Zweitprüfer - OPUS 4 · Leitfaden für die Modernisierungsplanung von Nahwärmeheizzentralen im...

eingereicht beiProf. Dr.-Ing. D. WolffInstitut für Heizungs- u. Klimatechnik

ZweitprüferProf.Dr.-Ing. BrüggemannInstitut für Heizungs- u. Klimatechnik

vorgelegt vonClas von Dwingelo-LüttenMatr. Nr. 9873050

Bremen, Dezember 2005

Leitfaden für die Modernisierungsplanung vonNahwärmeheizzentralen im Wohnungsbau

Kurzfassung (Abstract)

Die Nahwärme ist eine Art der Wärmeversorgung, bei der die Erzeugeranlage, anders als beider Fernwärme, in unmittelbarer Nähe der Verbraucher angeordnet ist. Kleine Nahwärme-Heizzentralen bis 5 MW gleichen in Funktion und Aufbau einer herkömmlichen Pumpen-Warmwasserheizung. Sie können z.B. im Keller oder Dachgeschoss eines hohen Gebäudesoder auch in separaten Heizhäusern untergebracht sein. Der Einzugsbereich von Block-heizungen dieser Art beschränkt sich meist auf einzelne Großobjekte bzw. Liegenschaften wieetwa Schulen, Kasernen, Krankenhäuser und Industriebetriebe oder auch auf eine begrenzteAnzahl benachbarter Wohngebäude (Siedlungen).

Themenschwerpunkt der vorliegenden Diplomarbeit ist die Erarbeitung von Grundsatz- undLeitgedanken der Modernisierungsplanung sowie die Entwicklung von Standardlösungen undEntwurfsplanungen für die Sanierung von Nahwärmeheizzentralen im Wohnungsbau. Anhandmesstechnischer Untersuchungen an zwei Heizzentralen und einer normativen Heizlastbe-rechnung konnte ein auf monatlichen Gasabrechnungsdaten beruhendes und mit geringemArbeitsaufwand durchführbares Verfahren der Anlagenbemessung für die Bestandsmoderni-sierung praktisch erprobt und verifiziert werden. Weiterhin konnte anhand vonEnergieeinspar- und Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen der allgemeine Nutzen einerAnlagensanierung aufgezeigt und begründet werden. Anlass und Hintergrund der Arbeit wardie anstehende Modernisierung von 10 Nahwärmeheizzentralen (Leistungsbereich 1,5 bis 6MW) im Bestand eines großen Wohnungsbauunternehmens in Bremen.

Im ersten Kapitel sind die Grundzüge der Konzeptionierung, des Betriebes, der hydraulischenEinbindung, der Regelung und der Dimensionierung moderner Mehrkesselanlagen aufgezeigtund zu konkreten Planungs- und Ausführungsempfehlungen verdichtet worden. DieErgebnisse fließen unmittelbar in fünf ausführlich beschriebene und mit Regelschemendargestellte Entwurfsplanungen ein, die prinzipiell als Grundlage für die weiterführendenAusführungsplanungen der zur Modernisierung vorgesehenen Anlagen herangezogen werdenkönnen.

Anhand des von Deutscher und Rouvel veröffentlichten Verfahrens des normiertenEnergieaufwandes zur energetischen Bewertung haustechnischer Anlagen wird im zweitenKapitel die sanierungsbedingte Effizienzsteigerung einer kürzlich erneuerten Heizzentralegegenüber dem unsanierten Bestand nachgewiesen. Als Bewertungsmaßstab derWirtschaftlichkeit dient der nach dem LEG-Verfahren definierte Kennwerte „Kosten jeeingesparter kWh“.

Leitfaden für die Modernisierungsplanung von Nahwärmeheizzentralen im Wohnungsbau

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1 NAHWÄRMEVERSORGUNG IN WOHNSIEDLUNGEN - GRUNDSÄTZE,TECHNOLOGIEN, PLANUNG UND BETRIEB VON BLOCKHEIZWERKEN................ 4

1.1 Begriffsdefinition ............................................................................................................................................ 4

1.2 Kesselanlagen in der Nahwärmeversorgung................................................................................................51.2.1 Einzuhaltende hydraulische und thermische Betriebsbedingungen ............................................................5

1.2.1.1 Wärmeerzeuger- Volumenströme ......................................................................................................51.2.1.2 Mindestrücklauf- und Kesselwassertemperatur .................................................................................51.2.1.3 Mindestabgastemperatur/-abgasvolumenströme ................................................................................51.2.1.4 Anlagenbetrieb mit Brennwertnutzung – Eigenschaften und Anforderungen...................................6

1.2.2 Bestimmende Größen der Kesselwirtschaftlichkeit .....................................................................................71.2.2.1 Abgasverluste .....................................................................................................................................71.2.2.2 Strahlungs- und Konvektionsverluste ................................................................................................71.2.2.3 Restsauerstoffgehalt im Abgas ...........................................................................................................71.2.2.4 Innere Auskühlung durch Schornsteinzug .........................................................................................71.2.2.5 Wärmeentzug und Schadstoffentwicklung bei Brennerschaltvorgängen ..........................................71.2.2.6 Zusammenführung und Gewichtung der Verlustkennwerte ..............................................................81.2.2.7 Der Kesselwirkungsgrad ....................................................................................................................81.2.2.8 Der Nutzungsgrad...............................................................................................................................81.2.2.9 Der normierte Energieaufwand nach Deutscher/Rouvel....................................................................91.2.2.10 Einfluss von Überdimensionierungen auf die Wirtschaftlichkeit des Kesselbetriebes....................13

1.2.3 Regelung der Erzeugerleistung ..................................................................................................................141.2.3.1 Anwendung mehrstufiger und modulierender Brenner....................................................................141.2.3.2 Strategien der Kesselfolge und Lastanpassung in Mehrkesselanlagen ............................................14

1.2.4 Kesselanlagen-Konzepte............................................................................................................................151.2.4.1 Entscheidung zwischen einer Ein- oder Mehrkesselanlage .............................................................151.2.4.2 Leistungsaufteilung und Kombination von NT- und Brennwertkesseln in Mehrkesselanlagen.....16

1.2.5 Einsatz von Brennwerttechnik ...................................................................................................................161.2.5.1 Grenzen der Anwendung ..................................................................................................................161.2.5.2 Brennwert-Kesselthermen mit Zwangsdurchlaufprinzip .................................................................171.2.5.3 Naturumlaufkessel mit interner Abgaskondensation .......................................................................171.2.5.4 NT-Kessel mit Abgaskondensation in nachgeschalteten Wärmetauschern .....................................17

1.2.6 Kesseldimensionierung ..............................................................................................................................181.2.6.1 Bemessungsgrundlagen ....................................................................................................................181.2.6.2 Gebäude- Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 .......................................................................181.2.6.3 Berechnung der Wärmeerzeugerleistung zur Trinkwarmwasserbereitung nach DIN 4708 ............191.2.6.4 Alternative Verfahren der Heizlastermittlung im Gebäudebestand.................................................20

1.3 Hydraulik der Wärmeerzeugung und Verteilung .....................................................................................221.3.1 Gliederung von Heizungsnetzen ................................................................................................................221.3.2 Anschluss (Kopplung) von Kessel- und Verteilkreis ................................................................................22

1.3.2.1 Differenzdruckbehafteter Anschluss ................................................................................................241.3.2.2 Differenzdruckloser Anschluss ........................................................................................................26

1.3.3 Hydraulische Einbindung von Grundlast- und Folgekesseln ....................................................................291.3.3.1 Erzeuger mit konstanter Feuerungsleistung .....................................................................................291.3.3.2 Erzeuger mit variabler Feuerungsleistung........................................................................................291.3.3.3 Einbindung von Kesseln stark unterschiedlicher Bauart und Leistung ...........................................30

1.3.4 Gewährleistung von Mindest-Rücklauftemperaturen und Umlaufwassermengen im Kesselkreis ...........321.3.4.1 Kesselrücklaufanhebung mit Kesselbeimischpumpe .......................................................................321.3.4.2 Kesselrücklaufanhebung mit 3-Wege-Ventil ...................................................................................321.3.4.3 Kesselrücklaufanhebung über eine hydraulische Entkopplung .......................................................33

1.4 Zusammenfassung ........................................................................................................................................35


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2 BETRIEBSANALYSE ZWEIER NAHWÄRME-HEIZZENTRALEN IMWOHNUNGSBAU-BESTAND .......................................................................................37

2.1 Beschreibung der Heizzentralen .................................................................................................................372.1.1 Heizzentrale Kirchweg 119 (Baujahr 1972) ..............................................................................................382.1.2 Heizzentrale Kirchweg 125 (Baujahr 2004) ..............................................................................................392.1.3 Ausstattung beider Heizzentralen mit Messgeräten zur Aufzeichnung von Last- undTemperaturverläufen ................................................................................................................................................40

2.2 Effizienzuntersuchung einer Sanierungsmaßnahme .................................................................................412.2.1 Aufnahme von Anlagenkennlinien nach dem Verfahren von Deutscher/Rouvel .....................................422.2.2 Nachweis modernisierungsbedingter Energieeinsparungen bei der Heizzentrale „Kirchweg 125“ .........472.2.3 Prognose von Energieeinsparungen durch Modernisierung der Heizzentrale „Kirchweg 119“ ...............482.2.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Anlagensanierung am „Kirchweg 119“ ..........................................49

2.3 Erprobung eines verbrauchsbasierten Verfahrens der Heizlastermittlung ...........................................512.3.1 Ergebnisse der verbrauchsbasierten Heizlastermittlung............................................................................512.3.2 Ergebnisse der Bedarfsberechnungen nach DIN EN 12831 und DIN 4708 ..............................................54

2.3.2.1 Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 für das Nahwärmenetz am Kirchweg 119.....................542.3.2.2 Berechnung des Spitzenbedarfes zur Warmwasserbereitung nach DIN 4708.................................55

2.3.3 Ergebnisse ausgewerteter Tagesgänge der Anlagenleistung .....................................................................57

2.4 Ergebniszusammenfassung der Betriebsanalysen .....................................................................................622.4.1 Allgemeine Betrachtungen für die zur Modernisierung vorgesehenen Anlagen.......................................62

2.4.1.1 Netzbetrieb und Systemtemperaturen ..............................................................................................622.4.1.2 Dämmstandard der Anlagenkomponenten und Kessel ....................................................................62

2.4.2 Betrachtung der Heizzentrale am Kirchweg 119 (Altanlage)....................................................................632.4.2.1 Störung im Regelsystem des Brenner- und Lastprogrammes ..........................................................632.4.2.2 Brennerbetrieb und vorherrschende Kesseldimensionierung...........................................................632.4.2.3 Prognose von Energieeinsparungen im Falle der Anlagenmodernisierung .....................................63

2.4.3 Betrachtung der Heizzentrale am Kirchweg 125 (Neuanlage) ..................................................................642.4.3.1 Brennerbetrieb und vorherrschende Kesseldimensionierung...........................................................642.4.3.2 Nachweis von modernisierungsbedingten Energieeinsparungen.....................................................65

2.4.4 Abgleich der verbrauchsbasiert ermittelten Heizlast mit den Ergebnissen anderer Verfahren.................662.4.4.1 Ergebnisübersicht .............................................................................................................................662.4.4.2 Diskussion der Ergebnisse ................................................................................................................662.4.4.3 Schlussfolgerung ..............................................................................................................................69

3 MODERNISIERUNGSKONZEPTE......................................................................... 70Konzept 1: Einbindung zweier gleichartiger NT-Kessel über eine hydraulische Weiche (Dreiweg-Ventile) .......70Konzept 2: Einbindung zweier gleichartiger NT-Kessel über eine hydraulische Weiche (Regelpumpen)............72Konzept 3: Einbindung zweier gleichartiger Brennwertkessel über eine hydraulische Weiche ............................74Konzept 4: Einbindung zweier gleichartiger Brennwertkessel über einen Verteiler/Sammler Anschluss ............77Konzept 5: Einbindung eines Grund- und eines Spitzenlastkessels über eine hydraulische Weiche.....................79

4 QUELLENVERZEICHNIS.......................................................................................82


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1 Nahwärmeversorgung in Wohnsiedlungen -Grundsätze, Technologien, Planung und Betrieb vonBlockheizwerken

1.1 Begriffsdefinition

Im Gegensatz zur Fernwärme, die zur Versorgung ganzer Stadtteile mittels Großfeuerungs-anlagen oder auch bei der Stromerzeugung in industriellem Maßstab erzeugt wird, ist dieNahwärme eine Art der Wärmeversorgung, bei der die Erzeugerstelle in unmittelbarer Nähe derVerbraucher angeordnet ist. Kleine Nahwärme-Heizzentralen bis 5 MW können z.B. im Kelleroder Dachgeschoss eines hohen Gebäudes untergebracht sein. Größere Anlagen stehen meist inseparaten Gebäuden und sind an ihrem markanten Schornstein zu erkennen. Der Einzugsbereichdieser Blockheizungen beschränkt sich auf einzelne Großobjekte bzw. Liegenschaften wie etwaSchulen, Kasernen, Krankenhäuser und Industriebetriebe oder auch auf eine begrenzte Anzahlbenachbarter Wohngebäude (Siedlungen). Zur Anwendung kommen üblicherweise Kessel-anlagen aber auch Blockheizkraftwerke (BHKW), sofern denn eine gleichmäßige Auslastunggewährleistet ist und ausreichende Erlöse aus dem Verkauf elektrischer Überschussenergie diehöheren Investitionskosten rechtfertigen. Betreiber ist meistens der Hauseigentümer, obwohlauch Energiedienstleistungsunternehmen, so genannte Contractor, die Betriebsführung, Instand-haltung und Finanzierung der Anlage übernehmen. Sie erhalten dafür vom Gebäudeeigentümerbzw. den Nutzern ein vereinbartes Entgelt für die gelieferte Wärme.

Nahwärmeanlagen entsprechen in Bauart und Betriebsweise einer großen Pumpenwarmwasser-heizung. Die Verteilleitungen des Nahwärmenetzes sind zumeist unterirdisch im Zweileiter-system verlegt. Als Wärmeträger kommt Warmwasser mit Temperaturen bis 100°C bzw.Heißwasser bis maximal 120°C zum Einsatz. Oft wird die Vorlauftemperatur bereits in derHeizzentrale in Abhängigkeit der Außentemperatur geregelt, wobei besonders im Wohn-siedlungsbereich eine konstant/gleitende Betriebsweise mit Beibehaltung einer ganzjährigenMindestvorlauftemperatur von 60…70°C zum Betrieb dezentraler Warmwasserbereiterverbreitet ist. Von Nachteil sind hier die vergleichsweise hohen relativen Verteilverluste imSommer. Auch ist eine Nachregelung der Vorlauftemperatur in den einzelnen Gebäuden häufignicht vorgesehen, wodurch eine nachträgliche Anpassung an veränderte Lastbedingungen, z.B.nach einer energetischen Gebäudesanierung, erschwert wird. Prinzipiell ist aber auch in derNahwärmeversorgung neben der direkten – das Heizwasser wird unmittelbar von den Netz-pumpen durch die Verbraucher gefördert – auch die indirekte Übergabe mittelseiner Übergabe-station möglich. Da die Kosten zur Umwälzung des Heizwassers einen wesentlichen Anteil anden Betriebskosten haben, werden auch in der Nahwärmeversorgung großeAuslegungsspreizungen angestrebt.


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1.2 Kesselanlagen in der Nahwärmeversorgung

1.2.1 Einzuhaltende hydraulische und thermische BetriebsbedingungenZur Vermeidung von Störungen bzw. Schäden und zur Gewährleistung des wirtschaftlichenBetriebes von Kesselanlagen sind verschiedene von der Kesselkonstruktion abhängige und vomHersteller angegebene Randbedingungen einzuhalten. Eine Aufzählung wichtiger Parameter istim BDH Informationsblatt Nr.2 [1] angegeben.

1.2.1.1 Wärmeerzeuger- VolumenströmeWichtige Vorgaben, die einen ausreichenden Abtransport der Wärme und eine störungsfreieDurchströmung gewährleisten, sind Grenzwerte einzuhaltender minimaler oder maximalerVolumenströme. Sie stehen meist im Zusammenhang mit einer von der Kesselnennleistungbestimmten Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf. Kessel mit großem Wasserinhalt(Naturumlaufkessel) sind seltener von Forderungen an einen Mindestumlauf betroffen, da siekurzzeitige Wärmeüberangebote bei geringer verbraucherseitiger Abnahme im eigenen Volumenpuffern können. Lediglich Wärmespannungen, die sich aus einer Temperaturschichtung ergebenkönnen und die Gefahr von örtlichen Überhitzungen (ev. mit Dampfbildung) infolgeungenügender Durchmischung des Kesselwassers sind zu verhindern. Als Richtwerte werden in[33] maximal zulässige Spreizungen von 30 K für Gusskessel und 50 K für Stahlkesselangegeben. Ausschlaggebend sind jedoch immer die Herstellerangaben.

Kesselthermen (Zwangsdurchlaufkessel) sind besonders bei Brennerstarts in gedrosseltenVerbraucherkreisen anfällig für Überhitzungen der internen Heizflächen. HäufigeSchaltvor-gänge können unter diesen Einsatzbedingungen nur durch zusätzliche Pufferspeicher bzw. dieBeimischung von Vorlaufwasser in den Rücklauf vermieden werden. Letzteres wirkt sich stetsungünstig auf eine mögliche Brennwertnutzung aus, da die Beimischung, besonders imZusammenspiel mit Thermostatventil geregelten Heizkreisen, selten eine zeitlich begrenzteErscheinung ist.

1.2.1.2 Mindestrücklauf- und KesselwassertemperaturHeizkesselbauarten, die auf die bei niedrigen Abgastemperaturen zwangsläufig eintretendeAbgaskondensation mit Korrosionserscheinungen reagieren, benötigen zur Sicherstellung einestrockenen Betriebes eine vom Brennerbetrieb, Brennstoff und Kesselkonstruktion abhängigeMindestrücklauftemperatur. Zur Einhaltung dieser Betriebsbedingungen werden externehydraulische Maßnahmen zur Rücklaufanhebung vorgesehen. Neuere Niedertemperaturkesselerfordern aufgrund interner Rücklaufvorwärmungen nur noch eine untere Begrenzung derKesselwassertemperatur. Das bedeutet, dass die Kesseltemperatur erst oberhalb von 50°C bei Öl-und oberhalb von 60°C bei Gasfeuerungen gleitend der Witterung angepasst werden kann. DieseBetriebsbedingungen können mit geringem Aufwand durch entsprechende Regelung undDurchflussbegrenzungen im Anfahrzustand sichergestellt werden.Bei Brennwertkesseln kann auf jede Art von Anhebung oder untere Begrenzung verzichtetwerden. Die Abgaskondensation ist hier ausdrücklich erwünscht.

1.2.1.3 Mindestabgastemperatur/-abgasvolumenströmeMindestabgastemperaturen bzw. -volumenströme sind von Bedeutung, wenn für den imTeillastbetrieb überdimensionierten Schornstein Versottungsgefahr besteht. Dies ist häufig derFall, wenn mehrstufige oder modulierende Brenner nicht in Verbindung mit taupunktsicherenAbgasleitungen betrieben werden. Letzteres kommt vor, wenn bestehender Heizungsanlagenohne entsprechende Schornsteinsanierung teilmodernisiert werden. Im Betrieb müssen dannBrennerleistungen unter 40% der Kesselleistung vermieden werden [2].


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1.2.1.4 Anlagenbetrieb mit Brennwertnutzung – Eigenschaften und Anforderungen

Durch die Nutzung von Gas-Brennwerttechnik kann gegenüber modernen Niedertemperatur-Heizkesseln zusätzlich 9 bis 12% und bei Öl-Brennwerttechnik bis zu 5% Energie eingespartwerden [17]. Unter Brennwertnutzung versteht man die Gewinnung der im Abgas-Wasserdampfenthaltenen latenten Wärme durch beabsichtigte Taupunktunterschreitung an speziell dafürgeeigneten Wärmeübertragerflächen. Treibende Größe ist die Temperaturdifferenz zwischenAbgastaupunkt und Rücklauftemperatur des angeschlossenen Heizsystems. Die Taupunkt-temperatur steigt mit dem Wasserstoffanteil des Brennstoffes und dem Abgas-CO2-Gehalt beisinkendem Luftüberschuss. Sie liegt bei Gas-Gebläsebrennern (Erdgas H) mit einem Luftüber-schuss von 1,2 (57°C) etwas günstiger als bei der Verbrennung von Heizöl EL (ca. 47°C). DamitKondensation eintritt, muss die Rücklauftemperatur am Wärmeübertragereintritt unterhalb dieserTemperaturen liegen. Realistische Kondensatmengen mit pH-Werten von 3,5 bis 4,5 liegen beiGasfeuerungen mit nachgeschalteten Abgaswärmerückgewinnern bei ca. 1 kg/m3

Erdgas [18]. BeiAnlagen ab 25 kW und generell bei Ölfeuerungen ist in Absprache mit der Abwasserbehörde zuprüfen, ob eine Neutralisation auf pH-Werte oberhalb von 6,5 stattfinden muss. Richtlinien gibtdas ATV-Merkblatt A251 [20] vor. Auch im Abgasweg fällt weiter Kondensat aus, weshalbBrennwertgeräte zwingend mit feuchteunempfindlich Abgasanlagen kombiniert werden müssen.Die AMEV-Hinweise zum Planen und Bauen von Wärmeversorgungsanlagen für öffentlicheGebäude [19] empfehlen für Brennwertkessel den Einsatz stufenlos (modulierend) geregelterBrenner mit weit gespreiztem Regelverhältnis von 25…100% und begründen dies mit einer imTeillastbereich höheren Kondensatnutzung gegenüber 2-stufigen-Brennern.

