennerüberwachung wie "Mindestlaufzeit = 60 Sekunden" (bis zur Überwindung der erhöhten Starttemperaturen) sucht man bei diesem Gerät vergeblich. Damit hätte sich das Problem auf einfache Weise beheben lassen.
   
   Aber durch Probieren konnte das Problem inzwischen gelöst werden:
   
   • Ein mechanischer Thermostat wirkt als Begrenzer der Rücklauftemperatur und verhindert Starts bei zu warmem Rücklauf. Ein zweiter mechanischer Thermostat am Speicher im Bereich des Heizungsvorlaufes schaltet den Gasbrenner bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur ab. Die Therme wird damit über eine Zusatzschaltung, eine "externe Erweiterung" ferngesteuert.
     
   • Ein konstanter Widerstand ersetzt den Außentemperaturfühler und sorgt somit für definierte Bedingungen, d.h. die Heizung arbeitet witterungsunabhängig immer mit gleichen Bedingungen.
     (Möglich, da ganzjährig eine niedrige Vorlauftemperatur ausreicht. Ein Gerät mit weniger "Intelligenz" hätte also auch ausgereicht.)
   Nach dem "Rückbau" der Regelung und "Fernsteuerung" mit diesen drei einfachen Bauelementen arbeitet das System nun seit über zwei Jahren einwandfrei. Der Startzähler zeigt 5735 Starts bei 8623 Betriebsstunden an. Die mittlere Brennerzeit beträgt damit 1,5 Stunden.
   
   
6. Nach Austausch des bisherigen Kombikessels (Gas und Feststoff) durch eine Brennwert-Therme ist der Gasverbrauch von 3000m³/Jahr (10-Jahresmittel) auf zunächst 1600m³/Jahr gesunken (Abb. 02 und 03).
   Die Messungen des schlechten Wirkungsgrades beim alten Kessel wurden damit bestätigt. Badewannentest
   
   
7. Nach Erweiterung mit einer thermischen Solaranlage und Verbesserung der Isolierung ist der Verbrauch auf rund 1200m³/Jahr weiter gefallen (Abb. 03). Der Wärmeverbrauch des Hauses ist nun reduziert. Allerdings hat sich damit die Anzahl der Brennerstarts vergrößert, weil die Minimalleistung des Brenners oft zu groß ist, so daß dieser häufiger nach Erreichen der Solltemperatur abschalten muß.
   
   
8. Bei einem gut isolierten Haus ist eine Nachabsenkung unnötig, da die geringe Einsparung in der Nacht mit einem schlechteren Brennwertfaktor und weiteren Nachteilen erkauft wird. Auch das Nachführen der Vorlauftemperatur passend zur Aussentemperatur ist bei guter Einstellung der Thermostatventile und Abschaltung der Anlage bei Überschreiten einer gewissen Grenze für die Raumtemperatur an einer zentralen Stelle nicht nötig.
   
   
9. Damit bei optimal niedriger Vorlauftemperatur ausreichend geheizt werden kann, ist ein hydraulischer Abgleich der Heizwasserströme zwingend erforderlich: Hierzu ist an jedem Heizkörperventil der maximale Durchfluß gemäß der nominellen Leistung des Heizkörpers zu begrenzen. (Abb. 05)
   
   
10. Manche Kleinwasseranlagen sind schlecht isoliert. Bei einer Aufstellung im bisher wenig geheizten Dachgeschoß ist es ratsam, auch die Rohrleitungen im Gerätegehäuse zusätzlich zu isolieren, um einige 100 Watt Verlustleistung zu vermeiden. Je besser das Haus isoliert ist, um so schädlicher sind kleine aber konstante Verluste an der Therme.
    
    
11. Durch den Einbau des Speichers ist die Aufheizung des Brauchwassers unproblematisch geworden. Denn es gibt keine unangenehme (oder sogar bei starkem Frots für die Leitungen teilweise gefährliche) Abschaltung der Heizleistung bei den Heizkörpern für längere Zeit, während die Therme vorrangig das Brauchwasser erwärmt.
    

