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Moderne Heizungssysteme unserer Zeit

Administrator (compas) on Aug 24 2016

Ob Erdwärme, thermische Solaranlage, Elektroheizung, Brennwerttechnik oder auch die Gasheizung, selbst der Oldtimer unter den Heizungsanlagen hat heute modernste und sparsamste Technik, ohne das man ein ökol

Ob Erdwärme, thermische Solaranlage, Elektroheizung, Brennwerttechnik oder auch die Gasheizung,
selbst der Oldtimer unter den Heizungsanlagen hat heute modernste und sparsamste Technik ...

 

Moderne Heizungssysteme unserer Zeit

Warmluftheizung

Die Warmluftheizung verwendet die Raumluft als Wärmeträger. Dabei wird die in einem Heizautomaten erzeugte Warmluft über Luftkanäle in die Räume geleitet.

Auch als Warmluftheizung angelegt, jedoch im Detail anders aufgebaut, ist die Hypokausten-Luftheizung. Sie wurde im 1. Jahrhundert v. Chr. erfunden und ist heute in Ausgrabungsstätten zu sehen.

Kosten, Amortisation

Die Wirtschaftlichkeit einer Heizanlage hängt von den Anschaffungskosten und den Betriebskosten ab. Letztere werden stark vom Nutzungsverhalten bzw. vom Komfortbedürfnis der Bewohner beeinflusst. Für einige Heizungen gewährt die öffentliche Hand Anschaffungs-Zuschüsse; diese senken die Anschaffungskosten. Steuerpflichtige in Deutschland können die Kosten für die Handwerkerleistungen steuer-reduzierend geltend machen (Näheres hier).

Für die Bewertung der Gesamteffizienz ist der Jahresnutzungsgrad wichtiger als der Wirkungsgrad.

  • Der Wirkungsgrad benennt nur die Verluste bei laufendem Brenner.
  • Der Jahresnutzungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen bereitgestellter Nutzwärme zur aufgewandten eingesetzten Brennstoffmenge. Die Angabe des Jahres-Nutzungsgrads oder auch Norm-Nutzungsgrads berücksichtigt (neben den Verlusten, die bei laufendem Brenner auftreten) auch alle Verluste, die während des Brennerstillstands auftreten.

Da in einem Jahr nur Brennerlaufzeiten von etwa 1.800 Stunden erreicht werden und der Brenner die übrige Zeit steht, ist eine Wirkungsgradangabe stets nur eine Momentaufnahme. Der Nutzungsgrad betrachtet dagegen die energetische Effizienz über einen bestimmten Zeitraum, z. B. ein Jahr. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist durch den Einbau einer Brennwertheizungmöglich – vorausgesetzt die Rücklauftemperatur im Heizkreislauf ist relativ niedrig. Sie nutzen auch die Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes.

Erdwärme

Zur Gebäudeheizung mit Erdwärme wird durch Wärmepumpen das unter der Erdoberfläche vorhandene stabile Temperaturniveau genutzt, um das temperaturübertragende Medium im Heizkreislauf aufzuwärmen. Für ein Einfamilienhaus sind ein bis zwei oberflächennahe Bohrungen notwendig. Entscheidend für die Effizienz der Erdwärmenutzung ist die Nutzung von Niedertemperaturbeheizung wie z. B. der Fußbodenheizung. Ein Vorteil der Erdwärmeheizung ist, dass diese Anlagen im Sommer teilweise auch zur Gebäudekühlung eingesetzt werden können.

Nur in einigen Regionen ist die Nutzung der Erdwärme in geothermalen Warmwasserheizungen möglich, in denen die Erhitzung des Heizwassers auf Verbrauchstemperatur (bis über 40 °C) direkt über Erdwärme geschieht.

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom als Energiequelle in Elektroheizungen wird oft für den kurzzeitigen Bedarf in Heizlüftern eingesetzt. Als Heizung von Wohnungen sind zum Teil Nachtstrom-Speicher-Heizungen im Gebrauch, die die Energie des Nachtstromes zum so genannten Niedertarif (umgangssprachlich Nachttarif) zu bestimmten Zeiten – üblicherweise nachts und nachmittags – zur Aufheizung eines wärmeisolierten Speichers nutzen und durch Konvektion - und zusätzlich bei Bedarf zu jeder Tageszeit über ein zusätzliches Gebläse - abgeben. Auch ölgefüllte, lüfterlose Radiatoren mit eingebautem Heizstab und Temperaturregler kommen für die Raumheizung zum Einsatz.