Hauptkriterien zur Erlangung hoher Nutzungsgrade sind mit Priorität entsprechend derdargestellten Aufzählungsreihenfolge nach [22]:

o Einstellung von niedrigen Auslegungsheizwassertemperaturen am zentralen Kesselregler,

o möglichst Verzicht auf den Einsatz von Überströmventilen zur Aufrechterhaltung einesKesselmindestwasservolumenstromes,

o möglichst Aufstellung des Wärmeerzeugers (und des Trinkwasserspeichers) im beheiztenBereich,

o Einsatz einer witterungsgeführten Kessel-/Vorlauftemperaturregelung anstelle einerzentralen Raumtemperaturregelung,

o Möglichst niedrige Heizwassertemperaturen, z.B. durch eine alleinige Flächenheizung;(…),

o optimierte regelungstechnische und hydraulische Einbindung vonTrinkwarmwasserspeichern insbesondere bei zusätzlicher solarer Warmwasserbereitung,

o Wärmeerzeuger mit optimierten Pumpen oder – besser Kesselkonstruktionen mitausreichendem Wasserinhalt und geringem hydraulischem Widerstand – ohne integriertePumpen,

o Kesselkonstruktionen mit modulierenden Brennern bei großem Modulationsbereich sowiemit optimierten Heizflächen im Feuerraum, bei denen die Abgastemperaturen nurgeringfügig über den Kesselwasser-Rücklauftemperaturen liegen.


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1.2.2 Bestimmende Größen der Kesselwirtschaftlichkeit

1.2.2.1 AbgasverlusteAbgasverluste sind ausschließlich während der Brennerlaufzeiten auftretende Verluste ausungenutzter Abgaswärme und unvollständig verbrannten Brennstoffanteilen. Sie werden von derKesselwassertemperatur, der mittleren Dauer der Brennerlaufzeit, der vorherrschendenFeuerungsstufe bei mehrstufigen Brennern bzw. dem Modulationsgrad, dem Luftüberschuss beider Verbrennung und der Abgastemperatur bestimmt. Eine Minderung der absoluten Verlustetritt bei Teillastbetrieb infolge verminderter Abgasvolumenströme und -temperaturen ein, sofernein stetiger Brennerbetrieb ohne häufiges Takten vorherrscht. Konsequent ist die Definition derAbgasverluste unter Einbeziehung der im Abgas-Wasserdampf enthaltenen latenten Wärme.

1.2.2.2 Strahlungs- und KonvektionsverlusteStrahlungs- und Konvektionsverluste entstehen an den Kesseloberflächen infolge einerbestehenden Temperaturdifferenz zwischen Umgebung und Kesselhülle. In der Literatur [3], [4],[7] wird eine Differenzierung zwischen den physikalisch gleichartigen Bereitschafts- undStrahlungsverlusten vorgenommen. Bereitschaftsverluste kennzeichnen die Oberflächenverlustebei Brennerstillstand und schließen auch eine mögliche innere Auskühlung mit ein. Strahlungs-verluste sind als Oberflächenverluste während der Brennerlaufzeit definiert. Sie enthalten,ergänzend zu den auch im Betrieb unverändert auftretenden Oberflächenverlusten,nochzusätzliche Verluste von abgasdurchströmten Bauteilen. Letztere sind abhängig von der Abgas-temperatur und damit lastabhängig. Eine erhebliche Reduzierung gegenüber Kesseln aus den70’er und 80’er Jahren wird bei modernen Kesseln durch effiziente Wärmedämmung, kompakteBauweise und gleitende Kesselwassertemperaturen erreicht. Bei alten Kesseln liegen dieseVerluste zusammen oft bis über 100% über den Abgasverlusten, was oft mehr als 20% desBrennstoffverbrauches ausmacht. Heute ist eine Reduktion der Bereitschaftsverluste auf 1/10 derfrüheren Werte - etwa 1 bis 2% der Feuerungsleistung - Standard [3]. Das Taschenbuch fürHeizung + Klimatechnik [13] nennt eine auf die Feuerungsleistung bezogene Verlustbandbreitevon 3…5% für alte und von 0,5 bis 2% für neue Kessel.

1.2.2.3 Restsauerstoffgehalt im AbgasEin wichtiges Kriterium zur Begrenzung der Abgasverluste und Gewährleistung hoherTaupunkttemperaturen für die Brennwertnutzung ist ein Feuerungsbetrieb mit einem Minimuman Luftüberschuss. Dieser sollte möglichst kontrolliert über den gesamten Lastbereich derFeuerung geregelt werden. Eine überstöchiometrische Betriebsweise ist zur Sicherstellung dervollständigen Verbrennung aber stets erforderlich.

1.2.2.4 Innere Auskühlung durch SchornsteinzugSobald der Feuerraum eines Kessels Betriebstemperatur hat und die verhältnismäßig kalteUmgebungsluft bei Kesselstillstand ungehindert Zutritt hat, entstehen Auskühlverluste infolgedes Schornsteinzuges. Nach Wiedereinschaltung des Brenners muss dann zusätzliche Energie zurWiederaufheizung der inneren Kesseloberflächen aufgebracht werden. Um diese Auskühlung zuverhindern, sind in heutigen Gebläsebrennern Klappen eingebaut, die während des Stillstandesschließen.

1.2.2.5 Wärmeentzug und Schadstoffentwicklung bei BrennerschaltvorgängenVor jeder Zündung eines Gebläsebrenners wird aus Sicherheitsgründen zunächst der Brennraummit Verbrennungsluft aus dem Aufstellraum gespült. Der Luftstrom bewirkt dabei einen Wärme-entzug, der zur Abkühlung der inneren Kesselwandungen führt. Eine erhöhte Freisetzung vonKohlenmonoxid, Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen entsteht durch dieunvollständigen Verbrennung beim Auf- bzw. Abbau des Flammenbildes (Emissionsstöße [4]).


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Besonders bei hohen Schalthäufigkeiten summieren sich Schadstoffemissionen und Aufheiz-energien aus dem instationären Betrieb zu nennenswerten Größen. So liegen beispielsweise dieAnfahremissionen betragsmäßig in der gleichen Größenordnung und zum Teil noch höher als diestationären Emissionen, obwohl die Anfahrphase eines Brenners nur 1/100 bis 1/20 der gesamtenBrennerlaufzeit ausmacht [5]. Ein wirtschaftlicher Kesselbetrieb kann daher nur stattfinden,wenn die Zahl der Start- und Stoppvorgänge auf ein Minimum beschränkt wird.Die Schalthäufigkeit wird zum Einen von dem Verhältnis des Kesselwasserinhaltes zumKesselwasservolumenstrom – bei großen Speichermassen und geringer Entnahme erfolgt eineVerlängerung der Stillstandszeiten - und zum Anderen durch die Fähigkeit des Brennersbeeinflusst, die Feuerungsleistung bis möglichst weit in den Teillastbereich hinein herunter zuregeln. Im letzteren Fall wird beispielsweise durch Brennermodulation eine Verlängerung derdurchschnittlichen Laufzeit erreicht.

1.2.2.6 Zusammenführung und Gewichtung der VerlustkennwerteDie beschriebenen Verlustarten des Kesselbetriebes können zu übergeordneten Verlustkenn-werten zusammengefasst werden. In der Literatur [6] wird zwischen lastunabhängigen Verlusten,die während des Brennerbetriebes wie auch in der Bereitschaftszeit weitgehend konstant sindund solchen unterschieden, die praktisch linear mit der Kesselauslastung zunehmen. Letzterewerden aus einer Zusammenführung mittlerer Abgas- und Strahlungs-verluste gebildet. Diewährend der gesamten Betriebszeit weitgehend konstanten Verluste entsprechen denBereitschaftsverlusten.Aufgrund der bereits erwähnten Maßnahmen zur drastischen Reduzierung von Oberflächen-verlusten sind bei heutigen Kesseln nur noch die während des Brennerbetriebes auftretendenAbgasverluste von Bedeutung.

1.2.2.7 Der KesselwirkungsgradDer Kesselwirkungsgrad beschreibt das Nutzen/Aufwand-Verhältnis zwischen abgegebenerWärme- und aufgenommener Feuerungsleistung. Er ist eine statische Größe, da er sich auf einenmomentanen Lastzustand – z.B. bei Nennleistung - bezieht. Im Gegensatz zu einer echtenBetriebscharakteristik können nur aus dem Zusammenhang gelöste Einzelbetriebspunktedargestellt werden. Bei modernen Kesseln wird vor allem von dem Abgasverlust bestimmt.

1.2.2.8 Der NutzungsgradDer Nutzungsgrad ist das Nutzen zu Aufwand-Verhältnis von Energie- bzw. Wärmemengen, diein einem definierten Zeitintervall angefallenen sind. Anders als bei einem statischen Leistungs-verhältnis liegt ein Zeitraum zugrunde, der zweckmäßigerweise das volle Spektrumcharakteristischer Betriebszustände einschließlich deren zeitlicher Anteile erfasst. Damit werdenwichtige Einflussgrößen des dynamischen Betriebsverhaltens wie etwa Anfahrvorgänge,Teillastverhalten, Betriebsbereitschaftszeiten und der Aufwand zum Erreichen unterschiedlicherBetriebspunkte erfasst. Der Nutzungsgrad ist ein Kennwert der Energieausnutzung einerenergietechnischen Anlage. Eine andere Darstellungsform ist die Aufwandszahl e. Sie entsprichtdem Verhältnis von Aufwand zu Nutzen und ist demnach der Kehrwert eines Nutzungsgrades.

Üblich ist die Formulierung eines Jahresnutzungsgrades, der z.B. für Wirtschaftlichkeits-betrachtungen überschlägig nach Dittrich unter Hinzuziehung der jährlichen Feuerungslaufzeit,dem spezifischen Bereitschaftsverlust und dem Kesselwirkungsgrad gebildet werden kann. Beitemperaturgleitend- und modulierend bzw. stufig betriebenen Kesseln liefert dieses Verfahrenallerdings keine physikalisch richtigen Ergebnisse, da der Kesselwirkungsgrad trotz seiner indiesen Fällen starken Temperatur- bzw. Lastabhängigkeit als statische Größe in die Berechnungeinfließt. Der nach DIN 4702 [10] als Produkt-Vergleichsmaßstab konzipierte und auf Kessel-


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Prüfständen ermittelte Norm-Nutzungsgrad ist nur für die dort angegebenen und zum Teil weitvon der Realität abweichenden Norm-Belastungsbedingungen gültig (39% mittlere Kesselbe-lastung nach Norm gegenüber 9% realer Auslastung in durchschnittlichen Einfamilienhäusern,[22]). Zudem ist er ein alleiniger Gerätekennwert, der Einflüsse der angeschlossenen Heizungs-anlage im Zusammenspiel mit dem individuellen Nutzerverhalten vollständig ausklammert. Dieexakte Methode zur Ermittlung des realen Nutzungsgrades ist die Betriebsmessung vonBrennstoff- (Input) und abgegebener Wärmemenge (Output) an der bestehenden Anlage.

Der Nutzungsgrad als bezogener Kennwert der Energieausnutzung darf nur bedingt alsBewertungsmaßstab der energetischen Anlagenqualität verstanden werden. Obwohl inBetriebszuständen mit geringer Auslastung die absoluten Verluste kleiner werden, nimmt derNutzungsgrad infolge der im Verhältnis zu den Verlusten stärker abnehmenden Nutzwärme-abgabe ab. Die „relativen“ Verlustanteile am gesamten Energieaufwand werden also bei Teillastgrößer, was insofern zu einer verzerrten Darstellung führt, als dass eine – im Gegensatz zu dentatsächlichen Verlustverhältnissen - „Verschlechterung“ der energetischen Erzeugereigen-schaften suggeriert wird. Dieser Effekt wird bei NT- und Brennwertkesseln bis in den Bereichvon etwa 10 bis 15% durch den temperaturgleitenden Betrieb und verstärkte Brennwertnutzungkompensiert. Bei noch kleinerer Auslastung nimmt dann die Gewichtung der Kesselverlust-anteile gegenüber dem Nutzwärmeanteil immer mehr zu, was zu einem starken Abfall desNutzungsgrades führt. Im Bereich der Auslastung Null kann keine Aussage über den Energie-einsatz mehr getroffen werden. Der Nutzungsgrad beschreibt also lediglich den Grad derEnergieausnutzung in Abhängigkeit der vorherrschenden Lastbedingungen, ohne dass dietatsächlichen Verlusteigenschaften des Erzeugers ersichtlich werden. Soll die energetischeQualität einer Erzeugeranlage dargelegt werden, so bieten absolute Verlustkennwerte einenobjektiveren Maßstab.

Weiterhin ist zu beachten, dass der Nutzungsgrad keine alleinige Eigenschaft des Wärme-erzeugers ist. Vielmehr nimmt das gesamte Heizsystem über Wechselwirkungen zwischenErzeuger, Hydraulik und Regelung Einfluss.

Der Nutzungsgrad wird durch folgende Eigenschaften beeinflusst [8]:

- die eingestellte Feuerungsleistung (Kesselbelastung) bezogen auf dieKesselnennwärmeleistung; hierdurch werden primär die Abgasverluste beeinflusst,

- die Vor- und Rücklauftemperaturen des Heizsystems und die resultierendenKesseltemperaturen. Der Einfluss der Rücklauftemperatur ist vor allem beiBrennwertkesseln von großer Bedeutung.

- Die Kesselleistung bezogen auf den erforderlichen Wärmebedarf (Überdimensionierung)- Die Grenzbedingungen des angeschlossenen Schornsteins- Die Konstruktion und der Wasserinhalt- Die vom Kesselhersteller geforderten Betriebsbedingungen für den Kessel- Die Art der Kesseltemperaturregelung

1.2.2.9 Der normierte Energieaufwand nach Deutscher/RouvelDie Bewertungsmethodik des normierten Energieaufwandes liefert eine vollständigeBeschreibung der Betriebscharakteristik einer energietechnischen Anlage und erlaubt detaillierteRückschlüsse auf einzelne Verlustanteile. Anders als bei den bezogenen KennwertenAufwandszahl bzw. Nutzungsgrad wird bei diesem Verfahren auch der Bereich geringerAuslastungen eindeutig dargestellt. Weiterhin ist es möglich, anhand nur zweier gängigerErzeugerkennwerte die gesamte Betriebscharakteristik in Form einer Anlagenkennlinie zu


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bestimmen. Das Verfahren basiert auf dem für viele energietechnische Anlagen weitgehendlinearen Zusammenhang zwischen Energieaufnahme Wauf und Nutzenergieabgabe Wab [11].Abbildung 1 zeigt die Abhängigkeit. Man geht dabei von einer Dreiteilung der aufgenommenenEnergie in die Anteile Nutzenergieabgabe, lastunabhängige Verluste und lastabhängige Verlusteaus. Letztere stehen, wie bereits weiter oben ausgeführt, auch bei Heizkesselanlagen in einemnahezu linearen Verhältnis zur Nutzenergieabgabe. Die Bereitschaftsverluste entsprechen dabeidem konstanten Anteil. Entsprechend Abbildung 1 können diese Zusammenhänge mit einemPolynom ersten Grades dargestellt werden.

Man erhält die Gleichung:

abaufauf WaWW 0, (1)

mit

Wauf,0 = Bereitschaftsverlust

Allgemeingültiger wird die Aussage, wenn man die aufgenommene und abgegebene Energie aufdie maximal mögliche „Nenn-Energieabgabe“ (PN tB) der Anlage während einer vorgegebenenGesamtbetriebszeit tB normiert. Die Leistung PN würde bei einer Heizungsanlageder Nenn-wärmeleistung des Kessels entsprechen.

Man erhält die Terme:

wandEnergieaufnormiertertP

Ww

BN

aufauf (2)

tsverlusteereitschafnormierteBtP

Ww

BN

aufauf

0,0, (3)

AuslastungtP

W

BN

ab (4)

Damit lässt sich analog Gleichung (1) der Zusammenhang zwischen dem normierten Energie-aufwand und der Auslastung mit der Gleichung

aww oaufauf ,)( (5) darstellen.

Der Koeffizient a gibt die Steigung der Geraden an. Er kann aufgrund der linearen Abhängigkeitanhand zweier beliebiger Betriebspunkte – z.B. aus Messwerten – oder auch anhand einer

Nutzen

lastabhängige Verluste

lastunabhängige Verluste

Auslastung

wauf,0

K

1

K

Bq

Abbildung 1


11

Betrachtung des Volllastbetriebes ( =1) hergeleitet werden. In diesem Fall ergibt sich durchUmstellung der Gleichung (5):

0,)1( aufauf wwa (6),

worin sich der normierte Energieaufwand bei Volllast aus dem Zusammenhang

KBNK

BN

BNaufauf tP

tPtP

Ww111

)1()1( (7) ergibt.

Kaufw

1)1( (8)

Darin entspricht K dem Nenn-Kesselwirkungsgrad bei einer Auslastung von 100%. Er kannentweder aus Herstellerunterlagen entnommen, oder aus dem bekannten Zusammenhang

SaK qq1 (9) berechnet werden.

Im Berechnungsfall werden die spezifischen Abgasverluste qa einer Immissionsmessung, wie sieetwa bei der regelmäßigen Kontrolle durch den Schornsteinfeger anfällt (nicht kondensierendeKessel), entnommen. Zur Bestimmung der spezifischen Strahlungsverluste qS werden Hersteller-angaben bzw. Überschlagswerte herangezogen.

Der normierte Bereitschaftsverlust wauf,0 kann aus dem Quotienten der spezifischen auf dieFeuerungsleistung (Nennbelastung) bezogenen Bereitschaftsverluste qB und demKessel-wirkungsgrad gebildet werden. Dieser Zusammenhang wird deutlich, wenn der Quotienten umdie Betriebsdauer tB erweitert wird.

0,0,

,

0,auf

BN

auf

B

B

KNennauf

auf

B

B

K

B wtP

W

tt

P

P

ttq

(10) mitNennauf

oaufB P

Pq

,

, (11)

K

Bauf

qw 0, (13) und Baufauf tPW 0,0, (12)

Unter Verwendung der Gleichungen (6), (8) und (13) kann Gleichung (5) auch folgendermaßendargestellt werden:

aww oaufauf ,)( (5)

K

B

K

Bauf

qqw

1)( (14)

Die Anlagencharakteristik einer Heizkesselanlage kann also allein unter Verwendung der beidenParameter wauf,0 und a bzw. anhand der gängigen Kennwerte qB und K beschrieben werden.Weiterhin kann mit einfachen Mitteln ein Zusammenhang zu den alternativen


12

Bewertungskennwerten Nutzungsgrad und Energieaufwandszahl hergestellt werden. Dies sollnachfolgend dargelegt werden.

Erweitert man Gleichung (2) im Zähler und Nenner um Wab, wird ersichtlich, dass der normierteEnergieaufwand auch aus der Auslastung und dem Quotienten aus Energieaufwand und –abgabe berechnet werden kann.

ab

auf

ab

auf

BN

ab

BN

aufauf W

W

W

W

tPW

tP

Ww (15)

Der Quotient aus Energieaufwand und –abgabe einer energietechnischen Anlage entsprichtdefinitionsgemäß der Energieaufwandszahl e bzw. dem Kehrwert des Nutzungsgrades. Demnacherhält man die Beziehungen:

ewauf bzw.Nutz

aufw (16), (17)

Demzufolge können Nutzungsgrad und Energieaufwandszahl auch als Funktionen der Parameterwauf,0 und a dargestellt werden.

aw

e auf 0,)( (18)

0,)()(

1

aufNutz wae

(19)

Somit sind auch die Funktionsverläufe e = f( ) und Nutz = f( ) allein durch die Parameter wauf,0und a bestimmbar.


13

1.2.2.10 Einfluss von Überdimensionierungen auf die Wirtschaftlichkeit desKesselbetriebes

In bestehenden Heizungsanlagen ist heute oft eine erhebliche Überdimensionierung der Wärme-erzeuger festzustellen. Literaturangaben zufolge treten Faktoren von 1,3 … 5 auf, wobei eineÜberdimensionierung von 2,0 am häufigsten genannt wird [13]. Der Grund dafür liegt in denfrüher oft vorgesehenen Leistungsreserven, sowie der Anlagenmodernisierung ohne oder auf derGrundlage nur überschlägiger Berechnungen. Zudem bestehen Abweichungen zwischenberechneten Heizlasten und den in der Praxis tatsächlich auftretenden. Das Taschenbuch fürHeizung- und Klimatechnik [13] weist auf Literaturangaben hin, wonach in der Praxis meist10…15% niedrigere Heizlasten auftreten als nach der alten Norm DIN 4701 berechnet wurde.Auch die Notwendigkeit, die Wärmeerzeugung besonders in gut gedämmten Neubauten nach derLeistungsanforderung der Trinkwarmwasserbereitung auszulegen, führt zu Dimensionen jenseitsder eigentlichen Gebäudeheizlast. Die Folge ist ein Kesselbetrieb mit kleinen bis sehr kleinenAuslastungen von zum Teil weniger als 10% der Nennwärmeabgabe.