Fazit

• einerseits Vorteile: geringer Raumbedarf, kein großer Schornstein erforderlich
• aber auch Nachteile: Regelverhalten ungenügend, weniger Komfort bezüglich Heizkörpertemperatur, durch Einbau eines Speichers lassen sich diese Nachteile beheben. Bei dem Gerät dieses Herstellers jedoch hilft der Zusatzspeicher nur, wenn man zusätzlich die elektronische Regelung des Gerätes durch passive Zusatzteile außer Betrieb setzt.
  

• Auswertung der Angaben: Anzahl der Brennerstarts pro Brennerstunde
• Protokollierung der Meßdaten mit Auswertung über einen Zeitraum von einem Herbst- plus Wintermonat (Datenlogger)

Abb. 01: Aus dem täglichen Gasverbrauch errechnete mittlere Leistung im Zeitraum von September 2005  (Juni/06-Oktober/06 nur mit Holz geheizt) Es reicht eine mittlere Leistung von weniger als 6 KW aus.  (FB)

 

Abb. 02: Gasverbrauch, Zählerstand Gasuhr, im Zeitraum von September 2005 bis Juni 2010 (Juni/06-Oktober/06 nur mit Holz geheizt) (FB)

Abb. 03:Gasverbrauch, gemittelt über 365 Tage von Juli 2006 bis Juni 2010. Neuer Heizkessel, bessere Isolierung, Solarkollektor und milder Winter lassen den Jahresverbrauch von zunächst 3000 m³ auf rund 1200 m³ sinken. Anschließend liegt er bei 1600 m³ (FB)

Abb. 04: Gesamtüberblick Gasverbrauch, gemittelt über 365 Tage, in den Jahren 1984 bis 1991 wurde verstärkt mit Holz geheizt. 2005 erfolgte die Umstellung auf Brennwert-Therme. Der Verbrauch reduziert sich beträchtlich. (FB)

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Hydraulischer Abgleich der Heizkörper

Der benötigte Durchfluß beträgt etwa 1/4 Liter Wasser, bei einer Leistung von rund 10 KW.
Vorlauf = 55 Grad, Rücklauf 45 Grad.
Selbst an kalten Wintertagen reicht etwa die halbe Leistung aus, die die Heizkörper auch bei niedrigeren Vorlauftemperaturen von etwa 45 Grad abgeben können.

Abb. 05:Heizkörper, Größe und Leistung (schwarz) und Durchfluß (blau), untere Zeile rechts:  Gesamtdurchflußmenge bei 9,7 kW: 231 cm³/s, also rund 1/4 Liter pro Sekunde, die Daten gelten bei 20 Grad Raumtemperatur für eine Vorlauf-Rücklauf-Differenz am Heizkörper von (55-45)  = 10 Grad  (ausgelegt für Heizköper Fa.Buderus) (FB)

Abb. 05a: Hydraulischer Abgleich. Der maximale Durchfluß der Thermostatventile auf einen niedrigen Wert eingestellt. Die Wärmebildkamera zeigt die Temperaturverteilung in zwei Heizkörpern. Es gibt einen deutlichen Unterschied zwischen der Vor- und der Rücklauftemperatur. Die Heizkörper werden mit etwas über 40° Wasser versorgt. Diese Temperatur ist bei diesem Haus selbst im kältesten Winter ausreichend. Beim unteren Bild ist der Durchfluß geringer. Es wird nur der obere Teil des Heizkörpers erwärmt. Das Rohr für den Rücklauf ist nur schwach (grün) sichtbar. (FB)

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Lange Brennzeiten, möglich durch den großen Pufferspeicher

Abb. 06:  Zeitlicher Verlauf der Temperaturen bei einem Wassersystem mit großem Pufferspeicher,Taktung des Brenners mit Brennzeiten von mehr als zwei Stunden, gelb: Vorlauf, grün: Rücklauf, rot/blau (oben) Temperatur eines externen Brauchwasserspeichers, rot (unten): Aussentemperatur ca. minus 6 Grad. Nach erfolgreichem Brennerstart beträgt die Temperaturspreizung etwa 10 Grad und entspricht somit den Auslegungen für die Heizkörper.  Die Zeiten zwischen Brennerlauf und -pause sind ungefähr wie drei zu eins, so daß in diesem Fall von rund 75% Wärmebedarf bezogen auf die tatsächliche Brennerleistung auszugehen ist. (FB)