Blockheizkraftwerk

Die für die Beheizung eines Gebäudes benötigte Wärmeenergie kann auch in einem Blockheizkraftwerk erzeugt werden. Dieses basiert auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung; es erzeugt neben Wärme auch Strom. Die Energiewandlung kann dabei sehr unterschiedlich erfolgen (z. B. durch einen Verbrennungsmotor, eine Dampfturbine, eine Gasturbine, einen Stirlingmotor oder eine Brennstoffzelle). Die Abwärme des Systems kann dann u.a. zur Raumbeheizung verwendet werden. Neben der Kombination mit einem Wärmespeicher ist auch der Einsatz eines Spitzenlastheizgeräts zur Abdeckung des maximal erforderlichen Wärmebedarfs üblich.

Thermische Solaranlage

Als thermische Solaranlage werden Solaranlagen bezeichnet, die Wärme aus der Sonneneinstrahlung nutzbar machen ( Solarthermie). Die Wärme wird in der Prozesstechnik oder der Gebäudetechnik nutzbar gemacht oder in thermischen Solarkraftwerken zur Stromerzeugung genutzt.

Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Strom – z. B. mittels Solarzellen – wird dagegen als Photovoltaik, die entsprechenden Anlagen als Photovoltaikanlagen bezeichnet.

Einsatzgebiete

Überwiegend werden thermische Solaranlagen in der Haustechnik genutzt. Die gewonnene Wärme wird hierbei meistens zur ' Trinkwasser'-Erwärmung (Spül-, Dusch- und Badewasser) und für die Erwärmung der Wohnräume eingesetzt.

Im industriellen Bereich werden Anlagen mit meist mehr als 20 m² Kollektorfläche zur Produktion von Prozesswärme im Temperaturbereich bis 100 °C oder wenig darüber, etwa zur Beschleunigung biologischer und chemischer Prozesse bei der Biomasseverarbeitung oder in der chemischen Industrie oder zur Aufheizung/Vorwärmung von Luft betrieben.

Ebenfalls zu den thermischen Solaranlagen zählen Anlagen zur solaren Klimatisierung. Aufgrund der hohen Temperaturen sind sie vergleichbar mit den Prozessanlagen.

Ein großtechnischer Einsatz findet dagegen in thermischen Solarkraftwerken wie etwa in Andasol statt. Die meisten dieser Anlagen verwenden konzentrierende Kollektoren zur Fokussierung der Sonnenstrahlen auf einen Absorber-Punkt oder eine Absorberlinie, in dem bzw. der Temperaturen von 390 °C bis über 1000 °C erreicht werden können. Diese Wärme wird anschließend entweder als industrielle Prozesswärme genutzt oder über Generatoren in Strom umgewandelt (solarthermische Stromerzeugung). Da konzentrierende Anlagen auf direkte Sonneneinstrahlung angewiesen sind, werden sie nur in sonnenreichen und trockenen Regionen (in Europa beispielsweise in Südspanien) eingesetzt.

Dieser Artikel konzentriert sich im Folgenden auf den Einsatz der Solarthermie zur Trinkwasser-Erwärmung und Heizungsunterstützung, da dies der in Mitteleuropa (noch) häufigste und am meisten verbreitete Anwendungsbereich ist.

Bestandteile

Die thermische Solaranlage besteht aus einem Kollektor, welcher die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt, einem Solarwärmespeicher, der die nicht sofort genutzte Wärme speichert sowie dem verbindenden Solarkreislauf, über den die Wärme vom Kollektor in den Speicher transportiert wird. Dieser besteht aus Rohren, Armaturen und Antriebsaggregaten, die den einwandfreien Betrieb der Anlage sichern, sowie einem Regler, welcher den Wärmetransport an- und ausschaltet (außer bei Schwerkraft-Anlagen).

Kollektoren

Hauptartikel: Sonnenkollektor

Der Sonnenkollektor ist der Teil der Solaranlage, der einen großen Teil der Energie des Sonnenlichts aufnimmt ( Absorption), gleichzeitig aber – trotz eigener Erwärmung – nur wenig davon wieder als Wärmestrahlung abgibt ( Emission). Er überträgt die absorbierte Wärme möglichst verlustfrei auf die so genannte Solarflüssigkeit im Solarkreislauf.