Die Auswirkungen eines solchen Betriebes müssen in Abhängigkeit des Anlagenbaualters undder Kesselbauart diskutiert werden. Überdimensionierungen der oben genannten Größenordnungstellen sich bei konventionellen Kesseln aus den 70’er und 80’er Jahren, die im Bestand noch oftanzutreffen sind, sehr ungünstig dar. Grund sind die mit größer werdender und schlechtgedämmter Kesseloberfläche ansteigenden Abstrahlungsverluste und die bei erhöhter Taktrateeinstufiger Brenner rapide zunehmenden Abgas- und Auskühlverluste. Ebenfalls kritisch sindstarke Überdimensionierungen der Feuerungsleistung bei Zwangsdurchlauf-Kesselthermen mitgeringem Wasserinhalt, da sie aufgrund der fehlenden Speichermasse auch bei kleinstemModulationsgrad zum Takten kommen. Ohne Nachteil auf die Energieausnutzung ist dieSituation dagegen bei kompakten Naturumlauf-Kesseln moderner Bauart mit üblicherweise gutgedämmten Oberflächen. Bei begrenzter Überdimensionierung von bis zu 50% sinkt dieSchalthäufigkeit sogar ab, wenn mindestens ein zweistufiger Brenner vorgesehen ist [8].Zusätzlich dominieren Betriebszustände mit reduzierter Brennerleistung und niedriger Abgas-temperatur, wodurch sich positive Auswirkungen auf den mittleren Abgasverlust und dieBrennwertnutzung ergeben. Durch diesen Effekt werden die mit dem Kesselvolumenzunehmenden und bei Überdimensionierung etwas größeren Bereitschaftsverluste mehr alsausgeglichen. Auch bei einstufigen Brennern ergeben sich infolge verkürzter Brennerlaufzeitenim Mittel niedrigere Abgastemperaturen. In diesem Fall ist jedoch auf die nur bei ausreichendemKesselwasserinhalt unproblematische Schalthäufigkeit zu achten.

Gründe, die Auslegungsleistung einer modernen Wärmeerzeugungsanlage so gering wie möglichzu halten, sind nachfolgend aufgeführt [2]

- Im Bereich der Gasfeuerung spielt der so genannte Anschlusswert, d.h. dieSpitzenleistung der Wärmeerzeuger, eine erhebliche Rolle

- Die Kosten der Wärmeerzeuger (…)- Eine möglichst kleine Teillast verringert die Schalthäufigkeit, wodurch der

Jahresnutzungsgrad optimiert wird- Beschränkung der Anlagenleistung auf Grenzwerte (…) für die Genehmigungsplanung- Platzbedarf bei der Sanierung und allgemeine Optimierungsüberlegungen


14

1.2.3 Regelung der Erzeugerleistung

Die Leistungsabgabe einer Ein- oder Mehrkesselanlage kann über Zu- und Abschaltungeinzelner Kessel oder Kesselstufen sowie durch Modulation von Brennerleistungen zwischen(10)..30…100% der jeweiligen Nennleistung beeinflusst werden. Da mit zunehmendemLuftüberschuss die abgasseitigen Verluste steigen, ist eine kontinuierliche Anpassung derVerbrennungsluftmenge an die veränderlichen Feuerungsleistungen bei heutigen Gebläse-brennern Standard. Die Anpassung folgt entweder anhand einer statischen Funktion demanliegenden Sollwert der Brennerleistung oder wird anhand gemessener Sauerstoffanteile imAbgasstrom geregelt. Als besonders vorteilhaft erweist sich die so genannte O2-Regelung inKombination mit einem drehzahlveränderlichen Gebläsemotor. Gegenüber Verbrennungsluft-Steuerungen, die in Abhängigkeit der anliegenden Brennerleistung den Luftstrom über Klappenbei ungeregeltem Gebläsemotor einstellen, können bei geregeltem Luftüberschuss um 2%geringere O2-Abgaswerte und ein verminderter Hilfsenergiebedarf erreicht werden [4].

1.2.3.1 Anwendung mehrstufiger und modulierender BrennerDurch Einsatz modulierender oder mehrstufiger Brenner mit nachgeführter Verbrennungsluft-anpassung sind besonders bei Brennwertkesseln günstige Betriebsbedingungen mit hohemKondensationsanteilen und niedrigen Abgasverlusten erreichbar. Die bei Modulation gegenübereinstufig betriebenen Brennern um den Faktor 8-10 [3] gesenkte Anzahl von Brennerstarts sorgtfür eine erhebliche Einsparung von Schadstoffemissionen. Hinsichtlich der Anlagendimen-sionierung ist zu beachten, dass auch modulierende Brenner im unteren Leistungsbereich in denTaktbetrieb übergehen. Der Vorteil der reduzierten Schalthäufigkeit kann also nur optimalgenutzt werden, wenn die untere Grenze des Modulationsbereiches nicht infolge erheblicherÜberdimensionierung den durchschnittlichen Bedarf der Verbraucher überschreitet. BeiWirtschaftlichkeitsbetrachtungen ist zu erwägen, dass im Zuge längerer Brennerlaufzeiten auchein höherer Bedarf an elektrischer Hilfsenergie anfällt. Demnach müssen die im Mittelgeringeren Abgas- und Strahlungsverluste den Zusatzaufwand rechtfertigen. Zur Minderung derInvestitionskosten ist es bei Mehrkesselanlagen oft sinnvoll, eine stetige Lastanpassungausschließlich für den Grundlasterzeuger vorzusehen. Damit ein häufiges Takten unterbleibt,muss allerdings die im Zuschaltpunkt konstant hinzukommende Leistung des Folgekesselskleiner sein als die gerade vorherrschende Gesamtlast abzüglich der unteren Modulationsgrenzedes Grundlasterzeugers. Dieser wird dann mit zurückgefahrener Leistung parallelweiterbetrieben und übernimmt bei weiter steigender Last wieder die stetige Anpassung.

1.2.3.2 Strategien der Kesselfolge und Lastanpassung in MehrkesselanlagenWie bereits dargelegt dominiert bei modernen Kesseln der Einfluss lastabhängiger undvornehmlich abgasbedingter Verluste bei nahezu vernachlässigbaren Kesselhüllenverlusten. ImGegensatz zu den früher üblichen konventionellen Kesselfolgeschaltungen, die die Lastanfor-derung mit kleinstmöglichem gleichzeitigen Kesseleinsatz zur Begrenzung der Oberflächen-verluste erbringen sollten, ist die Betriebsführung moderner Kessel auf die Optimierung derAbgasverluste auszurichten. Dies kann durch weitgehenden Parallelbetrieb mehrerer Kessel beikleiner Brennerstufe bzw. mit niedrigen Modulationsgraden erfolgen. Ein Einzelbetrieb istjedoch bei kleiner bis mittlerer Gesamtlast immer noch sinnvoll, da hierdurch das Takten desFolgekessels in seiner Grundlaststufe vermieden wird. Erst nach Überschreitung einerMindestlast, die den gleichzeitigen unterbrechungsfreien Betrieb von Führungs- und Folgekesselgewährleistet, sollte auf Parallelbetrieb umgeschaltet werden. Diese Strategie wird in [15] alsparalleler Folgebetrieb bezeichnet.


15

Als Maß der Anlagenauslastung bzw. Kriterium der Kessel- und Brennerregelung kann diegemeinsame Vorlauftemperatur, das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeiten bei stufigenBrennern oder auch der kontinuierlich gemessene Wärmeverbrauch herangezogen werden.Beim so genannten Gradientenverfahren wird das zeitliche Verhalten der gemeinsamen Vorlauf-temperatur ausgewertet. Im Betrieb wird dabei abgeschätzt, nach welcher Zeit die Anlage mitihrer vorherrschenden Leistung den von der Regelung vorgegebenen Sollwert erreicht. Die sovorausberechnete Brennerlaufzeit stellt ein Kriterium für die Zu- bzw. Abschaltung von Brenner-stufen bzw. Kesseln und die Veränderung von Modulationsgraden dar. Prinzipiell kann auch dieZuschaltung weiterer Kesselleistung so lange gesperrt werden, bis die Außentemperatur einenbestimmten Wert unterschreitet. Ist die Kesselkreishydraulik mit Überströmeinrichtungen,Kurzschlussstrecken oder hydraulischen Weichen ausgerüstet, so kann auch die Rücklauf-temperatur als Maß für die Heizkreisbelastung dienen. Sie steigt bei abnehmendem Wärme-bedarf infolge des geringeren Volumenstromes durch die Verbraucher [14], [15].

Bei der Abschaltung von Kesseln muss beachtet werden, dass diese zur Vermeidung unnötigerzirkulationsbedingter Wärmeverluste mit motorisch betriebenen Drosselklappen vom übrigenKesselkreis getrennt werden sollten. Die wasserseitige Abschottung und die Abschaltung derKesselpumpe darf allerdings erst nach einer Nachlaufzeit von ca. 30 Minuten erfolgen, damit dieim Kesselwasservolumen gespeicherte Restwärme genutzt wird und ein stetiger Betrieb desFührungskessels gewährleistet bleibt [33].

1.2.4 Kesselanlagen-Konzepte

1.2.4.1 Entscheidung zwischen einer Ein- oder MehrkesselanlageEntgegen der früheren Praxis sind moderne Einkesselanlagen mit lastabhängig geregeltenBrennern heute auch bei größeren Verbrauchern energetisch günstiger als Mehrkesselanlagen,solange das Lastspektrum der verbraucherseitigen Abnahme bei vorwiegend kontinuierlichemBrennerbetrieb gedeckt werden kann. Grenzen werden durch die Mindestleistung des Brennersgesetzt, der bei den im Jahresdurchschnitt mit großer Häufigkeit vorkommendenLastbedingungen nicht zum Takten mit großer Schalthäufigkeit kommen darf.Vorteile ergeben sich aus geringen Oberflächenverlusten in der Kernheizzeit und dem mitkleiner Kessel-Auslastung abnehmenden Abgasverlust. Neben energetischen Gründen sprechenauch geringere Investitions- und Wartungskosten für die Einkesselanlage. Von Nachteil ist dieim Störungsfall oder bei Wartung vollständig aussetzende Wärmeversorgung. Für eine Mehrkes-selanlage sprechen auch die besonders bei der Anlagensanierung meist eingeschränktenRaumverhältnisse und Einbringungsmöglichkeiten. Hier kann eine Aufteilung auf mehrerekleine Einheiten zwingend erforderlich sein, besonders wenn bei Dachheizzentralen einemaximal zulässige Deckenbelastung eingehalten werden muss.

Solange es die geforderte Versorgungssicherheit erlaubt, können folgende Anhaltswerteherangezogen werden [19]:

bis 0,4 MW - 1 Wärmeerzeugerüber 0,4 MW – 2 Wärmeerzeuger


16

1.2.4.2 Leistungsaufteilung und Kombination von NT- und Brennwertkesseln inMehrkesselanlagen

Heute ist die gleichprozentige Aufteilung der Anlagenleistung auf gleichartige NT- oderBrennwertkessel üblich. Die früher geltende Planungsempfehlung, unterschiedlich großeSommer- und Winterkessel vorzusehen, stammt noch aus Zeiten, als der Betrieb mit minimalerKessel-Oberfläche und bei hoher Einzel-Auslastung noch als vorteilhaft angesehen wurde. Heuteüberwiegen bei Einsatz stetig und mehrstufig regelbarer Brenner und guter Kesseldämmungdieplanungs- und betriebstechnischen Vorteile einer symmetrischen Aufteilung. Bei gleichartigenKesselkonstruktionen kann beispielsweise ein zyklischer Funktionstausch zwischen Führungs-und Folgekessel stattfinden, so dass sich gleiche Wartungsintervalle ergeben. Ebenso vereinfachtsich die Anlagenhydraulik und damit der Aufwand für Planung, Ausführung und Instandhaltung.Anders ist es, wenn zur Minderung der Investitionskosten ein Niedertemperaturkesselgemeinsam mit einem Brennwertkessel als Grundlasterzeuger zum Einsatz kommt. Hier mussuntersucht werden, mit welchem Kostenaufwand bei welcher Kesselaufteilung der größt-mögliche energetische und wirtschaftliche Nutzen eintritt. Die Optimierung sollte eine möglichsthohe Betriebsstundenzahl des Brennwertkessels ergeben, wobei dann auch eine ungleicheAufteilung der Auslegungsleistung mit höherem Grundlastanteil sinnvoll sein kann. Oft werdenaber auch schon bei gleichprozentiger Aufteilung Grundlast- bzw. Brennwerterzeuger-Anteilevon bis zu 85% der Jahresheizarbeit erreicht [21]. Zur individuellen Untersuchung derverbraucherseitig bestimmten Häufigkeitsverteilung der Heizlast hilft die Aufzeichnung einerJahresdauerlinie. Sie weist gemeinhin relativ kurze Nutzungszeiten im Spitzenlastbereichaus,weshalb weniger kostenintensive NT-Folgekessel den Einspareffekt der Brennwertnutzung nurgeringfügig mindern. Strebt man eine Optimierung der Abgasverluste bedingt durch weitgehendparallelen Kesselbetrieb bei geringsten Einzelauslastungen an, so empfiehlt sich derausschließliche Einsatz von Brennwertgeräten mit größtmöglichem Brenner-Modulationsbereich.Generell sollte in Mehrkesselanlagen immer mindestens ein Brennwertkessel eingesetzt werden,sofern es die Systembedingungen (Kap. 1.2.1.4 und 1.2.5.1) zulassen. Der Planer hat demnachunter Erwägung energetischer, wirtschaftlicher und systembedingter Kriterien die Entscheidungzu treffen, ob die Mehrkesselanlage aus gleichartigen NT- bzw. Brennwertkesseln oder aus einerKombination von Brennwert- und Niedertemperatur-Kesseln mit optimalem Investitionskosten-Nutzenverhältnis bestehen soll.

1.2.5 Einsatz von Brennwerttechnik

1.2.5.1 Grenzen der AnwendungBei Einkesselanlagen in einfachen witterungsgeführten Netzen ohne hydraulische Trennung vonVerbraucher- und Erzeugerkreis und ohne Mindestanforderungen an den Kesselwasser-volumenstrom können die für die Brennwertnutzung erforderlichen niedrigen Rücklauftem-peraturen meist problemlos und ohne hydraulischen oder regelungstechnischen Zusatzaufwandeingehalten werden. Hinzu kommt, dass Kessel mit interner Kondensation keinerleiEinrichtungen zur Rücklaufanhebung benötigen und sich daher Investitionskostenvorteile aufSeiten der Hydraulikkomponenten ergeben. Anders ist die Situation, wenn Brennwertnutzung ingroßen Heizungsnetzen mit ungünstigen hydraulischen und thermischen Randbedingungenerfolgen soll. Wird beispielsweise ganzjährig eine Rücklauftemperatur um 60°C aus einembestehenden Netz zurückgeliefert oder besteht die Notwendigkeit zur hydraulischenEntkopplung, so ist ein zum Teil recht hoher hydraulischer und regelungstechnischerZusatzaufwand im Abnahme- und/oder Kesselkreis notwendig. Hier sind die Einsatzgrenzen derBrennwerttechnik genau zu prüfen, da die Brennstoffeinsparungen gegenüber dem nicht


17

kondensierenden Betrieb den Zusatzaufwand nicht generell rechtfertigen. Grundsätzlich könnenaber auch mit den in Bestandswohnungen überwiegend vorhandenen Heizflächen System-temperaturen gefahren werden, die einen hohen Brennwertnutzen erlauben. Allgemein lohnt sichder Einsatz von Brennwerttechnik um so mehr, je größer die Kesselleistung ist. Näheres zurhydraulischen Einbindung von Brennwertgeräten bei hydraulischer Entkopplung ist im Kapitel1.3.2.2 aufgeführt. Nachfolgend sollen, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, einige grundlegendeKonstruktionsarten und typische Eigenschaften üblicher Brennwertgeräte kurz erläutert werden.

1.2.5.2 Brennwert-Kesselthermen mit ZwangsdurchlaufprinzipBrennwert-Kesselkonstruktionen, die im Betrieb einen Mindestwasserumlauf erfordern (Kap.1.2.1.1), müssen meistens mit Überströmeinrichtungen zur Beimischung von Vorlaufwasser inden Rücklauf ausgestattet werden. Durch die Drosselwirkung der Thermostatventile inzumeistschlecht abgeglichenen und mit zu hohem Pumpen-Förderdruck betriebenen Wohngebäude-Heizungsnetzen wird dann meist eine mehr oder weniger permanente Rücklaufanhebungprovoziert, die sich ungünstig auf die Brennwertnutzung auswirkt. Neuere Untersuchungen [22]haben gezeigt, dass entsprechende Geräte im Praxisbetrieb um durchschnittlich 4 Prozentpunkteniedrigere Nutzungsgrade aufweisen als Geräte ohne Überströmeinrichtungen. Ein zusätzlichesProblem ergibt sich demnach auch aus den in den Kesseln fest eingebauten und meistüberdimensionierten bzw. schlecht an die hydraulischen Verhältnisse angepassten Pumpen. DieProjektverantwortlichen einer von der DBU geförderten Felduntersuchung [22] empfehlen denEinsatz von Kesseln mit größerem Wasserinhalt und geringeren hydraulischen Widerständen imEinklang mit einer optimalen Abstimmung von Thermostatventilen und Pumpe.

1.2.5.3 Naturumlaufkessel mit interner AbgaskondensationEs wird zwischen Kesseln mit herkömmlichem Rücklaufanschluss und solchen unterschieden,die eine eigene Anschlussmöglichkeit für den integrierten Brennwertwärmetauscher haben.Letztere eignen sich zum Anschluss eines separaten Niedertemperaturrücklaufes, derbeispielsweise aus Fußbodenheizkreisen oder der Warmwasserbereitung stammen kann. EinigeHersteller [23] bieten solche Kessel auch mit besonders großem Wasservolumen(Großwasserraumkessel) und darin integrierten Niedertemperaturspeichern für dasausgekoppelte Rücklaufwasser an. Diese Bauart eignet sich besonders für einen Betrieb mit einernicht kontinuierlich arbeitenden Warmwasserbereitung. Hier wird das bei jeder Wasserentnahmebzw. Speicherladung auf Temperaturen von 25 bis 30°C ausgekühlte separate Rücklaufwasserim kondensierenden Teil des Brennwertkessels an der Kesselsohle eingeschichtet, ohne dassdabei eine Vermischung mit dem höher temperierten Kesselwasser erfolgt. Dies hat zur Folge,dass die Abgaskondensation kontinuierlich ablaufen kann, auch wenn aus den anderenHeizkreisen überwiegend gleitende Rücklauftemperaturen oberhalb des Taupunktes anfallen.Heizkessel mit integrierten Brennwert-Wärmetauschern werden bis etwa 2 MW Kesselleistungeingesetzt.

1.2.5.4 NT-Kessel mit Abgaskondensation in nachgeschalteten WärmetauschernIm größeren Leistungsbereich und bei der Nachrüstung bestehender Niedertemperatur-kesselanlagen bieten sich nachgeschaltete Abgas-Wasser-Wärmeübertrager aus Edelstahl an[24]. Sie eignen sich auch für eine beabsichtigte Öl-Brennwertnutzung, sofern das Heizsystementsprechende Wärmesenken aufweist. Bei diesen separat anschließbaren Brennwertgeräten kanndie Anlagenkonzeption prinzipiell auch unter Verwendung einer hydraulischen Entkopplungerfolgen, was ansonsten für die Brennwertnutzung wegen der eintretenden Rücklaufanhebungeher ungeeignet ist. In diesem Fall wird ein Teilvolumenstrom des Gesamtrücklaufes noch vor


18

der Weiche bzw. dem differenzdruckarmen Verteiler – z.B. aus dem Rücklaufsammler bzw. demerwartungsgemäß kältesten Verbraucherstrang – ausgekoppelt und separat durch den Abgas-wärmetauscher geführt. Im letzteren Fall muss allerdings eine ausgeglichene Massenstrombilanzim gesamten Lastbereich gewährleistet werden können, damit sich keine wärmerenNachbarrückläufe beimischen und dadurch den Brennwerteffekt schmälern.

1.2.6 Kesseldimensionierung

1.2.6.1 BemessungsgrundlagenSollen Heizungsanlagen für den Wohnungsbau bemessen werden, so muss zunächst geklärtwerden, ob die Gebäude-Heizlast oder die für die Trinkwarmwasserbereitung benötigteSpitzenheizlast das entscheidende Kriterium zur Kesseldimensionierung darstellt. Sindweitläufige Nahwärmenetze zwischengeschaltet, so sind auch die auftretenden Verteilverlust-leistungen entsprechend zu berücksichtigen. Beim heutigen Neubaustandard und im energetischhochwertig sanierten Wohnungsbestand kann davon ausgegangen werden, dass sich dieErzeugerleistung bis in den Bereich von Mehrfamilienhäusern mit 30 bis 40 Wohneinheiten nachden Anforderungen der Warmwasserbereitung richten wird [13]. Der Grund dafür liegt in denstark reduzierten Gebäude-Heizlasten, die gegenüber den früher typischen 70…100 W/m2 aufheute 25…40 W/m2 bei gleichzeitig hohem Warmwasserkomfort gesunken sind. Vergleichbaresgilt für die heute meist in mehrfacher Hinsicht energetisch sanierten Bestandsgebäude, die oftnoch von alten und erheblich überdimensionierten Kesselanlagen versorgt werden. Problemeergeben sich hier wie auch im Neubau durch die zwangsläufig stark unsymmetrischenKesselauslastungen im Heizungs- bzw. Warmwasserbereitungsbetrieb (siehe auch Kap.1.2.2.10). Besonders ungünstig sind die Verhältnisse bei Niedrigenergiehäusern (NEH), die miteiner Warmwasserbereitung im Durchflussprinzip ausgestattet sind.