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Probleme mit der Regelung

Abb. 07:  Häufige Taktung des Brenners etwa alle 6 Minuten mit Abbruch unmittelbar nach dem Start, gelb: Vorlauf, grün: Rücklauf, rot/blau (oben) Temperatur eines externen Brauchwasserspeichers, rot (unten) Aussentemperatur ca. plus 6 Grad. Die Außentemperatur ist höher als im vorigen Bild. Die Zeiten zwischen Brennerlauf und -pause sind ungefähr gleich, so daß in diesem Fall von rund 50% Wärmebedarf bezogen auf die tatsächliche Brennerleistung auszugehen ist. Der hier benutzte Temperatursensor für die Vorlauftemperatur ist etwas träge, so daß kurzzeitige Temperaturänderungen, beispielsweise bei den abgebrochenen Brennerstarts, nicht in voller Höhe erscheinen, weil sie gemittelt werden. (FB)

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Analyse des Fehlers der Regelung

Abb. 08: Beispiel für Regelprobleme beim Brennerstart einer ähnlichen Anlage wie im vorigen Bild. Aufgetragen ist der zeitliche Verlauf der Vorlauftemperatur (mit einem flinken Sensor direkt am Wärmeerzeuger gemessen) zwischen zwei erfolgreichen Brennerstarts. Zunächst erfolgt (13:30 bis 14:30) eine korrekte Aufheizung des Wassers bis zur vorgegebenen Schaltschwelle (rot, gestrichelt). Nach der Abkühlung (14:30 bis 15:45, bis etwa Mitte des Bildes) treten beim erneuten Brennerstart Probleme auf: Beim Start liefert der Brenner zunächst für rund 10 Sekunden nahezu volle Leistung und damit eine hohe Temperatur (Bildausschnitt), um danach in den nächsten rund 15 Sekunden auf die geforderte Leistung herunterzuregeln. Bei nicht optimaler Einstellung der Regelparameter (Geräte-Hersteller) kommt es innerhalb dieser Phase zu Startabbrüchen (wie hier 12 Stück), wenn die Wassertemperatur -bedingt durch die hohe Heizleistung- die vorgegebene Schaltschwelle überschreitet. Erst beim 13. Startversuch bleibt wegen der zwischenzeitlichen weiteren Abkühlung die Temperatur unterhalb der roten gestrichelten Linie und der Brenner kann erfolgreich auf seine Minimalleistung herunterregeln. Da hierbei die Temperaturen unterhalb gefährlicher Werte bleiben, könnte beispielsweise ein Parameter wie "Mindestlaufzeit" dieses nervöse Verhalten unterdrücken. Ab 16:45 erfolgreicher Start mit Aufheizen bis 17:40. (FB)

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Lösung für die Regelprobleme

Abb. 09: Temperaturkurven gegen die Tageszeit am 16.1.08,  ab 18:00 beginnt die Aufheizphase für das warme Wasser, dazu sind dann Leistung und Temperatursollwert der Therme erhöht. Problemlösung: Nach Einbau einer Begrenzung für die Temperatur des zur Gastherme rücklaufenden Wassers sind die Startprobleme behoben. Bei Überschreiten der Rücklauftemperaturschwelle werden Brenner und Pumpe gesperrt. Sofern das Wasser kalt genug in die Therme gelangt, treten beim Brennerstart keine übermäßig hohen Spitzen mehr auf. Die Therme taktet bei diesen Bedingungen nur noch 22 mal in 24 Stunden.  Die so erreichte feste Vorlauftemperatur für die Heizkörper von etwa 43 Grad ist ausreichend. lila:    Temperatur am Ausgang der Therme grün: Temperatur am Rücklauf zur Therme grau: Außentemperatur, gemessen am Sonnenkollektor rot, gestrichelt: (rechte Skala) gerechnete Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf der Therme. Sie ist ein Maß für die abgegebene Leistung der Therme, da der Durchfluß konstant bei 0,12 Liter/s gehalten wird. 10 Grad Differenz entsprechen dann einer Leistung von 0,12 * 4,2 * 10 = 5 kW. In der Nachheizphase für das Brauchwasser ist die Leistung bei 20 Grad Differenz dann doppelt so hoch, also 10 kW. (FB)