Die wichtigste bautechnische Unterscheidung bei Kollektoren ist die zwischen

  • ‚mit Luft gefüllten‘ Kollektoren, die mit herkömmlichen Dämmmaterialien gegen die Wärmeverluste geschützt werden ( Wärmedämmung). Sie sind wegbereitend für die effiziente Solarnutzung gewesen. Sie haben erfahrungsgemäß eine sehr lange Lebensdauer; es soll Hersteller geben, die eine Funktionsgarantie über 20 Jahre geben.
  • Vakuumröhrenkollektoren; die verbreitetste Variante arbeiten nach dem Thermoskannenprinzip: Um die das Transportmedium enthaltene innere Absorberröhre ist eine zweite, äußere (Glas-)Röhre gesetzt. Zur besseren Dämmung wird dem Zwischenraum die Luft entzogen ( Vakuum). Sie sind vor allem bei hohen Temperaturdifferenzen zwischen Außenluft und Absorber leistungsfähiger als andere Bautypen. Sie werden daher auch im industriellen Bereich eingesetzt, wo Prozesswärme mit konstant über 80 °C benötigt wird.

In Europa sind luftgefüllte Flachkollektoren deutlich häufiger verbreitet, und werden in der Haustechnik überwiegend eingesetzt. Vakuumkollektoren haben einen höheren Ertrag pro Quadratmeter Absorberfläche. Allerdings schmilzt der Unterschied bei der Umrechnung auf die Gesamtfläche des Kollektors statt der reinen Absorberfläche stark zusammen, da bei luftgefüllten Kollektoren der Absorber einen deutlich größeren Anteil der insgesamt zur Aufstellung benötigten Fläche einnimmt. Bezogen auf die Bruttofläche liegt der Ertrag bei Vakuumkollektoren theoretisch ca. 20 % über den von Flachkollektoren. Im häufigsten Anwendungsfall von Flach- und Röhrenkollektoren - im privaten Einfamilienhaus - ermöglicht ein Vakuum-Röhrenkollektor nur die Realisierung marginaler Ertragsvorteile. [1] [2] Die zusätzlich nutzbare Wärmeenergie eines Vakuum-Röhrenkollektors liegt dann bei 2-5% bezogen auf den gesamten Energieverbrauch des Hauses. Typenbezogene Leistungsunterschiede bestehen bei Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren. Ein Vergleich der Leistungsdaten, die in den Keymark-Zertifikaten [3] zu finden sind, ist unmungänglich. Vakuumröhrenkollektoren bringen vor allem in der Übergangszeit und im Winter größere Erträge, da bei niedrigen Außentemperaturen die bessere Dämmung zum Tragen kommt. Auch bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Aussentemperatur und Speichermediumtemperatur (mehr als 40°) wird die Effizienz der Vakuumröhrenkollektoren besser. [4] Bei geringer Temperaturspreizung ist der Flachkollektor im Vorteil. Infolge der besseren Dämmung tauen Vakuumröhrenkollektoren etwas langsamer ab. In Regionen mit viel Schnee kann dies nachteilig sein.

Eine Mischform sind so genannte Vakuumflachkollektoren. Diese stellen einen Versuch dar, die besseren Dämmeigenschaften des Vakuums auch in „normalen“ Flachkollektoren zu nutzen. Bauartbedingt neigen diese aber zu Undichtigkeiten, so dass eindringende Luft die Wärmeisolation verringert und regelmäßig mit Hilfe einer Vakuumpumpe abgesaugt werden muss.

Bei registerförmigen Absorberrohren oder wenn mehrere Solarabsorber/ -kollektoren in einem gemeinsamen Hydrauliksystem parallel betrieben werden (beispielsweise mit einer gemeinsamen Umwälzpumpe), müssen sie nach Tichelmann miteinander verrohrt werden, damit eine einigermaßen gleichmäßige Durchströmung aller Absorber-/Kollektorsegmente sichergestellt ist.