In größeren Mehrfamilienhäusern bzw. Liegenschaften und in Altbauten mit hohem Heiz-energiebedarf überwiegt dagegen die Heizlast zur Deckung der Raumwärme. Nur hier sindErzeuger-Zuschläge als Leistungsreserven für die Wiederaufheizung sinnvoll, wenn Betriebs-zustände mit eingeschränkter Beheizung bei hoher Gleichzeitigkeit (z.B. zentrale Nachtab-senkung) vorkommen.

Soll das Trinkwarmwasser im Parallelbetrieb – also ohne die in zentral versorgten Gebäudenübliche Heizunterbrechung während der Speicherladungszeiten (Vorrangbetrieb)– erzeugtwerden, so bildet die Summe beider Leistungen einschließlich eventueller Zuschläge für dieVerteilung den erforderlichen Auslegungswert.

1.2.6.2 Gebäude- Heizlastberechnung nach DIN EN 12831Die erforderliche Leistung zur Deckung der Heizlast wird nach dem Rechenverfahren dereuropäischen Norm DIN EN 12831 [35] und dem nationalen Anhang im zugehörigen Beiblatt 1berechnet. Neben der Gebäudeheizlast, die Auslegungsgröße der Wärmeerzeugung ist, werdenauch die zur Festlegung der Heizflächen erforderlichen Raumheizlasten ermittelt. DieBerechnung basiert auf einer Reihe normierter Kennwerte sowie auf den Gebäudeabmessungenund den wärmetechnischen Eigenschaften aller wärmeübertragenden Bauteile und Bauteilan-schlüsse. Im letzten Berechnungsschritt werden die Transmissions- und Lüftungsverlust-leistungen sämtlicher an die äußere Umgebung grenzender Bauteile bzw. Räume gemeinsam mitoptionalen Aufheizzuschlägen für die Wiederaufheizung zur gemeinsamen Gebäudeheizlastaufsummiert.


19

Prognoserechnungen dieser Art eignen sich vornehmlich für die Neubauplanung, da hier dieFlächen- und Gebäudedaten direkt aus dem EnEV-Nachweis übernommen werden können undes ansonsten, anders als bei Bestandsgebäuden, keine Erfahrungswerte über die unter normalenNutzungsbedingungen auftretende Heizlast gibt. Unsicherheiten entstehen dadurch, dass dieüberwiegend statisch angenommenen Berechnungsparameter wie Luftwechsel, Innentem-peraturen und Aufheizzuschläge trotz vorheriger Absprache mit dem Bauherren nur annäherndden späteren Verhältnissen entsprechen und daher im allgemeinen zu Überdimensionierungensowohl der Heizflächen als auch der Erzeuger führen werden. Weiterhin besteht bei derFestlegung von Zuschlägen zur Schnellaufheizung nach Heizunterbrechungen in gut gedämmtenGebäuden die Gefahr sehr großer Überdimensionierungen gegenüber den im ungestörten Betriebeher geringen Heizlasten [13]. Beachtet werden sollte in diesem Zusammenhang, dass derEinspareffekt eines nächtlichen Absenkbetriebes mit zunehmendem Dämmstandard immergeringer wird und es durch unüberlegte Ausnutzung der überdimensionierten Heizflächen zueinem Mehrverbrauch bei im Mittel überhöhten Raumtemperaturen und provozierterDauerlüftung kommt (Verschwendungspotenzial der Anlagentechnik [31]). Derartige Aufheiz-lasten sollten durch die zentrale Regelung entweder unterhalb einer bestimmtenAußentemperatur ganz unterbunden oder durch Anhebung der Vorlauftemperatur kompensiertwerden können.Soll die Heizlast eines Bestandsgebäudes für die Modernisierung der Kesselanlage berechnetwerden, so ergibt sich bei fehlenden Bestandsunterlagen und ungenauen Kenntnissen über diewärmetechnischen Bauteileigenschaften ein hoher zeitlicher Aufwand für die Informations-beschaffung. Häufig wird deshalb auf Überschlagsrechnungen unter Zugrundlegungflächenbezogener Kennwerte zurückgegriffen (z.B. nach [13]).

1.2.6.3 Berechnung der Wärmeerzeugerleistung zur Trinkwarmwasserbereitung nachDIN 4708

Der Wärmeleistungsbedarf zur Trinkwarmwasserbereitung hängt von Größe, Ausstattung,Bewohnerzahl und Komfortstandard der Wohnungen sowie von der Anzahl der versorgtenObjekte und dem System der Trinkwarmwasserbereitung ab. Insgesamt unterliegt derTrinkwasser-Wärmebedarf im Wohnungsbau starken zeitlichen und mengenmäßigenSchwankungen, die allerdings anhand verbreiteter Ausstattungstypologien und bekannterNutzerprofile gut eingeschätzt werden können. Im Wohnungsbau hat sich das Bemessungs-verfahren nach DIN 4108 [30] bewährt, das die Mengen- und Häufigkeitsverteilung desWarmwasserbedarfes als Funktion einer statistisch abgesicherten Bedarfskennzahl erfasst. DasBerechnungsverfahren nach Teil 2 der Norm rechnet die vorhandenen Wohnungen des Gebäudesoder der Liegenschaft unter Berücksichtigung der individuellen Ausstattungen, Wohnungsgrößenund Bewohnerzahlen in eine Anzahl so genannter Einheitswohnungen um, dienicht unbedingtder tatsächlich vorhandenen Wohnungszahl entsprechen muss. Die Einheitswohnung hat dabeieine auf statistischen Erhebungen basierende Belegungszahl von 3,5 Personen in vier Räumenmit einem Spitzen-Wärmebedarf zur Trinkwasserbereitung von 5,82 kWh. Ihre Bedarfskennzahlist 1. Der Spitzenwärmebedarf entspricht dabei der Wärmemenge, die während einer definiertenZapfdauer von 10 Min (Wannenfüllzeit) bei der Benutzung der relevanten Warmwasserzapf-stellen in der Einheitswohnung maximal verbraucht werden kann. Typisch ist, dass mitzunehmender Anzahl von Nutzern bzw. Einheitswohnungen die Wahrscheinlichkeit einesSpitzenbedarfes mit hoher Gleichzeitigkeit abnimmt. Der maximale Gesamtbedarf allergemeinsam versorgten Wohnungen wird also zunächst anhand einer äquivalenten Anzahl vonEinheitswohnungen bemessen und als Bedarfskennzahl N dargestellt. Nach Teil 1 der Normkann diese dann mittels mathematischer Methoden zur Berücksichtigung der statistischenGleichzeitigkeit in den gemeinsamen Wärmebedarf umgerechnet werden, der innerhalb eines


20

bestimmten Bedarfszeitraumes anfällt. Dieser richtet sich nach der zur Verfügung stehendenWärmekapazität zur Lastspitzendeckung (Puffervolumen des angeschlossenen Warmwasser-speichers oder auch des Nahwärmeverteilnetzes) bzw., bei Durchlaufsystemen, nach derWannenfüllzeit zB (10 Minuten) und der zur Verfügung stehenden Erzeugerleistung. Diese kannnäherungsweise aus dem Quotienten des so ermittelten Wärmebedarfes und der angenommenenBedarfsperiodenlänge ermittelt werden. Aus Bild 3 der Norm wird ersichtlich, dass mit größerenBedarfsperioden (zunehmendes Puffervermögen der Warmwasserbereitung) die erforderlicheErzeugerleistung abnimmt. Hier besteht eine Optimierungsaufgabe zwischen Speichergrößen-und Erzeugerleistungsdimensionierung. Im allgemeinen können Speicher- und Wärmeerzeugerauch direkt anhand der Bedarfskennzahl ausgewählt werden. Die in Herstellerkatalogenangegebene und nach Teil 3 der Norm auf Prüfständen ermittelte Leistungskennzahl NL muss indiesem Fall mindestens so groß sein wie die Bedarfskennzahl N.

1.2.6.4 Alternative Verfahren der Heizlastermittlung im GebäudebestandIm Gebäudebestand kann die erforderliche Erzeugerleistung auch anhand typischerBetriebsdaten der Bestandsanlage recht genau ermittelt werden. Die AMEV-Hinweise zumPlanen und Bauen von Wärmeversorgungsanlagen [19] empfehlen für die Erweiterung oder denAustausch von Wärmeerzeugern im Leistungsbereich größer 1 MW die messtechnischeAufzeichnung und Auswertung von Tageslastdiagrammen. Ebenso wird die überschlägigeErmittlung der Gesamtwärmeleistung mit Hilfe der – inzwischen außer Kraft getretenen - VDI3815 [26] empfohlen. Die Richtlinie beschreibt zwei Verfahren, bei denen entweder aus einemJahres-Brennstoffverbrauch oder anhand eines Belastungsversuches die durchschnittlicheAuslastung der Bestandsanlage ermittelt werden kann. Diese kennzeichnet das Verhältnis vonbestehender zu benötigter Kesselleistung und führt somit zur gesuchten Auslegungsgröße. BeideVerfahren sind insofern ungenau, als dass die bei einer neuen Anlage wesentlich bessereEnergieeffizienz gänzlich unberücksichtigt bleibt. Eine detaillierte Auswertung von Tageslast-diagrammen der vom Kessel abgegebenen Leistung liefert dagegen sehr zuverlässige Ergebnisse,erfordert allerdings auch entsprechenden messtechnischen Aufwand und eine umfangreicheDatenauswertung. Vorteilhaft ist in beiden Fällen der Verzicht auf teure und fehlerbehafteteHüllflächenermittlungen und der Rückgriff auf tatsächlich im Betrieb aufgetreteneLastverhältnisse.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Auswertung periodisch aufgezeichneter Brennstoff- bzw.Wärmeverbrauchsmengen in Abhängigkeit der zugehörigen mittleren Außentemperatur. Dieerforderlichen Verbrauchsdaten können durch monatliche Zählerablesungen oder auch ausWärmemengenzählern mit integrierter Datenspeicherfunktion gewonnen werden. Im Fallegrößerer Heizwerke mit eigener Gas-Übergabestation stehen oft auch Datensätze einerautomatischen Zähler-Fernauslesung zur Verfügung. In diesem Fall können bei dem zuständigenVersorgungsunternehmen die Zählerstände der letzten Abrechnungsperiode(n) in zum Teil sehrhoher zeitlicher Auflösung erfragt werden. Optimal ist die Verwendung von hinter dem Erzeugergemessenen Wärmemengen, da die Auslegungsgröße ohne den Einfluss der Erzeugerverlusteabgeleitet werden kann. Anderenfalls sollten die gemessenen Endenergiemengen – z.B. beibekannter Anlagencharakteristik nach Deutscher/Rouvel – umgerechnet werden. Eine exaktemonatlich Datenerfassung ist dabei sinnvoll, da auch mittlere Wetterdaten meist für gesamteMonate erhältlich sind, z.B. [27]. Auf der Internetseite des Deutschen Wetterdienstes sind auchtäglich aktualisierte Tages-Mittelwerte verfügbar [28].

Kern der Verbrauchsmengenauswertung ist die Bildung mittlerer Wärmeleistungen, indem diegemessene Energiemenge in (kWh/Messzeitraum) durch die zugehörige Länge des Mess-zeitraumes in (h/Messzeitraum) geteilt wird. Stellt man die so gewonnenen Betriebspunkte in


21

einem Diagramm über den zugehörigen mittleren Außentemperaturen dar, so ergibt sich imBereich unterhalb der Heizgrenze (10…19°C [29]) ein typisch linearer Zusammenhang, der biszur Auslegungsaußentemperatur extrapoliert werden kann (Abbildung unten). Im Temperatur-bereich oberhalb der Heizgrenze geht die Regressionsgerade in eine Konstante über. SieKennzeichnet eine über die gesamte Messperiodenlänge stark gemittelte (Dauer-)Leistung derWarmwasserbereitung, die in dieser Form nicht zur Auslegung verwendet werden darf. Um aufdie Gebäude-Heizlast schließen zu können, muss die Gerade um den Betrag der Konstantenparallel verschoben werden, so dass der ehemalige Übergangspunkt (Heizgrenze) dieTemperaturachse berührt. Werden abgabeseitige Energiemengen zugrunde gelegt und dieVerteilverluste abgezogen (also Nutzenergien verwendet), so entspricht die Steigung derentstehenden Regressionsgeraden der aus der DIN EN 12831 bekannten und auch inEnergiepässen verwendeten bezogenen Verlustleistung H (Gebäude-Wärmeverlust-Koeffizient)in (W/K), die wiederum der Summe der bezogenen Transmissions- und Lüftungsverlusteentspricht. Je schlechter die Dämmqualität der angeschlossenen Gebäude ist oder je höher dermittlere Luftwechsel, desto größer ist die Steilheit.

Fast seit einem Jahrhundert werden in ähnlicher Form der Endenergiebedarf bzw. beiFernwärme der Nutzenergiebedarf in Abhängigkeit der Außentemperatur ausgewertet. Hierauswerden dann Rückschlüsse auf die notwendige Anschlussleistung bei der minimalenAuslegungsaußentemperatur und auf eine praktische Heizgrenztemperatur gezogen [29].

Q

C12 CHG 15

., DauerlWWQ

Messpunkte


22

1.3 Hydraulik der Wärmeerzeugung und Verteilung

1.3.1 Gliederung von Heizungsnetzen

Warmwasser-Heizungsnetze werden in die drei Abschnitte Wärmeerzeugerteil, Wärmeverteil-netz und Wärmeverbraucherteil untergliedert. Manche Kreise werden mit eigenen Pumpenausgestatten, da es oft aus funktionellen Gründen (z.B. Vorlauftemperaturregelung) notwendigist, die zum Transport des Wärmeträgers erforderliche Umwälzenergie an unterschiedlichenStellen des Gesamtnetzes einzubringen. Zu Beachten sind Wechselwirkungen zwischeneinzelnen Netzteilen, die unter ungünstigen Bedingungen auch zu Störungen führen können.

Anforderungen an die Kesselkreishydraulik ergeben sich aus den einzuhaltenden Betriebs-bedingungen der eingesetzten Kessel (siehe auch Kap. 1.2.1), aus der Forderung nach niedrigenRücklauftemperaturen bei der Brennwertnutzung und aus den Wechselwirkungen zwischenRegelung, Brennerleistung und schwankenden Kesselvolumenströmen insbesondere bei der Zu-und Abschaltung von Folgekesseln.

Das Wärmeverteilnetz verbindet die Wärmeerzeugung mit den Wärme abgebenden Verbraucher-kreisen. Es enthält Einrichtungen zur Förderung, Temperatur- und Mengenkonditionierung,Übergabe und gegebenenfalls auch zur Speicherung der Heizwasservolumenströme. WichtigeForderungen an das Verteilnetz sind die Bereitstellung ausreichender Wärmemengen in allenLastzuständen, niedrige Wärmeverluste über die Oberflächen der Rohre und Armaturen, geringeDruckverluste und eine Optimierung der Pumpen-Energiekosten durch kleine Volumenströmebei großen Spreizungen. Letzteres kommt insbesondere bei ausgedehnten Fern- und Nahwärme-netzen zum Tragen, da hier die Heizwasserförderung einen bedeutenden Anteil an den gesamtenBetriebskosten hat.

Der Wärmeverbraucherteil enthält die Übergabesysteme zur Nutzenübergabe. Im Wohnungsbausind dies üblicherweise Heizkörpergruppen mit eigener Temperaturregelung und Umwälzpumpe.Hier besteht die Forderung nach einem hydraulischen Abgleich der Verbraucher, einer derHeizlast entsprechenden Auslegung der Heizkörper und Einstellung der Heizkurve, eineroptimalen Pumpenauswahl und proportional regelnden Thermostatventilen.

1.3.2 Anschluss (Kopplung) von Kessel- und Verteilkreis

Als Anschluss wird die hydraulische Verbindung von Erzeugern mit Verbrauchern bezeichnet. Eswird in differenzdrucklose und differenzdruckbehaftete Anschlüsse unterschieden [32].

Die Wahl des Schnittstellensystems ist abhängig von den Funktionsanforderungen und derhydraulischen Gestaltung der Abnehmer- und Erzeugerkreise.

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1.3.2.1 Differenzdruckbehafteter AnschlussBei einer differenzdruckbehafteten Kopplung des Erzeugerkreises mit den Abnehmerkreisenbesteht an der Übergabestelle eine treibende Druckdifferenz, die die Durchströmung derangeschlossenen Kreise bewirkt. Dies kann entweder mit einem Druckgefälle vom Vorlauf-verteiler zum Rücklaufsammler erfolgen (pVerteiler > pSammler) - in diesem Fall sorgt eine primäreKesselkreispumpe für den Umtrieb und abnahmeseitige Pumpen sind nur zur Vorlauftemperatur-regulierung notwendig (Abbildung 2) – oder es besteht ein Druckgefälle vom Rücklaufsammlerzum Verteiler (pVerteiler < pSammler). In diesem Fall ist keine Erzeugerkreispumpe vorgesehen unddie Strangpumpen der Abnehmer sorgen gemeinsam für die Überwindung derKesselkreiswiderstände (Abbildung 3).

Hydraulische und regelungstechnische Probleme entstehen bei druckbehafteten Anschlüssendadurch, dass die Druckdifferenz an der Übergabestelle größeren Schwankungen unterworfenist. Diese treten auf, wenn mehrere Verbraucher- bzw. Erzeugerkreise angeschlossen sind undsich z.B. durch verbraucherseitige Regeleingriffe im Teillastbetrieb die hydraulischenVerhältnisse in gemeinsam durchströmten Netzabschnitten ändern. In ausgedehnten Verteil-netzen kann der Differenzdruck am Verteiler/Sammler auf diese Art und Weise Werte erreichen,die um bis zu 200% über dem Auslegungsdifferenzdruck liegen [33]. Im Betrieb kommt es alsostets zur gegenseitigen Beeinflussungen und Überversorgung der Gruppen, was im allgemeinendie Regel- und Funktionsfähigkeit stark beeinträchtigt und sogar zu Fehlströmungen undSchäden führen kann. Um derartige Auswirkungen zu begrenzen, werden Einrichtungen zurDifferenzdruckanpassung wie etwa stetig regelbare Primärkreispumpen, Überströmarmaturenund differenzdruckgeregelte Drosselventile zur Gruppen- oder Strangregulierung notwendig.Netzabschnitte, die mit konstantem Volumenstrom - z.B. zur Vorlauftemperaturregelung -betrieben werden müssen, sollten möglichst hydraulisch entkoppelt werden (Einspritz-schaltungen). Die auftretenden Probleme und erforderlichen Maßnahmen werden nachfolgendfür beide Varianten der druckbehafteten Übergabe näher erörtert.

Bei Schaltungen mit mehreren Abnehmerkreisen und ohne primäre Kesselkreispumpeentsprechend Abbildung 3 steigt der Volumenstrom in einzelnen Strängen mitunter drastisch an,wenn andere Stränge ihre Abnahme drosseln. Dies wird durch die bei vermindertem Summen-volumenstrom im Kesselkreis kleineren Druckverluste bewirkt. Die Folge sind Geräusche undregelungstechnischen Probleme in den Verbraucherkreisen. Als kritisch sind diese Schaltungeneinzuschätzen, wenn das Verhältnis der Nenndruckverluste im stromkonstanten Netzteil(Beimischkreise) zu denen des stromvariablen Teiles (Kesselkreis) kleiner als 3 ist [33].Weiterhin ergibt sich die Notwendigkeit, jedem Beimischkreis zur Vermeidung von Fehl-strömungen eine Rückschlagklappe zuzuordnen. Fehlströmungen sind in Betriebszuständenmöglich, in denen der Strömungswiderstand über die Beimischleitung bzw. die Verbraucher füreinen benachbarten Strang kleiner wird als derjenige über den Kessel. Solche Zustände könnensich in Teilbereichen des Ventilhubes der Beimischventile oder auch bei Stillstand einzelnerStrangpumpen ergeben. Eine in ihren Auswirkungen vergleichbare Situation tritt ein, wenn derDruckabfall im Kesselkreis z.B. nach einem Kesseltausch (Standardkessel mit 0,6-0,8 kPa gegeneinen neuen Brennwertkessel mit 2-3 kPa) stark zunimmt. Der Einbau von Rückschlagklappenist insofern problematisch, als dass diese in Strecken mit veränderlichem Durchfluss eingebautwerden und dort oft die funktionsbedingt notwendigen Mindestdurchflüsse unterschrittenwerden. Hier kommt es dann zum Klappern und die Regelventile in den Beimischkreisenwerden, bei ohnehin meist geringer Autorität (hohe Druckverluste im volumenvariablen Kreis),noch zusätzlich in ihrer Funktion beeinträchtigt. Besonders in größeren Heizungsanlagen solltenSchaltungen dieser Art nicht zum Einsatz kommen.