Abb. 10: Temperaturkurven gegen die Tageszeit am 17.1.08 Im Gegensatz zum Vortag erfolgte die erste Aufheizung am Morgen mit einer größeren Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf der Therme, etwa 15 Grad. Somit war die von der Steuerung des Gerätes eingestellte Leistung zunächst erhöht, nämlich rund 7,5 kW. Die graue Kurve für die Temperatur des Sonnenkollektors läßt gegen 14 Uhr den Beginn der wärmeren Jahreszeit erahnen. Bei einem Gasverbrauch von 8 Kubikmetern pro Tag, entsprechend 8 * 9 = 72 kWh  beträgt die mittlere Leistung 72/24 = 3 kW. (FB)

Abb. 11: Nach Optimierung der Ein- und Ausschalttemperaturen am Speicher lassen sich insgesamt längere Brennerlaufzeiten erreichen, hier bei kalten Aussentemperaturen (nachts -5 Grad). Beispielsweise startet der Brenner gegen 4 Uhr mit etwas höherer Leistung (rote Kurve), um dann nach etwa 1,5 Stunden auf die Minimalleistung herunterzuregeln. In der Mittagszeit  arbeitet er von 10:30 bis 13:30 mit kleinster Leistung ohne Unterbrechung. (FB)

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Winterbetrieb mit Solareinstrahlung

Abb. 12: Temperaturkurven gegen die Tageszeit am 25. Januar 2008. Seit 6 Uhr ist der Himmel fast ohne Wolken. Die Temperatur des Kollektors geht zunächst unter Null Grad. Tagsüber scheint die Sonne bei einigen Wolken. Der Sonnenkollektor hat zwischen 10:25 h und 15:10 h Wärmeenergie aufgenommen. Ab etwa 12:15 Uhr ist die Einstrahlung in den Speicher durch die Sonne größer als die Entnahme durch die Heizkörper und die Temperatur steigt an (braune Kurve). Die Gastherme läuft danach erst wieder ab 18:20 Uhr in periodischen Takten. Die Aussentemperatur war morgens etwa bei 0 Grad, abends bei 3 Grad. Die solar erwirtschaftete Energie beträgt 6 kWh, entsprechend 2/3 m³ Gas. (FB)

Abb. 13: Am 16.Februar 2008 scheint nach einer sternklaren Nacht mit unter -10 Grad Aussentemperatur am Tage die Sonne. Mit Einbruch der Dämmerung fallen die Temperaturen rasch wieder auf -10 Grad. Bis auf eine kurze Nachheizzeit gegen 18 Uhr arbeitet der Gasbrenner ab 11 Uhr nicht mehr. (FB)

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Nachtabsenkung

Beobachtung:
Bei Aussentemperaturen von 0° und Raumtemperatur von 20°
sinkt die Raumtemperatur in der Nacht (22 bis 6 Uhr) um 2 Grad ab.

Gerechnet:  relativer Wärmebedarf  (als Temperaturdifferenz * Zeit )
                       
      

ohne Absenkung:	(20° - 0° ) *  24 Stunden	20° *24h =480  °h
mit Absenkung (8 Stunden):	(20° - 0°) * 16 Stunden  +   ((20° - 0°) + (18° -0°)) / 2  * 8 Stunden	320°h + 152°h = 472  °h

472 / 480 = 0,983     d.h. Einsparung  1,7 %

Wenn bei der Aufheizung am Morgen - wie üblich - die Vorlauftemperatur angehoben wird, sinkt der Wirkungsgrad des Kessels etwas, so daß die Einsparung noch geringer wird.
Bei Heizkosten von 1000 Euro im Jahr beläuft sich der Einspareffekt somit etwa bei 10 Euro und ist vernachlässigbar.

Bei andern Aussentemperaturen beispielsweise von -20° gilt die Rechnung auch, es sind zwar die Abkühlung sowie die Wärmemenge doppelt so groß, der relative Einspareffekt bleibt aber der gleiche.

Fazit:
Bei einem gut isolierten Haus ist eine Nachtabsenkung nicht sinnvoll:

• sie spart kaum Kosten ein,
• beim Aufheizen werden wegen der heißeren Heizkörper größere Luftmengen umgewälzt, bis sich wieder ein Gleichgewichtszustand im Raum eingestellt hat ("es zieht").
• beim Energieversorger entstehen in den Morgenstunden unnötige Leistungsspitzen.