Stagnationstemperatur

Ist jene Temperatur, die der Kollektor bei Normeinstrahlung von 1000 W/m2 im Leerlauf ohne Solarflüssigkeit erreicht. Die Höhe der Stagnationstemperatur des Kollektors hängt von dessen Güte ab. Meistens findet man in den Zertifikaten von Kollektoren Temperaturen die sich zwischen 170 und 230 Grad Celsius bewegen, bei einigen Kollektoren wird diese Temperatur mit über 300 °C angegeben. Umso besser ein Kollektor isoliert ist desto höher ist diese Temperatur. Jeder Kollektor muss so konstruiert sein, dass er diese Extremtemperaturen auch schadlos übersteht. Eine beschleunigte Alterung tritt jedoch mehr oder weniger, je nach Konstruktion und Fabrikat immer auf. Sammelrohre aus Kupfer verzundern bei wiederholt andauernder Stagnation. Es gibt auch Kollektoren mit Edelstahlsammelrohren. Das Wärmedämmmaterial kann je nach verwendetem Material vorzeitig altern. Im Nahbereich des Kollektors müssen die Rohrleitungen diese Temperatur schadlos überstehen. Wird ein in Stagnation befindlicher Kollektor jedoch mit Solarflüssigkeit erneut befüllt so kann dies zu Schäden führen da der Temperaturschock möglicherweise zu hoch ist. Ein Befüllen von Kollektoren sollte daher nur bei abgedeckten Kollektor oder in den frühen Morgenstunden bzw. am Abend nach Abkühlung des Kollektors erfolgen.

Gasheizung

Eine Gasheizung ist eine Heizungsanlage, die mit brennfähigen Gasen betrieben wird. Am häufigsten ist dies Erdgas, daneben auch so genannte Flüssiggase, die aus einem Gemisch aus Propan oder Butan bestehen. Weniger gebräuchlich sind Stadtgas oder Biogas.

Die bei der Verbrennung entstehende Wärme wird bei einer Zentralheizung an einen Wärmeträger übertragen. Je nach Ausführung ist dies Wasser oder Luft. Eine Umwälzeinrichtung transportiert den Wärmeträger in die zu beheizenden Räume.

Daneben kann warmes Trinkwasser erzeugt werden.

In älteren Gebäuden können auch einzelne Räume mit Gasheizungen ( Gasheizöfen) ausgestattet sein, die dort direkt die durch das Verbrennen des Gases erzeugte Wärme an die Raumluft abgeben. Heute ist es üblich, gasbetriebene Heizungsanlagen über erwärmtes Wasser (Heizwasser) als Wärmeträger die Heizkörper meist ganzer Gebäude, zumindest aber einer ganzen Wohnung als Gasetagenheizung zu nutzen.

Generell wird in Heizwert-Gasheizungen und Brennwert-Gasheizungen unterschieden. Der Brennwert ist das Maß für Energie. Er gibt die im Gas enthaltene Energie an, die bei Verbrennung und anschließenden Abkühlung entsteht. Der Heizwert bezieht sich auf die Wärmemenge. Der Heizwert ist immer geringer als der Brennwert. Brennwert-Gasheizungen erzielen einen höheren Wirkungsgrad. [1] Brennwertheizungen für Erdgas nutzt auch den warmen Wasserdampf zum Gewinnen von Wärmeenergie und gibt diesen nicht einfach als Wasserdampf aus.

Nah- bzw. Fernwärme

Wird die Wärme zentral in einem Heizkraftwerk (Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung) erzeugt oder die Prozess abwärme von Industrieanlagen genutzt und über Leitungsnetze an mehrere räumlich entfernte Wärmeabnehmer verteilt, so spricht man, je nach räumlicher Größe des Wärmeverbundes, von einer Nahwärme- beziehungsweise Fernwärmeversorgung. Derartige Wärmeverbundnetze finden bei der Wärmeversorgung von Stadtteilen und/oder in Industrieanlagen Verwendung. Zur Wärmeerzeugung werden bisher überwiegend Erdöl, Erdgas, Kohle, Müll (→ Müllheizkraftwerk) und in Einzelfällen auch Kernenergie eingesetzt. [4] Vor allem bei kleineren Wärmenetzen verwendet man heute zunehmend Abwärme aus Blockheizkraftwerken (zum Beispiel Verstromung von Biogas, Pellets, Hackschnitzel) oder Wärme aus Hackschnitzelheizwerken.