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Schaltungen, die entsprechend Abbildung 2 eine primäre Erzeugerkreispumpe haben unddemzufolge mit einem Druckgefälle von Verteiler in Richtung Sammler arbeiten, weisen beiNennabnahme aller angeschlossenen Verbraucher einen minimalen Differenzdruck zwischen denÜbergabepunkten auf. Verringert sich die Abnahme einzelner Stränge, so nimmt der Druck-verlust im Erzeugerkreis quadratisch mit dem Volumenstrom ab und die Förderhöhe einerungeregelten Primärpumpe würde entsprechend ihrer Pumpenkennlinie ansteigen. Im gesamtenTeillastbereich kommt es dadurch zu einem Differenzdruckanstieg am Verteiler/Sammler mitentsprechend negativen Auswirkungen auf die angeschlossenen Kreise.

Ungünstig ist in diesem Zusammenhang der Einsatz von Schaltungen mit Drei-Wege-Ventilenzur verbraucherseitigen Vorlauftemperaturregelung (Abbildung 2), da infolge der primärseitigenDruckwirkung der Förderstrom durch den Verbraucher mit zunehmender Öffnung desKesselwassertores zunimmt. Besonders bei Teillast kann dann die Vorlauftemperatur infolge deseingeschränkten Proportionalbereiches nicht mehr richtig ausgeregelt werden und es kommt zurÜberversorgung. Unter besonders ungünstigen Verhältnissen kann es auch zum Überströmenvon Kesselvorlaufwasser durch die Beimischleitung kommen. Rückschlagklappen sind dort –wie bereits ausgeführt – möglichst nicht einzusetzen. Auch eine zwangsweise Durchströmungbei abgeschalteter Strangpumpe und damit unterbundener Beimischung ist möglich, weshalb dievermeintlich abgeschalteten Verbrauchergruppen dann trotzdem warm werden. Die Folge ist injedem Fall ein Anstieg der Rücklauftemperatur, was insbesondere bei Brennwertnutzung undFern- bzw. Nahwärmeanschlüssen unerwünscht ist. Häufig wird versucht, dem Störeinfluss derprimärseitig aufgeprägten Druckdifferenz durch Einbau eines Überströmventiles mit festeingestelltem Drucksollwert zwischen Verteiler und Sammler oder auch durch im Strangeingebaute differenzdruckgeregelte Drosselventile entgegenzuwirken. Der nachteilige Effekt aufdie sekundäre Vorlauftemperaturregelung lässt sich im ersten Fall allenfalls abmildernund eskommt meist zur Anhebung der Rücklauftemperatur. Bei Differenzdruckreglern in den Strängenwird permanent Pumpenergie verschwendet, dafür werden aber auch weit bessereRegelbedingungen für die nachgeschalteten Ventile erreicht.

Günstiger ist die Situation, wenn durch stetige Drehzahlanpassung der Primärnetzpumpe derDifferenzdruck am Verteiler/Sammler auf einen minimalen Wert ( p 0) geregelt wird(Abbildung 4). Dadurch variiert der Kesselwasserstrom entsprechend dem Bedarf und dieverbraucherseitige Überversorgung unterbleibt. Auch die Beimischventile werden nicht mehr inihrem Regelverhalten beeinträchtigt, weil der Störeinfluss des Primärdruckes entfällt oderzumindest minimal ist. In jedem Fall sind aber die vom Kesselhersteller gefordertenMindestumlaufwassermengen einzuhalten.

Eine andere Möglichkeit, die negativen Auswirkungen primärseitiger Druckschwankungenauszugleichen, besteht darin, die vorlauftemperaturvariablen Verbraucherkreise entsprechendAbbildung 5 oder -6 über eine Kurzschlussleitung mit geringem Widerstand hydraulisch vomrestlichen Netz abzukoppeln, so dass sich das Druckniveau am Verteiler/Sammler nicht mehr aufdie verbraucherseitigen Regelvorgänge auswirkt (Einspritzschaltung). Bei dieser Anordnungfließt das zur Beimischung benötigte Rücklaufwasser über die differenzdrucklose Verbindung,während das Kesselwasser vom Regelventil dosiert wird. Probleme gibt es nur bei der Einspritz-schaltung nach Abbildung 5, wenn der Differenzdruck an den Übergabepunkten so weit ansteigt,dass es zu einem Umschlag der Strömungsrichtung in der Kurzschlussleitung kommt und dannkeine Rücklaufbeimischung mehr stattfindet. Dies kann zwar durch Drosselung der Regelventileverhindert werden, führt allerdings infolge des dann eingeschränkten Stellbereiches mitunter zueinem instabilen Regelverhalten (kleiner Proportionalbereich). Hier hilft die Regelung desStrang-Differenzdruckes auf ein unkritisches Niveau. Bei Einspritzschaltungen nach Abbildung6 ist von Nachteil, dass ständig Vorlaufwasser in den Rücklauf überströmt, was zur Anhebung


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der Rücklauftemperatur und konstanten Volumenströmen im Verteilnetz führt. Letzteres mussbesonders in ausgedehnten Nahwärmenetzen vermieden werden, da teillastbedingte Einspar-potenziale bei den Transportkosten nicht genutzt werden können. Die Vorteileeiner geregeltenPrimärpumpe können dann nicht genutzt werden.

1.3.2.2 Differenzdruckloser AnschlussBeim differenzdrucklosen Anschluss von Erzeuger- und Abnehmerkreisen wird an denÜbergabepunkten des Verteilers ein hydraulischer Kurzschluss zwischen Vor- und Rücklauf-anschlüssen herbeigeführt (Abbildung 7). Durch die widerstandsarme Überströmmöglichkeitwird erreicht, dass die Förderhöhen der Sekundär- und Primärkreispumpen ausschließlich imbetroffenen Kreis wirksam werden und sich somit nicht auf andere Netzabschnitte übertragen.Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer hydraulischen Entkopplung. DenAbnehmerkreisen steht – anders als bei der druckbehafteten Kopplung – keine treibendeDruckdifferenz zur Verfügung, weshalb sie mit eigenen Umwälzpumpen ausgestattet seinmüssen. Zur sekundären Vorlauftemperaturregulierung bieten sich Beimisch- und doppelteBeimischschaltungen gemäß Abbildung 7 an, da es keine störende primärseitigeDruckbeaufschlagung gibt. Im Kesselkreis können bei dieser Anschlussart auf einfache WeiseMindestumlaufwassermengen und -rücklauftemperaturen sichergestellt werden (siehe auch Kap.1.3.4.3) und es ergeben sich meist unkompliziertere Verhältnisse bei der Kesselfolge (siehe auchKap. 1.3.3).

Um die einwandfreie Funktion zu gewährleisten, sind dennoch einige Randbedingungeneinzuhalten. Das sekundäre Vorlauftemperaturniveau und die primäre Rücklauftemperatur sindabhängig von den Volumenstromverhältnissen innerhalb der Kurzschlussstrecke. Überwiegt dieHeizkreisabnahme gegenüber dem im Primärkreis umgewälzten Volumenstrom, so kommt eszum Überströmen von Rücklaufwasser in die Heizkreisvorläufe mit entsprechender Abmischungdes sekundären Vorlauftemperaturniveaus. Diese Betriebsweise sorgt besonders bei starkschwankenden Abnahmemengen für unklare thermische Verhältnisse und ist beiVerteiler/Sammler Anordnungen nach Abbildung 8 mit zwischengeschalteter Kurzschlussstreckegänzlich ungeeignet. Hier kommt es zur Unterversorgung der innenliegend angeschlossenenStränge, da diese ausschließlich Rücklaufwasser abbekommen. Besser ist es, den hydraulischenEntkoppler zur Erzielung einer thermischen Trennung senkrecht und vor der Verteiler/SammlerAnordnung zu installieren (hydraulische Weiche – Abbildung 7) Weiterhin wird gemeinhinempfohlen, die primäre Umlaufwassermenge auf das 1,2 bis 1,4 fache der Auslegungsabnahmezu bemessen und die Strömungsgeschwindigkeit im Entkoppler kleiner 0,2 m/s zu halten [32].Unter diesen Bedingungen steht den sekundären Kreisen immer der ungemischte Primärvorlaufzur Verfügung, dafür strömt aber auch permanent Vorlaufwasser in den Primärrücklauf über undbewirkt dort eine für Brennwertnutzung und Fernwärmeanschluss ungünstige Temperatur-anhebung.

In [34] wird deshalb für den Brennwertkesseleinsatz empfohlen, das Heizwasser des Erzeuger-kreises auf das 0,6 bis 0,8 fache des Nenn-Verbrauchervolumenstromes zu reduzieren. Einegrößer gewählte Primär-Spreizung soll dabei die Abmischung des sekundären Vorlauftem-peraturniveaus kompensieren. Bei stark veränderlichen Abnahme-Volumenströmen ist einekontrollierte Rücklaufüberströmung dieser Art aber im allgemeinen nicht möglich. Hier sollteder hydraulische Entkoppler mit einer mindestens ausgeglichenen Volumenstrombilanzbetrieben werden.

Diese kann nach [14] eingestellt werden, indem dem druckarmen Verteiler durch eine drehzahl-variable Primärpumpe immer genau die Menge Vorlaufwasser zugeführt wird, die gerade


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sekundärseitig entnommen wird. Der Frequenzumrichter der Pumpe ist dazu so anzusteuern, dassdie Summe der Temperaturen ( 1+ 3) gleich der Summe der Temperaturen ( 2+ 4) ist(Abbildung 9). Zu berücksichtigen ist allerdings die vom Kesselhersteller geforderte Mindest-umlaufwassermenge.

Eine verbreitete Lösung zum Einsatz von Brennwertgeräten in Verbindung mit hydraulischenEntkopplern besteht darin, den Brennwertwärmetauscher aus einem separaten Rücklauf zuspeisen, der verbraucherseitig bereits vor der Kurzschlussstrecke ausgekoppelt wurde. Hiereignen sich besonders Niedertemperaturkreise (z.B. solche mit Fußbodenheizflächen) oder auchKreise mit großem Temperaturgefälle und entsprechender Vorlaufauskühlung (z.B. Warmwas-serbereitung). Stellen die Heizkreisrückläufe in ihrer Summe eine ausreichende Temperatursenkezur Brennwertnutzung dar – in Heizkörperkreisen ist dies aufgrund der gleitenden Betriebsweisemeist der Fall - , so kann auch ein dem Kessel nachgeschalteter Abgaswärmetauscher direktzwischen Rücklaufsammler und den hydraulischen Entkoppler – also noch vor dem Mischpunkt– eingebaut werden.


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1.3.3 Hydraulische Einbindung von Grundlast- und Folgekesseln

Grundsätzliche Bedingungen eines wirtschaftlichen und funktionsgerechten Betriebes modernerMehrkesselanlagen sind begrenzte Taktraten, die Minimierung der Abgasverluste durchkleinstmögliche Einzelkesselauslastungen bei parallelem Folgebetrieb und die Bereitstellung desgeforderten Vorlauftemperaturniveaus in allen Betriebszuständen. Daraus ergeben sichbesondere Anforderungen an die hydraulische und regelungstechnische Kesseleinbindung, da inMehrkesselanlagen thermohydraulische Zustände eintreten können, die diesen Forderungenzuwiderlaufen.

1.3.3.1 Erzeuger mit konstanter Feuerungsleistung

Ungünstige Verhältnisse ergeben sich häufig bei der Kesselfolge, weil es durch die hydraulischeEin- und Auskopplung der Folgekessel in Erzeugerkreisen mit gemeinsamer ungeregelterKesselpumpe oder mit hohem hydraulischen Widerstand in summendurchströmten Abschnitten(Abbildung 10) zu sprunghaften Änderungen der Kesselvolumenströme kommt. Ohneentsprechende Adaption der Brennerleistung führt dies zu einem starken Anstieg, beiDurchfluss-Reduktion, bzw. im umgekehrten Wirksinn, zu einem starken Abfall dergemeinsamen Kesselvorlauftemperatur. Diese Erscheinung führt im Allgemeinen zu einemunerwünschten Takten beider Kessel in Betriebszuständen rund um den Zuschaltpunkt [33].Kommt es betriebsbedingt zu starken Volumenstromänderungen in den Kesseln – dies ist häufigbei druckbehafteter Übergabe oder einer Schaltung nach Abbildung 9 der Fall – so sollten zurMinderung der Schalthäufigkeiten modulationsfähige oder zumindest mehrstufige Brennereingesetzt werden, die die Kesselvorlauftemperatur autonom regeln. Werden einstufige Brennerverwendet, so muss durch hydraulische Maßnahmen bzw. regelbare Kesselpumpen für eineKessel-Volumenstromkonstanz gesorgt werden. Dies kann durch einen hydraulischenEntkoppler, separate Kesselpumpen und geringe Widerstände in gemeinsam durchströmtenErzeugerkreisabschnitten erreicht werden (Abbildung 11). Wird anstatt separater Pumpen einegemeinsame Vorschubpumpe verwendet, so sollte deren Fördermenge wenigstens über mehrereStufen oder besser stetig den im Betrieb befindlichen Kesseln angepasst werden können. Ideal istsicherlich der unmittelbare Anschluss der Kesselkreise an den Entkoppler, da so jeglichegegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen wird. Die Kesselpumpen sind dabei so zudimensionieren, dass der maximal auftretende Heizkreisvolumenstrom in jedem Betriebszustandgedeckt werden kann, so dass es nicht zur Abmischung des sekundärenVorlauftemperaturniveaus kommt (siehe auch Kap. 1.3.2.2).

1.3.3.2 Erzeuger mit variabler Feuerungsleistung

Werden in Schaltungen mit hydraulischem Entkoppler nach Abbildung 11 mehrstufige odermodulationsfähige Brenner eingesetzt, die bei der Kesselfolge zweckmäßigerweise in niedrigerLaststufe zugeschaltet werden, ist zu beachten, dass die erreichbare Kesselspreizung von dervorherrschenden Durchflussmenge abhängig ist. Die zugeschaltete Leistung wird auf zuniedrigem Temperaturniveau eingebracht, wenn die geforderte Vorlauftemperatur aufgrund zugroßer Kesseldurchströmung nicht erreicht wird. Durch Abmischung des gemeinsamenTemperaturniveaus kommt es dann am Messort der primären Vorlauftemperatur-Regelgrößetrotz insgesamt größerer Gesamterzeugerleistung zu einer gegensätzlichen Regelwirkung. Es trittalso ein verkehrter Wirksinn ein, woraus folgt, dass unnötigerweise zusätzliche Leistungangefordert wird [33]. Wird dem entsprochen, so kommt es nach kurzer zeitlicher Verzögerung


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infolge der im Entkoppler überströmenden Überschusswärme zu einer übermäßigen Anhebungdes Rücklauftemperaturniveaus, woraus dann wahrscheinlich folgt, dass der gerade angeforderteFolgekessel wieder vollständig abgeschaltet werden muss, nur um kurz darauf wiederangefordert zu werden. Das Ergebnis ist dann ebenfalls ein unstetiger Betrieb in Lastzuständenrund um den Zuschaltpunkt.

Aus diesem Verhalten lässt sich ableiten, dass der vom Kessel abgegebene Volumenstrom an dieaktuell abgerufene Brennerleistung angepasst werden sollte. Dies kann nach Abbildung 12entweder mit einem Beimischventil erfolgen, oder, was energetisch sinnvoller ist, mit einerstetigen Drehzahlvariation der Kesselpumpe. Letzteres kann oberhalb der erforderlichenMindestumlaufmenge auch in Sequenz mit dem Modulationsgrad des Brenners erfolgen.

1.3.3.3 Einbindung von Kesseln stark unterschiedlicher Bauart und Leistung

Regelungstechnisch und hydraulisch leicht überschaubare Zusammenhänge ergeben sich beieiner Reihenschaltung der Kessel gemäß Abbildung 13. Aufgrund der hydraulischenEntkopplung an den Kesseleinbindungspunkten herrschen in jedem Betriebszustand konstanteKessel- und Primärkreisvolumenströme, wodurch auch ein Abmischen der sekundärenVorlauftemperatur durch Rückströmung im Entkoppler sicher unterbunden werden kann. Zudemergibt jeder Beitrag des Folgekessels – egal auf welchem Brennerleistungsniveau – auch eineAnhebung der Temperatur im gemeinsamen Vorlauf. Von Nachteil ist, dass bei Betrieb beiderKessel der durch sie geleitete Volumenstrom höher ist als bei der Parallelschaltung und damitauch größere Druckverlust und Umwälzenergiekosten entstehen. Diese Schaltung ist gegenüberder Parallelschaltung nur dann wirtschaftlich, wenn der Folgekessel nur wenige Stunden inBetrieb geht. Dies ist gemeinhin in Anlagen der Fall, in denen die außentemperaturabhängigeRaumheizung einen großen Anteil an der Heizarbeit hat [33].

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1.3.4 Gewährleistung von Mindest-Rücklauftemperaturen undUmlaufwassermengen im Kesselkreis

Kessel älteren Baujahres erfordern meist eine Mindestrücklauftemperatur zum Schutz derHeizflächen vor Niedertemperaturkorrosion. Moderne Kessel sind durch entsprechendeKonstruktionen und Materialien gegen Schäden dieser Art geschützt. Sie erfordern daher meistkeine externen hydraulischen Maßnahmen mehr.

1.3.4.1 Kesselrücklaufanhebung mit KesselbeimischpumpeSchaltungen mit einer zwischen Kesselvorlauf und Kesselrücklauf parallel zum Kesseleingebauten Beimischpumpe sind die bei Altanlagen aus den 70’er Jahren am häufigstenanzutreffende Form der Rücklauftemperaturanhebung (Abbildung 14). Die Pumpe fördertwarmes Vorlaufwasser über die Kurzschlussstrecke in den Rücklauf, sobald die Netzrücklauf-temperatur am Messort vor dem Mischpunkt einen Mindestwert unterschreitet. Die Pumpen-stellgröße kann nicht aus einem Messpunkt in Fließrichtung hinter dem Mischpunkt abgeleitetwerden, weil es in diesem Fall zu einem Taktbetrieb käme. Eine Kontrolle, ob die Mischtem-peratur aus Vorlauf- und Netzrücklauf den erforderlichen Mindestwert einhält, erfolgt daher inder Regel nicht, weshalb es leicht zu unbemerkten Unterversorgungen kommen kann. Ausdiesem Grund treten in bestehenden Anlagen mit Beimischpumpen oft Schäden auf, wenn eineNacht- bzw. Wochenendabsenkung neu eingerichtet wird und die Beimischpumpe für den kaltenNetzrücklauf im Aufheizbetrieb nicht ausgelegt ist. In diesem Fall muss zusätzlich ein Rückgriffauf die Heizgruppenventile eingerichtet werden, wodurch die Kesseldurchströmung bei zuniedrigen Rücklauftemperaturen begrenzt wird (Abbildung 15). Ist dies nicht möglich, kann aucheine so genannte Anheizsperre vorgesehen werden. Hier wird der Kesselkreis um ein Drei-Wege-Ventil ergänzt, das den Verbrauchervolumenstrom so lange unterbindet, bis der Kesselüber den Kurzschluss aufgeheizt ist (Abbildung 16).

Ungünstige hydraulische Verhältnisse ergeben sich in diesen Schaltungen dadurch, dass derKesselkreis in zwei parallel überlagerte Kreise mit zum Teil entgegen gesetzten Förder-richtungen aufgeteilt wird. An den beiden Anschlusspunkten der Kurzschlussstrecke wird nichtnur Vorlaufwasser umgelenkt bzw. in Richtung des Kesselsrücklaufanschlusses wiedereingespeist, sondern es wird auch ein der Hauptförderrichtung entgegen gesetzter Druck vomVorlaufverteiler in Richtung Rücklaufsammler erzeugt. Die Förderpumpen müssen alsozusätzlich zu ihrer Umwälzfunktion noch den Gegendruck der Beimischpumpe überwinden, wasbesonders im Zusammenspiel mit druckbehafteten Verteilern und wechselnden Lastbedingungenzu unklaren hydraulischen Verhältnissen, regelungstechnischen Problemen und zusätzlichemPumpenenergieaufwand führt.

Schaltungen mit Kesselbeimischpumpen sollten daher in Neuanlagen und bei der Anlagenmo-dernisierung möglichst nicht mehr eingeplant werden.

1.3.4.2 Kesselrücklaufanhebung mit 3-Wege-VentilBei dieser Schaltung wird eine Erzeugerkreispumpe in den Vor- oder Rücklauf des Kesselseingebaut. Die Rücklaufanhebung erfolgt über ein 3-Wege-Ventil, das bei Absinken der hinterdem Mischpunkt gemessenen Kesselrücklauftemperatur Vorlaufwasser beimischt (Abbildung17). Im Gegensatz zur Schaltung mit Beimischpumpe erfolgt ein Regeleingriff, der eine stetigeRücklauftemperaturanpassung vornimmt. Die Sicherstellung der Mindesttemperatur ist damitimmer gewährleistet. Hydraulische Probleme können auftreten, wenn abnehmerseitig mehrWasser angefordert wird, als die Rücklaufanhebung zulässt. In diesem Fall kann es zuFehlzirkulationen zwischen einzelnen Heizgruppen kommen, indem einzelne Strängezu wenig


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Vorlaufwasser abbekommen, ausschließlich Rücklaufwasser aufnehmen oder, bei druckbe-hafteter Übergabe, sogar rückwärts durchströmt werden.