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Elektrischer Energieverbrauch einer Gastherme

Typ Viessmann, Vitodens 300, Baujahr 2006

gemessene Leistungen:

Regelung	10 Watt
Regelung, Pumpe mit 30% (Min) Drehzahl	53 Watt
Regelung, Brenner mit Min-Leistung und Pumpe mit 30% Drehzahl	71 Watt
Regelung, Brenner mit Max-Leistung  und Pumpe 100% Drehzahl (laut Handbuch)	170 Watt

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Bestimmung der Leistung aus dem Gasverbrauch, Brennwert, Kondensatmenge

Der Brennwert gibt die Energie an, die bei vollständiger Verbrennung mit Ausnutzung der Kondensationswärme des Wasserdampfes anfällt. Mit  Heizwert bezeichnet man die Energie ohne die Ausnutzung der Kondensation, d.h. wenn der Wasserdampf ungenutzt über den Schornstein entweicht. Bei Erdgas beträgt der Umrechnungsfaktor etwa 0,90:
Heizwert = 0,9 Brennwert. Bei der Verbrennung entsteht einerseits CO2 aus dem Kohlenstoff, andererseits aus dem Wasserstoff Wasser.
Der Brennwert ist örtlich verschieden, er läßt sich beim Energieversorger erfragen oder auf der Rechnung ablesen.

Als Kondensationsmenge sind bei vollständiger Kondensation bei Erdgas rund 0,16 kg Wasser pro kWh zu erwarten.
Bei 8,33 kWh pro Kubikmeter sind das 1,33 Liter Kondenswasser pro Kubimeter Gas (=100%).
Die Temperatur des Heizungswasser im Kessel beeinflußt die erreichbare Ausbeute an Kondensat: eine kalte Kesseloberfläche ergibt viel, eine heiße dagegen wenig. Der Wirkungsgrad der Anlage läßt sich über die Kondensatmenge abschätzen. Die nachfolgend genannten Prozente gelten einerseits für die Wassermenge und andererseits damit auch für den energetischen Zugewinn zwischen Heiz- und Brennwert. Bei 50% Kondensatmenge ist der Umrechnungsfaktor also 0,95.
Bei den beiden Betriebsarten normales Heizen und Warmwasserbereiten (18:00 bis 20:00) in Abb. 09 herrschen unterschiedliche Temperaturen vor. Je wärmer das Kesselwasser ist, um so weniger Kondenswasser kann anfallen.
Bei den kälteren Bedingungen entstehen rund 0,9 Liter Wasser pro Kubikmeter Gas (ca. 65 %) und bei den höheren Temperaturen rund 0,5 Liter Wasser pro Kubikmeter Gas (ca. 35 %).

Der Begriff "Brennwert" ist also bei den gemessenen Werten nur eingeschränkt anzuwenden.
Theoretisch sollten es 1,33 Liter pro Kubikmeter Gas sein.

Über den Gasverbrauch pro Zeit ist die Leistung vorgegeben und darüber auch leicht zu ermitteln.

Hierzu beobachtet man beispielsweise an einer Gasuhr die Anzahl der durchgeflossenen Liter pro Minute.
Bei einem Brennwert von 8,333 kWh pro Kubikmeter ist die Leistung in Kilowatt exakt gleich der Hälfte der Anzahl der Liter pro Minute.


beobachtet  x Liter pro Minute  --->  ergibt   x/2  kW

x   Liter/Minute * 60 Minuten/Stunde * Brennwert kWh/1000 Liter =  Energie pro Stunde  in  kWh/h = Leistung in  kW

x   *   60  *   8,333 /1000 = 0,5 * x


Beispiel für Gas mit Brennwert von 9 kWh / m³, etwa wie in Clausthal-Zellerfeld

LiterProMinute	Leistung/kW
9	4,9
10	5,4
11	5,9
12	6,5
13	7,0
14	7,6
15	8,1
16	8,6
17	9,2
18	9,7
19	10,3
20	10,8
21	11,3
22	11,9
23	12,4
24	13,0
25	13,5
26	14,0
27	14,6
28	15,1
29	15,7
30	16,2
31	16,7
32	17,3
33	17,8
34	18,4
35	18,9
36	19,4
37	20,0
38	20,5
39	21,1

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