Bivalente Heizungen

Heizanlagen, die mehrere Wärmequellen nutzen, werden als polyvalente Heizung bezeichnet (bivalent = zweiwertig). Beispiele:

  • Allesbrenner (klassischer Holz- bzw. Kokskessel) sind polyvalent
  • kombinierte Solar-Brenner-Heizungen ( Solarthermie und Öl/Holz/Gas etc.), Scheitholz-Kombianlagen (Holzvergaser mit Pelletsmodul), und andere.

Anlagen für mehr als zwei Energieformen gibt es auch in der Kraftwerkstechnik.

Trivalente Heizungen

Heizanlagen, die drei Wärmequellen nutzen, werden als trivalente Heizung (trivalent = dreiwertig) oder Hybrid-Heizungen bezeichnet. Beispiel:

 

Warmwasserheizung

Eine Warmwasserheizung besteht aus einem zentralen Wärmeerzeuger ( Heizkessel, Kombitherme), der/die das Wärmeträgermedium Wasser erwärmt und mit Hilfe einer Umwälzpumpe oder aber (selten) durch den Dichteunterschied des unterschiedlich warmen Wassers ( Schwerkraftheizung; Thermosiphonprinzip) über Rohrleitungen zu den Heizkörpern ( Radiatoren, Heizleisten) pumpt. Diese geben durch Konvektion einen Teil der Wärmeenergie an die Raumluft ab. Das abgekühlte Wasser fließt über die Rücklaufleitungen zurück zum Wärmeerzeuger. Bei einer Einrohrheizung, die einen schlechteren thermischen Wirkungsgrad hat, ist kein separater Rücklauf vorhanden - die Heizkörper sind hydraulisch in Reihe angeordnet.

Die Warmwasserheizung arbeitet mit Vorlauftemperaturen zwischen 30 °C ( Niedertemperaturheizsystem) und 90 °C. Durch größere Dimensionierung der Radiatoren bzw. Einsatz einer Fußboden- oder Wandheizung kann mit einer niedrigen Vorlauftemperatur auch die Energie aus dem Rauchgas genutzt werden. Man spricht dann von Brennwerttechnik ( Brennwert), im Gegensatz zur bisher üblichen Heizwerttechnik ( Heizwert). Da nun säurehaltiges Wasser aus der Abluft kondensiert, muss der Kamin passend beschaffen sein.

Zum Ausgleich von Druckschwankungen infolge Erwärmung und Abkühlung des Wassers im System ist zwingend ein Membranausdehnungsgefäß (MAG) erforderlich. In älteren Heizungsanlagen findet man vereinzelt auch am höchsten Punkt der Heizungsanlage offene Reservoirs.

Zum Befüllen des Heizungssystems wird üblicherweise Leitungswasser genutzt, das über einen Rückflussverhinderer (Füllarmatur, die einen Rückfluss aus dem Heizungsrohrnetz ins Trinkwassernetz verhindert) in den Heizkreis geleitet wird.

Im Leitungsnetz befindliche Luft muss über Entlüfter an den einzelnen Heizkörpern und bei größeren Anlagen an Luftblasenabscheidern (selbsttätige Entlüfter) aus dem Wasserkreislauf entfernt werden, damit alle Heizkörper vollflächig mit Heißwasser versorgt werden können und es nicht zu Geräuschbelästigungen (Fließgeräusche) und Korrosion im Netz kommt.

Für den optimalen Betrieb einer Warmwasserheizung ist ein hydraulischer Abgleich erforderlich. Hierzu wird vor dem Bau der Anlage eine Rohrnetzberechnung durchgeführt. Der hydraulische Abgleich ist sowohl in der VOB Teil C als auch in der Energieeinsparverordnung gefordert und wird vom Heizungsbauer bzw. (seit 2003) Anlagenmechaniker für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik durchgeführt. Ohne hydraulischen Abgleich werden die Heizkörper u. U. unterschiedlich warm und die Umwälzpumpe braucht mehr elektrische Arbeit ( kWh) als nötig.

 

Quellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Heizanlage
http://de.wikipedia.org/wiki/Solarheizung
http://de.wikipedia.org/wiki/Erdw%C3%A4rmeheizung
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrogeb%C3%A4udeheizung

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