1.3.4.3 Kesselrücklaufanhebung über eine hydraulische Entkopplung

Durch Einsatz einer differenzdrucklosen Überströmeinrichtung (siehe auch voriges Kapitel) amÜbergabepunkt zwischen Erzeuger- und Abnehmerkreis wird unter normalen Betriebsbe-dingungen und ausreichender Spreizung immer eine Rücklauftemperaturanhebung erreicht, dader Kesselwasservolumenstrom auslegungsbedingt größer sein muss als der Gesamtdurchflussder angeschlossenen Verbrauchernetze. Ein regelungstechnischer Eingriff muss nur bei Aufheiz-vorgängen erfolgen, wenn große Mengen kalten Rücklaufwassers aus den Abnehmersträngenströmt. Hier kann durch Schließen verbraucherseitiger Mischer der Anteil des im Entkopplerüberströmenden Vorlaufwassers erhöht und damit die Rücklauftemperatur stetig angehobenwerden. Eine andere Möglichkeit besteht in der geregelten Anpassung der Netz- undKesselkreispumpendrehzahl, so dass sich das Verhältnis von Kessel- zu Verbraucher-volumenstrom im Sinne einer größeren Überströmung ändert (Abbildung 18).


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Abbildung 14: Kesselbeimischpumpe

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Abbildung 15: Kesselbeimischpumpe, Rückgriff auf Verbraucherkreise

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Abbildung 16: Anheizsperre

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Abbildung 17: geregelte Rücklaufbeimischung

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Abbildung 18: Rücklaufanhebung über hydraulische Weiche


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1.4 Zusammenfassung

Im Gegensatz zu Kesseln aus den 70’er Jahren weisen moderne NT- und Brennwertkesselerheblich niedrigere Auskühl- und Oberflächenverluste auf, wodurch die Betriebsbereitschafts-verluste gegenüber den Abgasverlusten an Bedeutung verloren haben. Durch den Einsatzmodulierender bzw. stufiger Brenner können zudem Abgasverluste verringert und hoheTaktraten im Kleinlastbereich vermieden werden. Überdimensionierungen sind nicht mehr alskritisch anzusehen, sofern es sich um Kessel mit großem Wasserinhalt handelt. In diesem Fallwerden durch verkürzte Laufzeiten oder im unteren Modulationsbereich betriebene Brennerniedrigere Abgasverluste erreicht als bei voll ausgelasteten Kesseln. Das Nutzungsgradoptimumverlagert sich in den Teillastbereich. Dennoch gibt es Gründe, die Leistung der Wärmeerzeugungso gering wie möglich zu halten. Bei Gasfeuerungen kann die Anschlussleistung einen Einflussauf die Bezugskosten haben; die Investitionskosten steigen mit der Anlagengröße und einemöglichst kleine Minimal-Leistung des Erzeugers verringert die Taktraten im Teillastfall. EineAnpassung der Auslegungsleistung ist insbesondere bei der Erneuerung bestehender Anlagenerforderlich, da sich die Gebäude-Heizlast oft infolge energetischer Hüllflächensanierungerheblich reduziert hat. Häufig wird deshalb auch der zur Trinkwarmwasserbereitung benötigteSpitzenleistungsbedarf die bestimmende Größe sein. Zur Kesseldimensionierung im Gebäude-bestand bieten sich – alternativ zu den kennwertbasierten Heizlastberechnungen nach DIN EN12831 und DIN 4708 – auf Betriebsdaten beruhende Bemessungsverfahren an, da hierweitgehend auf teuere und fehlerbehaftete Hüllflächen- und Bauteilerhebungen sowieumfangreiche Berechnungen verzichtet werden kann.

Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften heutiger Wärmeerzeuger ist es im Gegensatz zufrüheren Verhältnissen häufig wirtschaftlicher, auch größere Anlagen als Einkesselanlageauszuführen. Gründe der Betriebssicherheit stehen dem jedoch meist entgegen. Zur Vermin-derung der dominierenden Abgasverluste sowie der Schalthäufigkeit empfiehlt es sich, anstatteiner konventionellen Kesselfolge – der Folgekessel wird erst zugeschaltet, wenn der Führungs-kessel voll ausgelastet ist – einen weitgehend parallelen Betrieb beider Kessel in Teillast mitzweistufigen oder modulierenden Brennern einzurichten. Nur im kleinen Lastbereich ist einKessel einzeln zu betreiben, um die Schalthäufigkeit des Folgekessels zu vermindern (parallelerFolgebetrieb). Die ungleiche Leistungsaufteilung – etwa Sommer und Winterkessel - ist beigleichartigen Kesseln nicht mehr sinnvoll. Zudem sind Symmetrie und Funktionstauschzwischen Führungs- und Folgekessel wichtige Argumente. Werden ungleiche Erzeugertypenvorgesehen – also ein Brennwert- und ein NT-Kessel –, so sollte die Leistungsaufteilungentsprechend dem größten Nutzen (größte Betriebsstundenzahl des BW-Kessels,Jahresdauerlinie) erfolgen.

Der Einsatz von Brennwerttechnik sollte heute eine Selbstverständlichkeit sein, sofern dieSystembedingungen den Brennwertbetrieb erlauben (Taupunktunterschreitung bei Gasfeuerungmit Luftüberschuss = 1,2 erst ab ca. 57°C Abgastemperatur möglich). Bei ungünstigen Rücklauf-temperaturbedingungen sollten Optimierungsmaßnahmen wie etwa die Anpassung der System-temperaturen an die Heizlasterfordernisse, Maßnahmen des hydraulischen Abgleiches in denWohngebäudenetzen und die optimale Abstimmung der Pumpen erwogen werden. Verbraucher-seitige Übergabesysteme mit kontinuierlicher Überströmung von Vorlaufwasser in den Rücklauf– etwa hydraulische Entkoppler oder Einspritzschaltungen mit Drei-Wege-Ventil – sind indiesem Fall auch aus Gründen der Umlaufwasserbegrenzung und der Nutzbarkeit von Regel-pumpen im Nahwärmenetz umzurüsten. Durch große Auslegungsspreizungen (z.B. 80/40°C)lassen sich die insbesondere primärenergetisch relevanten Umwälzenergiemengen deutlichreduzieren und es werden optimale Bedingungen für die Brennwertnutzung erreicht.


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Mehrkesselanlagen sollten zur Vermeidung der bei druckbehafteten Verteilern auftretendenregelungstechnischen und funktionalen Probleme hydraulisch entkoppelt werden. WerdenBrenner mit variabler Leistung in parallelen Kesselanordnungen eingesetzt, so ist der Kessel-durchfluss auf die anliegende Brennerleistung abzustimmen. Primärkreise mit Brennwertkesselnsind – sofern der Brennwertwärmetauscher nicht ohnehin von einem ausgekoppelten Netz-rücklauf gespeist wird oder bereits vor dem Mischpunkt eingebunden ist - durch Regelung derKesselkreispumpe mit einer ausgeglichenen Volumenstrombilanz am Entkoppler zu betreiben.Übergabesysteme ohne widerstandsarme Überströmmöglichkeit zwischen Verteiler undSammler sollten durch Drehzahlanpassung der Primärpumpe auf einen niedrigen Differenzdruckgeregelt werden. Ist dies nicht möglich, so sollten vorlauftemperaturvariable Abnehmerkreisezumindest mit einer Strang-Differenzdruckregelung ausgestattet oder als Einspritzschaltung mitDurchgangsventil ausgelegt werden. Die Beibehaltung von Kesselbeimischpumpen ist beiKesseltausch aufgrund der ungünstigen hydraulischen Verhältnisse zu vermeiden.


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2 Betriebsanalyse zweier Nahwärme-Heizzentralen imWohnungsbau-Bestand

Der nachfolgende Teil dieser Arbeit wurde im Auftrag und mit Unterstützung der GEWOBA AGerstellt. Vor dem Hintergrund zukünftiger Modernisierungen im Anlagenbestand des BremerWohnungsbauunternehmens sollte ein vereinfachtes Verfahren der Anlagendimensionierung ausmonatlichen Gaszähler-Fernauslesungen angewendet und die so ermittelte Auslegungsgrößeanhand der Auswertung messtechnisch ermittelter Heizlast-Tagesgänge und einerrepräsentativen Heizlastberechnung praktisch hinterlegt werden. Anhand der Messergebnissekonnte auch die Sanierungseffizienz einer im Jahr 2004 erneuerten Heizzentrale in energetischerund wirtschaftlicher Hinsicht dargelegt werden. Die in diesem Kapitel aufgeführtenAuswertungen sind als Grundlage und Planungsempfehlung für die anstehendenModernisierungsvorhaben an etwa 10 Heizzentralen im Leistungsbereiche zwischen 1,5 bis 6MW gedacht.

2.1 Beschreibung der Heizzentralen

Die für die nächsten Jahre bei der GEWOBA zur Sanierung vorgesehenen Nahwärmeheiz-zentralen stammen aus den 70’er Jahren und sind hinsichtlich Ausführung und Nutzungsbe-dingungen in etwa vergleichbar. Abgesehen von einigen wenigen Gewerbeobjekten (Läden undGeschäfte), sind überwiegend Mehrfamilienhäuser mit durchschnittlich 16 bis 32 Miet- undEigentumswohnungen angeschlossen. Viele der in den 50’er und 60’er Jahren errichtetenGebäude wurden in jüngster Zeit mit Fassadendämmungen von durchschnittlich 8 cm Stärkeausgestattet. Dort, wo noch keine umfassende Hüllflächensanierung stattfand, wurden zumindestin den 80’er Jahren die Giebelwände mit einer 6 cm Dämmung versehen und es ist durchgehendIsolierverglasung eingesetzt.

Die 2- und 3-Kesselanlagen sind meist mit gemeinsamen oder je Kessel separaten Kessel-beimischpumpen ausgestattet; größtenteils wurden in der Vergangenheit motorische Absperr-klappen und vereinzelt auch neue Brenner nachgerüstet. Die Vorlauftemperatur wird zentral überein Beimischventil eingestellt und oberhalb einer Sockeltemperatur von etwa 70°C gleitend derHeizlast angepasst. Zum Teil ist noch eine historisch bedingte Auslegungsvorlauftemperatur vonbis zu 110°C am Zentralregler eingestellt, die aufgrund des unmittelbaren Anschlusses derHeizstränge im Gebäude im allgemeinen nicht nachgeregelt werden kann. Auch eine individuelleAnpassung einzelner Heizkreise an die bei Hüllflächendämmung veränderten Lastbedingungenfand nie statt. Die Hauptrücklauftemperatur bewegt sich dabei im Schnitt und je nach Anlageganzjährig zwischen 52…60°C. Insgesamt fallen die Komponenten der Heizzentralen durchihren schlechten Dämmstandard auf, was sich insbesondere durch die hohen Temperaturen imKessel-Aufstellraum bemerkbar macht. Die Abgasverluste bewegen sich allerdings bei allenAnlagen noch im zulässigen Bereich.

Die Warmwasserbereitung erfolgt im Durchflussprinzip mittels dezentral angeordneter Rohr-bündelwärmeübertrager mit Heizwasserspeicherung (im Durchschnitt 650 Liter Inhalt,Unterlagen siehe Anhang 5). Bei dem bestehenden Zweileitersystem ist alsoauch im Sommerdurchgehend eine entsprechende Netztemperatur von mehr als 70°C erforderlich, dieentsprechend der Herstellerangabe bei Spitzenzapfungen um 30 bis 40 K abgekühlt wird. Beiüberwiegend geringer Entnahme – beispielsweise zur Abdeckung der Zirkulationsverluste –dürften sich bei diesem Prinzip allerdings weitaus höhere Rücklauftemperaturen einstellen. Hier


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liegt möglicherweise auch der Grund für das durchweg hohe Rücklauftemperaturniveau imgesamten Netzbestand. Eine Prinzipskizze der bestehenden Versorgungsnetze ist im Anhang 1eingefügt.

2.1.1 Heizzentrale Kirchweg 119 (Baujahr 1972)

Im Anhang 1 ist eine schematische Darstellung samt Messanordnung der untersuchtenBestandsanlage am Kirchweg 119 dargestellt. Sie besteht aus drei gleichen CTC–Heizkesselndes Typs 1200 U 1400 mit einer Nennleistung von 3*1,628 MW = 4,884 MW (3*1.400.000kcal/h) und einem Kesselwasservolumen von je 1750 Litern. Versorgt werden 532 Wohnein-heiten in 32 Wohn- und 2 Gewerbeobjekten mit einer insgesamt beheizten Fläche von 34.967m2. Eine Verbrauchsanalyse aus Gasabrechnungsdaten nach VDI 3807 [36] ergab einendurchschnittlichen witterungsbereinigten Jahresenergieverbrauch von 186 kWh/m2a (Abbildung19, und Datei „K119_Verbrauchsanalyse“). Im Schaubild zeichnet sich seit der Abrechnungs-periode 2002/03 ein leichter Abwärtstrend ab, der möglicherweise mit der in den letzten Jahrenzunehmenden Zahl sanierter Gebäude-Fassaden erklärt werden kann.

Verbrauchsanalyse- KW 119 -

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1995/96 1997/98 1999/00 2001/02 2003/04

langj. Mittel6,5 MWh/a

Abbildung 19: Verbrauchsanalyse Kirchweg 119

Die Kessel verfügen über eine gemeinsame kontinuierlich betriebene Kesselbeimischpumpe, diefür den Mindestumlauf und zusammen mit dem nachgeschalteten 3-Wege-Mischventil für dieEinhaltung einer Kesselrücklauftemperatur von wenigstens 60°C sorgt. Das Ventil dient in ersterLinie als Stellglied für die zentral geregelte Netz-Vorlauftemperatur und tritt nur bei Sollwertun-terschreitungen der Rücklauftemperatur als Drosselorgan der Netzeinspeisung in Erscheinung.Diese wird entsprechend der Heizkurveneinstellung am Zentralregler oberhalb einerSockeltemperatur von 60°C gleitend der Witterung angepasst. Die Netzpumpen werdendrehzahlvariabel auf einen konstanten Förderdruck von 100 kPa geregelt. Alle Kessel sind mitBrennern der Firma ELCO aus dem Jahr 1972 ausgestattet, die zweistufig mit einer Kleinlast vonjeweils 1,05 MW betrieben werden und eine Nennbelastung von 2,1 MW (1.800.000 kcal/h)erreichen. Durch Ablesung der Betriebsstundenzähler während der Messperiode wurdefestgestellt, dass ausschließlich ein Kessel im Einzelbetrieb in seiner Kleinlaststufe betriebenwurde. Erst bei späterer Auswertung aufgezeichneter Tageslastgänge wurde diesbezüglich einFehler im Regelsystem erkannt, der ein Hochschalten bzw. Zuschalten weiterer Brenner- bzw.Kesselleistung im Bedarfsfall verhinderte, wodurch es teilweise zu – nutzerseitig nochunbemerkten – Unterversorgungen kam. Im Bereich niedriger Auslastungen konnte beobachtetwerden, dass ein ausgesprochen häufiges Takten mit durchschnittlichen Betriebs- und


39

Stillstandszeiten von nur wenigen Minuten vorherrschte. Entsprechend kam es zu periodischenSchwankungen der Kessel-Vorlauftemperatur im Größenbereich von etwa 5°C, die auch durchdas nachgeschaltete Mischventil nicht ausgeglichen werden konnten (siehe Tagesgänge in Datei„Tagesgänge_KW119“). Insgesamt zeichnet sich die Anlage durch eine mäßige Rohrleitungs-dämmung bei vollständig ungedämmten Armaturen aus. Je nach Temperatur der einströmendenVerbrennungsluft wurden im Kesselhaus Raumtemperaturen zwischen 20…25…(30)°Cfestgestellt.

2.1.2 Heizzentrale Kirchweg 125 (Baujahr 2004)

Im Anhang 1 ist eine schematische Darstellung samt Messanordnung der untersuchtenNeuanlage am Kirchweg 125 dargestellt. Sie besteht aus drei gleichen Buderus–Heizkesseln desTyps Logano GE 615 mit einer Nennleistung von 3*820 kW = 2460 kW. DieKesselkonstruktion benötigt laut Herstellerangabe [38] keinerlei externe Maßnahmen zurRücklaufanhebung oder Gewährleistung eines Mindest-Volumenstromes. Eine Betriebs-vorlauftemperatur von 60°C ist bei Gasbrennern jedoch einzuhalten. In den Planungsunterlagen[38] werden bei einer mittleren Kesselwassertemperatur von 70°C spezifische Bereitschafts-verluste von 0,2% und ein Kesselwirkungsgrad im Volllastbetrieb von 92,5% genannt.

Versorgt werden 408 Wohneinheiten in 12 Wohn- und einem Gewerbeobjekt mit einerinsgesamt beheizten Fläche von 24.146 m2. Eine Verbrauchsanalyse aus Gasabrechnungsdatennach VDI 3807 [36] ergab einen witterungsbereinigten Jahresenergieverbrauch von 177kWh/m2a in der Abrechnungsperiode vor der Anlagenmodernisierung (der Anlagenstandardentsprach weitgehend dem der Zentrale im Kirchweg 119) und 149 kWh/m2a im Jahr danach(Abbildung 20 und Datei „K125_Verbrauchsanalyse“). Im Schaubild zeichnet sich seit derAbrechnungsperiode 2001/02 bereits ein leichter Abwärtstrend ab, der möglicherweise mit der inden letzten Jahren zunehmenden Zahl sanierter Gebäude-Fassaden erklärt werden kann. DerEinspareffekt durch die Heizungsanlagenerneuerung tritt allerdings deutlich hervor. Nach dereher groben Bewertungsmethodik der VDI 3807 scheint eine Einsparung von etwa 15 bis 16%möglich. Der Vergleich mit dem langjährigen Mittel vor der Abrechnungsperiode 2001/02 ergibteine Verminderung des so bewerteten Endenergiebedarfes von rund 31%.

Verbrauchsanalyse- KW 125 -

langj. M ittel5,1 GWh/a

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1995/96 1997/98 1999/00 2001/02 2003/04

Abbildung 20: Verbrauchsanalyse Kirchweg 125


40

Die Kessel sind über eine hydraulische Weiche eingebunden und jeweils mit eigenenKesselpumpen ausgerüstet. Die 3-Wege-Mischventile im Kesselstrang sorgen für dieAbstimmung von Kesselwassereinspeisung und Brennerleistung, so dass der vom Kesselabgegebene Wärmestrom immer auf dem geforderten Temperaturniveau eingebracht wird.Sekundärseitig ist ein weiteres Mischventil angeordnet, dass zusätzlich zur witterungsabhängiggleitenden Kesselwassertemperatur eine Nachregelung der Netzvorlauftemperatur bewirkt.Unabhängig davon wird der Netzrücklauf weitgehend konstant mit einer Temperatur zwischen55 und 60 °C zurückgeliefert (siehe Tagesgänge in Datei „Tagesgänge_KW125“). Die beidenNetzpumpen mit einer jeweiligen Nennleistung von 5,5 kW werden im Drehzahlbereichzwischen 700 und 2860 1/Min auf einen konstanten Differenzdruck von 75 kPa geregelt.

Alle Kessel sind mit neuen modulationsfähigen Brennern der Firma ELMATIC (Typ TG 2.115ME) ausgestattet, die einen Leistungsbereich von 150 bis 1115 kW aufweisen. Anhand einerRauchgas-Sonde aus Zirkonium-Dioxid erfolgt eine Optimierung des Abgas-Sauerstoffgehaltesdurch permanente Anpassung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses. Hierzu wird ein linearisierterLuftschieber im Verbund mit der Gasregelklappe über einen Stellmotor elektronischangesteuert.Gleichzeitig erfolgt eine Drehzahlanpassung des Gebläsemotors.

Durch Ablesung der Betriebsstundenzähler während der Messperiode konnte ein parallelerKesselfolgebetrieb zweier Kessel dokumentiert werden (siehe Datei „Verbrauchs-Betriebsdatenerfassung“). In der Übergangszeit Oktober bis etwa Mitte November war zunächstein einzelner Kessel in Betrieb. In der Messperiode zwischen dem 18. und 21.11.05 schaltetedann bei einer mittleren Einzelauslastung von ca. 62 % der zweite Kessel zu. Während dieserZeit kam es vorübergehend zum Takten beider Kessel. In der Zeit danach waren stets beideBrenner in Betrieb, wobei zumindest der Folgekessel permanent durchlief. Bei den Anlagenbe-gehungen konnte ab diesem Zeitpunkt eine stets gleichprozentige Aufteilung derAnlagenleistung mit am Brennerbedienteil ablesbaren Modulationsgraden zwischen 25 und 32%festgestellt werden.

Wie auf den Anlagenfotos („beiliegende CD-ROM“) ersichtlich, sind Rohrleitungen undArmaturen hochwertig gedämmt. Dies macht sich auch anhand der durchweg niedrigenRaumtemperaturen der in einem Wohngebäude angeordneten Heizzentrale bemerkbar.

2.1.3 Ausstattung beider Heizzentralen mit Messgeräten zur Aufzeichnungvon Last- und Temperaturverläufen

Zur Aufzeichnung der Leistungs- und Temperaturmessdaten wurden in beiden HeizzentralenUltraschall-Durchflussmessgeräte mit integriertem Datenspeicher der Firma Flexim (Typ: FluxusADM 7407, Technische Daten siehe Anhang 5) verwendet. Die Außentemperatur wurde miteinem ebenfalls speicherfähigen Messgerät der Firma Testo am Kirchweg 119 aufgezeichnet.Beide Geräte wurden vom Ingenieurbüro synPlan [37] zur Verfügung gestellt und auchperiodisch ausgelesen. Die heizwertbezogenen Endenergiemengen sind dagegen durchGaszählerablesungen (meist im Abstand von 2 Tagen) in den Übergabestationen der swb-AGermittelt worden, wobei die Volumen vor der weiteren Auswertung jeweils in ihrenNormzustand umgerechnet wurden. Schematische Darstellungen beider Heizzentralen samtMessgeräteanordnung sind im Anhang 1 zu finden.


41

2.2 Effizienzuntersuchung einer Sanierungsmaßnahme

Anhand aufgezeichneter Betriebs- und Verbrauchsdaten sowie einer Auswertung vorhandenerKosten- und Ausschreibungsunterlagen der im Jahr 2004 vollständig erneuerten Heizzentralewar es möglich, die Effizienz der erfolgten Sanierungsmaßnahme in Form einer Energieeinspar-und Wirtschaftlichkeitsuntersuchung herauszuarbeiten. Dazu wurden zunächst die Betriebs- bzw.Verlustcharakteristiken der beiden untersuchten Zentralen anhand der Anlagenkennlinie nachdem von Deutscher/Rouvel [11] veröffentlichten Verfahren des normierten Energieaufwandesbeschrieben (siehe auch Kap. 1.2.2.9). Als Grundlage dienten Daten zu- und abgeführterEnergiemengen, die während der Aufzeichnungsphase der weiter unten ausgewerteten Heizlast-Tagesgänge periodisch ausgelesen wurden. Da die neue Zentrale am Kirchweg 125 vor derSanierung aus konstruktiver Sicht identisch mit der heute noch bestehenden Anlage amKirchweg 119 war, ist durch Anwendung der normierten Betriebs-Charakteristik auf dievorherrschende Versorgungssituation eine recht zuverlässige Aussage über die modernisierungs-bedingt eingetretenen Energieeinsparungen möglich. Als Bewertungsmaßstab derWirtschaftlichkeit dient der nach dem LEG-Verfahren [39] definierte Kennwerte „Kosten jeeingesparter kWh“. Weiterhin ist für den Fall einer gleichwertigen Sanierung am Kirchweg 119eine Einspar-Prognose erfolgt, anhand derer die voraussichtliche Heiz-Energiekosteneinsparungvorausberechnet werden konnte. Die Ergebnisse sind nachfolgend aufgeführt.


42

2.2.1 Aufnahme von Anlagenkennlinien nach dem Verfahren vonDeutscher/Rouvel

Die Herleitung der Betriebscharakteristik erfolgte gemäß Abbildung 21 durch periodischeAblesung der Gasverbrauchs- und Wärmemengenzähler in den Heizzentralen. Die zumeist imAbstand von etwa zwei Tagen gewonnenen Daten wurden entsprechend dem von Deutscher undRouvel beschriebenen Verfahren [11] zu den Wertepaaren „Auslastung ( )“ und „normierterEnergieaufwand (wauf)“ normiert und im Diagramm wauf über dargestellt. Als Bezugsgrößendienten jeweils die Messperiodenlänge und die Nennleistung der betriebenen Kessel. Da bei derBestandsanlage durchgehend immer nur ein Kessel in Betrieb war, wurde dementsprechend nichtdie Summenleistung der gesamten Zentrale verwendet, sondern nur die des einzelnen Kessels.Ebenso wurde bei der Neuanlage lediglich die gemeinsame Leistung zweier Kessel als immergleicher Bezug aller Messpunkte verwendet.

Die Abbildung 22 zeigt die entstandenen Anlagenkennlinien. In den nebenstehendenDiagrammen sind die aus Messwerten abgeleiteten Teillast-Nutzungsgrade über der aus derAnlagenkennlinie umgerechneten Nutzungsgradkennlinie dargestellt. Es ist erkennbar, dass sichdie Messpunkte weitgehend mit den berechneten Kurven decken. Die zugehörigen Daten sind inder beigefügten Datei „Verbrauchs-Betriebsdatenerfassung.xls“ zu finden.

Im Fall der neuen Anlage ergab sich bei linearer Regression der Messpunkte zunächst einnegativer Wert im Schnittpunkt mit der Energieaufwands-Achse, was bei Heizkesseln immerdann auftritt, wenn der Nutzungsgrad im Teillastfall höher ist als bei Nennauslastung. DiesesVerhalten kann mit einer Gerade im Diagramm wauf über nicht dargestellt werden, weil hierzuein Wendepunkt vorhanden sein muss. In [11] wird zur Beschreibung dieses Verhaltens dieNotwendigkeit eines Polynoms dritter Ordnung begründet. Dieses wurde auch im betrachtetenFall unter Hinzuziehung der aus Herstellerunterlagen entnommenen Kessel-Bereitschaftsverlusteund dem Nenn-Wirkungsgrad abgeleitet. Bei der Bestandsanlage genügte dagegen – bei einemklassisch mit der Auslastung ansteigenden Nutzungsgrad – die Beschreibung durch eine einfacheGerade.

Vergleicht man die entstandenen Kennlinienverläufe, so fällt bei der Bestandsanlage besondersder wesentlich höhere Bereitschaftsenergieaufwand (w auf,0) ins Auge, der einem durchausplausiblen spezifischen Verlust qB von 8,7% der Feuerungsleistung entsprechen würde. Wenigerglaubwürdig erscheint dagegen der bei Vollauslastung am rechten Achsabschnitt ableitbareKesselwirkungsgrad von =1/1,05=0,95, zumal in einer neueren Emissionsmessung einAbgasverlust von 8% ausgewiesen wurde. Erst bei der Auswertung der nachfolgend nochbehandelten Tageslastverläufe wurde ersichtlich, dass in der Altanlage offensichtlich ein Fehlerin der Brenneransteuerung und zentralen Lastregelung vorhanden ist. Dieser führte dazu, dassder Kessel auch bei weit höheren Lastanforderungen immer nur mit der ersten Brennerstufe (alsobei halber Feuerungsleistung) betrieben wurde. Die Folge war ein starker Abfall der Vor- undRücklauftemperaturen durch Unterversorgung, was stets bei Abnahmeleistungen oberhalb von900 kW eintrat (siehe Tagesgänge in Datei „Tagesgänge_KW119“). Nachfolgend ist daher eineabgewandelte Anlagenkennlinie unter Zugrundelegung des Abgasverlustes aus derSchornsteinfeger-Messung verwendet worden.


43

Abbildung 21: Ermittlung von Anlagenkennlinien

Auslastung

wauf

wauf,0

Messpunkte

altaltaufaltauf aww ,0,),(

m3

kWh

qa

qS

Qzu

Qab

KQ

bq

K

BK

zuauf

tQ

Qw BK

ab

tQ

Q

neuneuaufneuauf aww ,0,),(

a

Auslastung

a

Auslastung

0,23)(

aufa wcba

0,)(

aufa wa

abgeleitete Größen

K

altKaufaltb wq ,0,,

altKaltaaltS qq ,,, 1

wauf

wauf,0

Messpunkte

Nutzungsgrad

wauf

Nutzungsgrad

wauf


45

Betriebscharakteristik der Neuanlage (Kirchweg 125)

0007,00259,11748,01205,0 23),( neuaufw

witterungsbereinigter Jahres-Energieaufwand:

a

MWhQ Hu

Verbrauchazu)(

05/04,, 3585

*entnommen aus der Gasabrechnung 2004/05 (siehe Datei „K125_Verbrauchsanalyse“)

normierter Jahres-Energieaufwand:

250,0/87601640/10003585

.

05/04,,,, ahkW

akWh

tQ

Qw

aBK

Verbrauchazuneuaauf

*Mit QK,neu = 2*820kW

Mittlere Anlagenauslastung:

235,0,neua

Jahres-Energieabgabe an das Versorgungsgebiet:

aMWhhkWtQQ aBneuKneuaaab 337687601640235,0,,,,

Betriebscharakteristik der Altanlage (Kirchweg 119)

abgeleitete Größen:

91,0008,008,011, SAaltK qq *Gleichung (9) mit qS entsprechend Bild 2.3.1-86 aus [13]

0918,0,0, altaufw

087,095,00918,0,0,, altKaufaltb wq

K

B

K

Bauf

qqw

1)( *Gleichung (14)

91,0087,01

91,0087,0

),( altaufw

0033,10956,0),( altaufw


46

witterungsbereinigter Jahres-Energieaufwand:

a

MWhQ Hu

Verbrauchazu)(

05/04,, 5529

*entnommen aus der Gasabrechnung 2004/05 (siehe Datei „K119_Verbrauchsanalyse“)

normierter Jahres-Energieaufwand:

388,0/87601628/10005529

.

05/04,,,, ahkW

akWh

tQ

Qw

aBK

Verbrauchazualtaauf

* mit QK,alt=1*1628kW

Mittlere Anlagenauslastung:

291,00033,1

0956,0388,0,alta

Durchschnittliche Jahres-Energieabgabe an das Versorgungsgebiet:

aMWhhkWtQQ aBaltKaltaaab 415087601628291,0,,,,


47

2.2.2 Nachweis modernisierungsbedingter Energieeinsparungen bei derHeizzentrale „Kirchweg 125“

Der Anlagenstandard am Kirchweg 125 entsprach vor der Modernisierung im Jahr 2004weitgehend dem der Anlage im Kirchweg 119, weshalb bei den entsprechenden Betrachtungendieselbe Anlagenkennlinie verwendet werden kann. Als Bezugsgröße der Auslastung wird dieoben ermittelte durchschnittliche Jahres-Energieabgabe und die vor der Modernisierunginstallierte Anlagenleistung von 3*1163 kW = 3489 kW herangezogen. Auch in diesem Fall wirdvon einem weitgehenden Einkessel-Betrieb ausgegangen.

Anlagenauslastung vor der Modernisierung:

331,087601163

1000*3376

,

,, hkW

kWh

tQ

Q

BavMK

aabvMa

normierter Energieaufwand vor der Modernisierung:

428,0331,00033,10956,0),( altauf vMw

berechneter Energieaufwand vor der Modernisierung:hkWtQwQ BavMKvMaufvMzu 87601163428,0,)(,

a

MWhQ Hu

vMazu

)(

,, 4360

zum Vergleich;witterungsbereinigter Verbrauch am Kirchweg 125 im Jahr vor der Modernisierung:

a

MWhQ Hu

Verbrauchazu)(

03/02,, 4295 *(siehe Datei „K119_Verbrauchsanalyse“)

Einsparung: %)8,17(;77535854360,,,,, MWhMWhMWhQQQ neuazuvMazuzu


48

2.2.3 Prognose von Energieeinsparungen durch Modernisierung derHeizzentrale „Kirchweg 119“

Im Falle einer der Heizzentrale 125 entsprechenden Sanierung kann prinzipiell die gleiche Neu-Anlagenkennlinie unter Zugrundelegung der am Standort vorherrschenden Auslastungs-verhältnisse herangezogen werden. Als Bezugsgröße der Auslastung wird die oben ermitteltedurchschnittliche Jahres-Energieabgabe und eine nach der Modernisierung zu installierendegesamte Anlagenleistung von 2*1300 kW = 2600 kW herangezogen.

Anlagenauslastung nach der Modernisierung:

182,087602600

1000*4150

,

,, hkW

kWh

tQ

Q

BanMK

aabnMa

normierter Energieaufwand nach der Modernisierung:

192,00007,0182,00259,1182,01748,0182,01205,0 23),( neuauf nM

w

berechneter Energieaufwand nach der Modernisierung:

hkWtQwQ BanMKneunMaufnMzu 87602600192,0,),(,

aMWhQ nMzu /4373,

Einsparprognose: %)9,20(;115643735529,,,, MWhMWhMWhQQQ nMazualtazuzu


49

2.2.4 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Anlagensanierung am„Kirchweg 119“

Methoden zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Energieeinsparinvestitionen können in derMietwohnungswirtschaft wegen der vorliegenden Nutzer-Investor-Problematik immer nur eineallgemeine Zweckmäßigkeit aufzeigen. Ein betriebswirtschaftlicher Nutzen für den Investor istdagegen nur in den seltensten Fällen darstellbar, da es in der Regel die Mieter sind, die von derHeizkostenreduktion profitieren, während der Vermieter die nur bedingt umlegbarenInvestitionskosten trägt. Dennoch macht es besonders bei ohnehin anstehenden SanierungenSinn, vor dem Hintergrund allgemeiner Optimierungsüberlegungen einige Betrachtungen dieserArt anzustellen.

Die bereits angesprochene Methodik des Kennwertes „Kosten der eingesparten kWh Energie“[39] kann als anschaulicher Bewertungsmaßstab für derartige Betrachtungen verwendet werden.Das Verfahren stellt die annuitätischen Kosten aus Investition, Wartung und Instandhaltung insVerhältnis zu der gegenüber einer Bezugsvariante eingesparten jährlichen Energiemenge. AlsBezug kann beispielsweise der Zustand vor der Modernisierung oder auch eine Modernisierungs-variante mit einem anderen Kosten/Nutzen-Verhältnis dienen. Sinnvoll ist die Maßnahme immerdann, wenn die Kosten je eingesparter Kilowattstunde niedriger sind, als der aktuelle oder auchein mittlerer Energiepreis während der Anlagen-Lebensdauer. In diesem Fall werden Kostengegenüber der Bezugsvariante eingespart, wodurch die Vorteilhaftigkeit belegt ist.

Nachfolgend soll eine Betrachtung der Wartungs- und Instandsetzungskosten entfallen, da sichdiese gegenüber dem Anlagenbestand nicht wesentlich ändern. Betrachtet wird dieModernisierung der Heizzentrale am Kirchweg 119 nach dem Vorbild der im Jahr 2004erneuerten Anlage am Kirchweg 125. Im Gegensatz dazu wird allerdings von einerZweikesselanlage ausgegangen. Eine überschlägige Ableitung der entsprechendenModernisierungskosten ist unter Verwendung der Schlussabrechnung vom Kirchweg 125 erfolgtund im Anhang 2 aufgestellt.

Modernisierungskosten Komplettsanierung (alle Titel): 208.217,84

*(entsprechend einem Auszug aus der Schlussabrechnung der Modernisierung am Kirchweg 125)

Annuitätsfaktor aP,n (Kapitalzins 5%; Betrachtungszeit 30 Jahre): 0,065 1/a

Äquivalenter Energiepreis, Komplettsanierung:kWhCt

akWha

2,1/10001156

/065,084,217.208

Gegenwärtiger spezifischer Energiepreis: HUe kWhCtk /17,70,

Mittelwert der Energiepreisverteuerung: 46,2em*(bei 30 Jahren Laufzeit, 3%/a Kapitalzins, Preissteigerung 6%/a, entnommen aus [40])

Mittlerer zukünftiger Energiepreis: HUHUme kWhCtkWhCtk /63,17/46,217,7,


50

Aufgrund der erfüllten Bedingungen: 1,2 Ct/kWh < 7,17 Ct/kWh und1,2 Ct/kWh < 17,6 Ct/kWh

kann die Sanierung sowohl bei heutigem, als auch bei einem mittleren zukünftigen Energiepreismit Berücksichtigung von Preissteigerungen als wirtschaftlich sinnvoll angesehen werden.Nachfolgend sind die Auswirkungen der Sanierung auf die mittleren Miet-Nebenkostendargestellt.

Jährliche Energiekosten aus dem Gasbezug

Jährliche Energiekosten am Kirchweg 119, unsaniert, bei heutigem Gaspreis:

0,,,, evMazuvMe kQK

kWhMWhK vMe /0717,05529,

aK vMe /429.396,

spez. Kosten je m2 Wohnfläche: amamK vMe22

, /33,11/967.34429.396

Jährliche Energiekosten am Kirchweg 119, saniert, bei heutigem Gaspreis:

0,,,, enMazunMe kQK

kWhMWhK nMe /0717,04373,

aK tmme /544.313,,

spez. Kosten je m2 Wohnfläche: amamK nMe22

, /96,8/967.34544.313

Betriebskosteneinsparung: amamK e22 /37,2/)96,833,11(

Bei einer 60 m2 Wohnung sind dies: 142,20 /a , was etwa 20,9 % der heutigen Kostenausmacht


51

2.3 Erprobung eines verbrauchsbasierten Verfahrens derHeizlastermittlung

Durch die Auswertung monatlicher Gasverbrauchswerte mehrerer zurückliegender Jahre (Datender Betriebskostenabteilung) in Abhängigkeit zugehöriger mittlerer Außentemperaturen (Datendes Deutschen Wetterdienstes [28]) wurden verbrauchsbasierte Wärmeleistungen derNahwärmeheizzentralen Kirchweg 119 und 125 ermittelt. Eine über der Außentemperaturaufgestellte Regressionsgerade soll bei dem Verfahren Rückschlüsse über die benötigteAnschlussleistung bei Auslegungsaußentemperatur, den Wärmeverlustkoeffizient in Watt proKelvin und die Heizgrenztemperatur ermöglichen (siehe auch Kapitel 1.2.6.4).

Hinsichtlich der so ermittelten und als Planungsgrundlage für die Anlagenmodernisierungwichtigen Auslegungsleistung sollte im Rahmen der Diplomarbeit geprüft werden, inwieweit dieErgebnisse für typische Nahwärmenetze der GEWOBA plausibel sind und ob eineVergleichbarkeit mit den Ergebnissen anderer Verfahren besteht. Fraglich war insbesondere, obdas Verfahren - auch hinsichtlich des Streubereiches der einzelnen Betriebspunkte - zuverlässiggenug ist und somit eine ausreichende Planungs- und Funktionssicherheit erreicht wird.

Vorteile ergeben sich dadurch, dass gegenüber einer herkömmlichen Heizlastberechnungvergleichsweise wenig Aufwand betrieben werden muss, woraus sich Einsparungen bei denProjektierungskosten ergeben. Eine möglichst exakte Erzeugerdimensionierung empfiehlt sich injedem Fall, da durch die Vermeidung unnötiger Überdimensionierungen erhebliche Investitions-kosten gespart und ungünstige Betriebsbedingungen vermieden werden können (siehe auch Kap.1.2.2.10). Betriebskostenseitig ergeben sich Einsparungen durch die exakte Dimensionierung,wenn von den Gasversorgern Leistungspreise erhoben werden.

2.3.1 Ergebnisse der verbrauchsbasierten Heizlastermittlung

Zur Aufstellung der Regressionsgeraden wurden zunächst die monatlichen Gas-Verbrauchswerteaus der Betriebskostenabteilung (jeweils umgerechnet auf den Heizwert) in (kWh/Messzeitraum)durch die zugehörige Abrechnungsperiodenlänge in (h/Messzeitraum) geteilt. Die sogewonnenen mittleren „Monats“-Leistungen wurden anschließend über den Außentemperaturendieser Zeitabschnitte aufgetragen und eine dem Mittelwert der gestreuten Betriebspunkteentsprechende Gerade bis zur Auslegungstemperatur extrapoliert. Da die Abrechnungsperiodenmeist nicht genau identisch mit einem bestimmten Monat waren, wurden von der Internetseitedes Deutschen Wetterdienstes [28] die Tagestemperatur-Mittelwerte beschafft und diese in einereigens dazu angelegten Excel-Datenbank in die individuellen Mittelwerte der Abrechnungs-periode umgerechnet (siehe Datei „K119_Auslegungsleistung“ bzw. „K125_Auslegungs-leistung“). Die entstandene Charakteristik weist in Temperaturbereichen oberhalb derHeizgrenztemperatur einen konstanten Verlauf auf. Bei niedrigeren Werten steigt die Geradelinear an (siehe auch Kap. 2.3.2.1). Da die Betriebspunkte oberhalb der Heizgrenze eine starkgemittelte Warmwasserleistung kennzeichnen, die in dieser Form nicht als Auslegungsmaßstabdienen darf, wurde der lineare Abschnitt parallel bis zum Schnittpunkt mit der Temperaturachseverschoben. Die aus dem Diagramm ablesbare Geradensteigung in (W/K) kann mit der inBremen üblichen Auslegungstemperaturdifferenz von 32 Kelvin (entspricht 20°CInnentemperatur und -12°C Außentemperatur am kältesten Tag) multipliziert werden und ergibtso einen brauchbaren Auslegungswert für die Raumheizung (Siehe auch Diskussion derErgebnisse in Kapitel 2.4.4.2). Die Abbildungen 23 und 24 zeigen die so ermitteltenErgebnisseder beiden Heizzentralen (siehe auch Dateien „K*.*_Auslegungsleistung“).


52

Leistung aus gemessenem Verbrauch- Kirchweg 119 -

y = -62,237x + 928,84

0

500

1000

1500

2000

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Außentemperatur, in [°C]

0

500

1000

1500

2000

Abbildung 23: Diagramm Leistung aus gemessenem Verbrauch Kirchweg 119

Leistung aus gemessenem Verbrauch- Kirchweg 125 -

y = -39,069x + 567,5

0

500

1000

1500

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Außentemperatur, in [°C]

0

500

1000

1500

Abbildung 24: Diagramm Leistung aus gemessenem Verbrauch Kirchweg 125


53

Für die Bestandsanlage im Kirchweg 119 ergibt sich demnach:

Spezifischer Wärmeverlustkoeffizient: 62.237 W/K

Heizlast am kältesten Tag: (QHL): 1992 kW

Spezifische Heizlast: 57 W/m2

Heizgrenze: 14,9°C

Für die neue Anlage am Kirchweg 125 ergibt sich demnach:

Spezifischer Wärmeverlustkoeffizient: 39.069 W/K

Heizlast am kältesten Tag(QHL): 1250 kW


Heizgrenze: 14,5°C


54

2.3.2 Ergebnisse der Bedarfsberechnungen nach DIN EN 12831 und DIN4708

Zum Vergleich mit den obigen Ergebnissen wurden im Rahmen dieser Arbeit Norm-Bedarfsberechnungen zur Heizlastbestimmung durchgeführt, wie sie standardmäßig in derNeubauplanung erfolgen. Aufgrund des hohen Aufwandes wurde die Heizlastberechnung nachDIN EN 12831 [35] allerdings nur für ein repräsentatives Mehrfamilien-Hausam Nahwärmenetzder Heizzentrale am Kirchweg 119 durchgeführt. Das Gebäude wurde dazu zweimal mit jeweilsunterschiedlichen Dämmstandards berechnet, um eine Hochrechnung auf die unterschiedlichenGebäudestandards am gesamten Netz zu ermöglichen. Dies erfolgte durch Herstellung desentsprechenden Flächenbezuges auf die ermittelte spezifische Heizlast des untersuchtenWohnhauses. Eine Übersicht der Hochrechnung ist im Anhang 3 eingefügt; das Summen-ergebnis des gesamten Versorgungsgebietes ist weiter unten aufgeführt. Weiterhin wurde derSpitzenbedarf zur Warmwasserbereitung nach dem Verfahren der DIN 4708 [30] unter Berück-sichtigung des Puffervolumens des Nahwärme-Rohrnetzes und der Warmwasserbereiterermittelt.

2.3.2.1 Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 für das Nahwärmenetz am Kirchweg 119

Berechnet wurde ein 4-geschossiges Gebäude in der Friedrich-Wagenfeld-Str. (Block 11)mitdrei Eingängen, die jeweils 8 Wohnungen erschließen. Das Gebäude wurde im Jahr 1957errichtet und im Jahr 1971 an das damals neu eingerichtete Nahwärmenetz angeschlossen. Seitdamals wurden im gesamten Versorgungsgebiet alle Fenster mit 2-Scheiben-Isolierverglasung inneuerer Kunststoffrahmen-Bauweise ausgestattet und die Giebelwände der Gebäude wurden inden 80’er Jahren mit einer etwa 6cm dicken Außendämmung versehen. Die Mehrzahl der Häuserist jedoch kürzlich renoviert worden, so dass hier bereits eine vollständige Fassadendämmungmit durchschnittlich 8 cm Dämmstoffdicke vorhanden ist.

Die Ergebnisse der beiden Berechnungen (voll- und teilsaniert) nach dem ausführlichenVerfahren der DIN EN 12831 sind im Formblatt G3 im Anhang 3 eingefügt. Hier sind auch diezugrunde liegenden Bauteilkonstruktionen und U-Wert Berechnungen (berechnet mit [41])eingefügt und es liegen Kopien der Grundrisspläne bei. Die gesamte Heizlastberechnungbefindet sich aus Platzgründen nicht im Anhang; die entsprechenden Excel-Berechnungsblättersind im Dateiordner „Heizlast“ auf der beigefügten CD-ROM zu finden und können dortnachvollzogen werden.

Die Hochrechnung der Bedarfsrechnung auf das gesamte Versorgungsgebiet am Kirchweg 119ergab (Übersicht im Anhang 3)

Spezifischer Wärmeverlustkoeffizient (H): 64.361 W/K

Heizlast am kältesten Tag ( HL): 2068 kW



55

Zum Vergleich nochmals die Ergebnisse nach dem verbrauchsbasierten Verfahren aus Kapitel2.3.1:

Spezifischer Wärmeverlustkoeffizient: 62.237 W/K Abweichung (-3,3%)

Heizlast am kältesten Tag (QHL): 1992 kW Abweichung (-3,7%)

Spezifische Heizlast: 57 W/m2 Abweichung (-3,3%)

Wie sich zeigt, sind die Ergebnisse abgesehen von einer Abweichung kleiner 4% nahezuidentisch.

2.3.2.2 Berechnung des Spitzenbedarfes zur Warmwasserbereitung nach DIN 4708

Für beide Nahwärmenetze wurde anhand von Grundrissplänen der angeschlossenen Gebäudezunächst die Bedarfskennzahl N nach Teil 2 der Norm berechnet. Die Rechnung ist imzugehörigen Formblatt (Tabelle 5, DIN 4708 Teil 2) erfolgt und in der Datei „*.*_Auslegungs-leistung“ auf der beigefügten CD-Rom neben einer Auflistung der aus den Plänen erarbeitetenBerechnungsdaten eingefügt. Anschließend wurden die so ermittelten Bedarfskennzahlen nachder in Teil 1 beschriebenen Systematik in den gemeinsam benötigten Wärmebedarf zurSpitzenlastdeckung umgerechnet.

Da die Bedarfskennzahlen nicht mehr in dem in der Norm abgebildeten Diagramm aufgeführtsind, mussten die zugrunde liegenden Rechenalgorithmen verwendet werden. Die Berechnung istin den Excel-Dateien „*.*_Auslegungsleistung“ auf der beigefügten CD-ROM enthalten undkann dort nachvollzogen werden. Der zugrunde liegende Bedarfszeitraum wurde in derRechnung solange iterativ angepasst, bis der Wärmebedarf WZ gleich dem zur Verfügungstehenden Wärmespeichervermögen war. Dieses ergibt sich aus dem Vorlauf-Wasservolumendes Nahwärmenetzes, einer angenommenen Vorlauf-Auskühlung von 40 Kelvin bei derWarmwasserbereitung und dem Puffervolumen der Wasserbereiter, die durchschnittlich 650Liter Heizungswasser speichern. Die erforderlichen Daten zur Abschätzung des Speicherver-mögens wurden aus Gründen der Vereinfachung allerdings nur für das Netz am Kirchweg 119aus alten Bestandsplänen der Rohrleitungsführung ermittelt. Für das Netz am Kirchweg 125erfolgte eine überschlägige Abschätzung mittels eines abgeleiteten Kennwertes in(kWh/Wohnblock). Eine Auflistung der Bestandsaufnahme ist im Anhang 4 eingefügt.

Die erforderliche Erzeugerleistung zur Abdeckung des Warmwasserbedarfes WZ in (kWh) imzugehörigen Bedarfszeitraum z in (h) ergibt sich aus dem Quotienten der beiden Werte. DieErgebnisse sind nachfolgend dargestellt.


56

Für die Bestandsanlage am Kirchweg 119 ergibt sich ein Spitzenbedarf zurWarmwasserbereitung von:

kWQWW 903

Zum Vergleich das Ergebnis der verbrauchsbasierten Heizlast (Raumheizung, kältester Tag):

kWQ HL 1992

Für die Neuanlage am Kirchweg 125 ergibt sich ein Spitzenbedarf zur Warmwasserbereitungvon:

kWQWW 656


kWQ HL 1250

In beiden Fällen ergibt sich ein annähernd doppelter Leistungsbedarf zur Abdeckung desWärmebedarfes der Raumheizung.


57

2.3.3 Ergebnisse ausgewerteter Tagesgänge der Anlagenleistung

Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung bedarfsgerechter Auslegungsleistungen besteht darin,mit messtechnischen Mitteln die täglichen Lastverläufe einer zur Modernisierung vorgesehenenAnlage aufzuzeichnen. Die in einer repräsentativen Messperiode aufgetretenen Spitzenlastfälleliefern in diesem Fall die Grundlage für eine Extrapolation, so dass auf die erforderlicheErzeugerleistung am kältesten Tag geschlossen werden kann.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die beiden Heizzentralen am Kirchweg 119 und 125 mitMesstechnik zur Aufzeichnung von Temperatur- und Lastgängen ausgestattet und während einerMessperiodendauer von 50 Tagen im Zeitraum Oktober bis Dezember 2005 beobachtet. In denbeigefügten Dateien „Tagesgänge_KW *.*“ können die entstandenen Verläufe detailliertabgerufen werden. Die nachfolgend erörterten Ergebnisse sollen ebenso wie die bereitsdargelegten Bedarfsrechnungen als Maßstab zur Absicherung der verbrauchsbasiertenHeizlastermittlung dienen.

In beiden Versorgungsgebieten zeigt sich eine prinzipiell ähnliche Abnahmecharakteristik, diesich im Wesentlichen durch zwei tägliche Lastspitzen auszeichnet (Abbildungen 24 und 25).Entgegen der nahe liegenden Vermutung, dass das tägliche Lastmaximum bei minimalerAußentemperatur in den frühen Morgenstunden auftritt, stellte sich dieser Zustand meist beideutlich höheren Temperaturen und in den frühen Abendstunden ein. Abbildung 26 zeigt eineGegenüberstellung des Temperatur-Minimums und der Temperaturen bei Lastmaximum.Abbildung 27 enthält die zugeordneten Heizlasten. Aus diesem Zusammenhang lässt sichschließen, dass die abendliche Lastspitze zwar einen geringeren außentemperaturabhängigenAnteil aufweist als die morgendliche, dafür aber ein Warmwasserbedarf vorherrscht, der den ansich geringeren Bedarf zur Raumheizung mehr als ausgleicht. Die Lastspitzen von Raumheizungund Warmwasserbereitung fallen also nicht auf den gleichen Zeitpunkt, weshalb Leistungen, dieeiner Aufsummierung der berechneten Bedarfswerte nach DIN EN 12831 und DIN 4708entsprechen, nicht abgebildet werden.

Die Abbildungen 28 und 29 zeigen eine Auswertung aller täglichen Lastmaxima über derzugehörigen Außentemperatur. Im Diagramm für den Kirchweg 119 sind einige Punkte rotgekennzeichnet. Sie fließen nicht mit in die Auswertung ein, da zu diesen Zeiten eineFehlfunktion in der Brennerregelung auftrat und es daher zu Unterversorgungen kam. DieRegressionsgeraden ergeben in beiden Fällen eine geringere Steigung als bei demverbrauchsbasierten Verfahren.


58

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

Tageszeit

-5

0

5

10

15

20

Heizlast Außentemperatur

Abbildung 24: Tagesgang Kirchweg 119/Sa 05.11.05

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00

Tageszeit

-5

0

5

10

15

20

Heizlast Außentemperatur

Abbildung 25: Tagesgang Kirchweg 125/Mo 31.10.05


59

-2

3

8

13

18

Kirchweg 125

Temperatur-Minimum [°C] Temperatur bei Last-Maximum [°C]

Abbildung 26: Außentemperaturen während der gesamten Messperiode am Kirchweg 125

0

200

400

600

800

1000

1200

Heizlast bei Temperaturminimum Last-Maximum

Abbildung 27: Zu Abb. 26 zugehörige Lastzustände am Kirchweg 125


60

Heizlastmaximum über zugehöriger Außentemperatur- Tagesgangauswertung Kirchweg119-

y = -46,656x + 1129,2

0

500

1000

1500

2000

2500

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Außentemparatur [°C]

Abbildung 28: Auswertung der Tagesgänge Kirchweg 119

Heizlastmaximum über zugehöriger Außentemperatur-Tagesgangauswertung Kirchweg 125-

y = -32,514x + 735,39

0

500

1000

1500

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Außentemparatur [°C]

Abbildung 29: Auswertung der Tagesgänge Kirchweg 125


61

Nachfolgend sind die jeweils extrapolierten Leistungswerte bei minimaler Außentemperaturaufgeführt:

Für die Bestandsanlage am Kirchweg 119 ergibt sich ein Spitzenbedarf für Warmwasser undRaumheizung von:

kWQ Tagesgang 1689

Zum Vergleich das Ergebnis der verbrauchsbasiert ermittelten Heizlast (Raumheizung, kältesterTag):

kWQ HL 1992

Für die Neuanlage am Kirchweg 125 ergibt sich ein Spitzenbedarf für Warmwasser undRaumheizung von:

kWQ Tagesgang 1126


kWQ HL 1250

In beiden Fällen würde eine Auslegung der Erzeugerleistung auf den alleinigen Bedarf derRaumheizung ausreichen, um die aus den Tagesgängen abgeleiteten Lastverhältnisse vollständigabdecken zu können.


62

2.4 Ergebniszusammenfassung der Betriebsanalysen

2.4.1 Allgemeine Betrachtungen für die zur Modernisierung vorgesehenenAnlagen

2.4.1.1 Netzbetrieb und Systemtemperaturen

Bei Besichtigung der zur Modernisierung vorgesehenen Anlagen am 25.08.2005 wurdendurchweg hohe Rücklauftemperaturen zwischen 55 und 60°C festgestellt, die den Einsatz vonBrennwerttechnik bei der Anlagenmodernisierung zunächst in Frage stellen. DieBetriebsmessungen an den untersuchten Anlagen am Kirchweg 119 und 125 bestätigen dieseBeobachtung auch bei gleitenden Vorlauftemperaturen und wechselnden Auslastungen, wasletztlich auf einen ganzjährigen Trend mit abnahmeseitig bedingt zu niedrigerVorlaufauskühlung hinweist. Gründe hierfür liegen in dem nur zentral geregelten Vorlauf miteiner für die vorherrschenden Heizlast meist zu hohen Sockeltemperatur, den zum Teil nochhistorisch bedingten Auslegungsvorlauftemperaturen von bis zu 110°C, der nicht erfolgtenAnpassung der Gebäude-Heizkreise an erfolgte Hüllflächendämmungen und der ungünstigenEinbindung der dezentralen Warmwasserbereiter, die bei ausschließlichem Zirkulationsbetriebkein ausreichendes Temperaturgefälle für die Vorlaufauskühlung bieten.

Der Vergleich der im Block 11 installierten Heizkörperflächen mit den in derHeizlastberechnung abgeleiteten Raumheizlasten für das sanierte Gebäude ergibt bei einerüblichen Auslegungsspreizung von 70/55 Überdimensionierungen von 112 bis 271%, worausgenerell auf die Notwendigkeit zur Anpassung der Gebäudeheizkreise an die bestehende Heizlastgeschlossen werden kann. Eine Raumübersicht der Heizlast und der jeweils installiertenHeizkörperleistung ist im Anhang 6 neben einem Diagramm mit den erforderlichen bzw.möglichen Systemtemperaturen zur optimalen Heizkörperdimensionierung eingefügt.

Empfohlen wird eine dezentrale und gebäudeinterne Nachregelung der Vorlauftemperatur, dieBegrenzung der zentralen Vorlauftemperatur auf maximal 70°C (wegen der WW-Bereitung amZweileiternetz) und eine Optimierung der Warmwasserbereitungssysteme, so dass einegenügende Vorlaufauskühlung für große Spreizungen und niedrige Rücklauftemperaturen imNahwärmenetz sorgt. Hierdurch wird die Möglichkeit der Brennwertnutzung begünstigt und esergeben geringere Umlaufwassermengen im Netz, was zur Einsparung von Pumpenenergie führt.

2.4.1.2 Dämmstandard der Anlagenkomponenten und Kessel

Insgesamt fallen die Komponenten der Heizzentralen durch ihren schlechten Dämmstandard mitnur mäßiger und teilweise unvollständiger Rohrummantelung und vollständig ungedämmtenArmaturen auf. Je nach Temperatur der ins Kesselhaus einströmenden Außenluft tretenTemperaturen zwischen 20…25…(30)°C im Innenraum auf, was bei einer ganzjährigenBetriebszeit eine große Energieverschwendung ausmacht. Aus der abgeleiteten Anlagenkennlinieder Bestandsanlage lässt sich dementsprechend auch ein spezifischer Bereitschaftsverlust von8,7% (enthält auch die Verluste der Rohrleitungen und Armaturen im Kesselhaus!) entnehmen,dem ein Verlust der modernen Anlage von nur 0,2% (bei Vernachlässigung der Rohr- undArmaturenverluste) entgegensteht. Auch aus verordnungsrechtlicher Sicht – die EnEV fordertdie Dämmung von zugänglichen Rohrleitungen und Armaturen bis zu 31.12.2006 – besteht hierein dringender Handlungsbedarf.


63

2.4.2 Betrachtung der Heizzentrale am Kirchweg 119 (Altanlage)

2.4.2.1 Störung im Regelsystem des Brenner- und Lastprogrammes

Durch Ablesung der Betriebsstundenzähler während der Messperiode wurde festgestellt, dassdurchgehend nur ein Kessel im Einzelbetrieb in seiner Kleinlaststufe betrieben wurde. Beispäterer Auswertung aufgezeichneter Tageslastgänge wurde diesbezüglich ein Fehler imRegelsystem erkannt, der ein Hochschalten bzw. Zuschalten weiterer Brenner- bzw.Kesselleistung im Bedarfsfall verhinderte, wodurch es teilweise zu – nutzerseitig nochunbemerkten – Unterversorgungen kam. Hier besteht dringender Handlungsbedarf zurBeseitigung der Störung, da es ansonsten bei besonders niedriger Außentemperatur mitSicherheit zu Beschwerden der Mieter kommen wird.

2.4.2.2 Brennerbetrieb und vorherrschende Kesseldimensionierung

Während der Übergangszeit zwischen Oktober und Mitte November konnte beobachtet werden,dass ein ausgesprochen häufiges Takten mit durchschnittlichen Betriebs- und Stillstandszeitenvon nur wenigen Minuten vorherrschte. Dieses Verhalten weist auf eine erheblicheÜberdimensionierung der Kesselleistung hin, was zwangsläufig erhöhte Vorspülverluste undunnötige Schadstoffemissionen zur Folge hat. Dies wird auch anhand der verbrauchsbasiertermittelten Heizlast für das Nahwärmegebiet dokumentiert, die mit einer benötigtenAuslegungsleistung von rund 2 MW deutlich unter der installierten Leistung von 4,8 MW liegt.Durch Anlagenmodernisierung können hier erhebliche Einsparungen erzielt werden, wennmodulierende oder mehrstufige Brenner mit besonders niedriger Kleinlast in passenddimensionierten Kesseln eingesetzt werden. Die Abgasanlage muss in diesem Fall aberfeuchteunempfindlich ausgestaltet werden.

2.4.2.3 Prognose von Energieeinsparungen im Falle der Anlagenmodernisierung

Anhand der nach dem Verfahren des normierten Energieaufwandes abgeleitetenAnlagenkennlinien der Bestands- und der Neuanlage ergibt sich bei einer durchschnittlichenNutzenergieabgabe an das Versorgungsgebiet von 4150 MWh/a

eine mit der modernen Anlage aufzubringenden Endenergiemenge von 4373 MWh/a undeine mit der alten Anlage aufzubringende Endenergiemenge von 5529 MWh/a

Daraus ergibt sich eine modernisierungsbedingte Energieeinsparung von 1156 MWh/a , waseiner Minderung von 20,9% entspricht.

Auswirkung der modernisierungsbedingt eintretenden Energieeinsparung auf dieGasbezugs- und Mietnebenkosten

Die jährlichen Gasbezugskosten am Kirchweg 119 (unsaniert) bei einem heutigen Gaspreis von7,17 Ct/kWh(Hi) betragen:(Preis vom 30.12.2005) 396.429 /a

Im Modernisierungsfall würde sich eine Betriebskosteneinsparung von insgesamt:

82.885 /a ergeben


64

Umgelegt auf eine 60m2 Wohnung bedeutet dies eine Einsparung von rund 140 /a

Wirtschaftliche Bewertung der geplanten Sanierungsmaßnahme unter Berücksichtigungder Investitionskosten

Bei angenommenen Modernisierungskosten für den Kirchweg 119 von:208.217 ,

ergeben sich mit einem Kapitalzins von 5% und einer Laufzeit von 30 Jahren jährlicheKapitalkosten von: 13.534 /a

Diesen steht eine Energieeinsparung von 1.156.000 kWh/a gegenüber

Demnach ergibt sich ein äquivalenter Energiepreis für die eingesparte kWh von: 1,2 Ct/kWh

1,2 Ct/(nicht verbrauchter kWh) < 7,17 Ct/(verbr. kWh)

Die günstigere kWh ist also diejenige, die im Falle der Anlagenmodernisierungzukünftig nicht mehr verbraucht wird !

Eine Sanierung der Altanlage am Kirchweg 119 ist demnachauch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als sinnvoll anzusehen !

2.4.3 Betrachtung der Heizzentrale am Kirchweg 125 (Neuanlage)

2.4.3.1 Brennerbetrieb und vorherrschende Kesseldimensionierung

Während der Messperiode konnte durch Ablesung der Betriebsstundenzähler ein parallelerFolgebetrieb zweier Kessel dokumentiert werden. Während einer relativ kurzen Zeitspanne nachdem Zuschalten des Folgekessels kam es zum Takten beider Kessel, was eventuell auf einen zufrühen Zuschaltpunkt des Folgekessels hindeuten könnte. Während der überwiegendenBetriebszeit herrschte allerdings ein energetisch sinnvoller Parallelbetrieb beider Kessel beiniedrigen Modulationsgraden und nahezu unterbrechungsfreiem Brennerbetrieb. Insofernentspricht die Betriebsweise den heute üblichen Richt- und Planungsempfehlungen und kann alsvorbildlich angesehen werden.

Die aus Gasverbrauchwerten bzw. Tageslastgängen abgeleitete Dimensionierungsgröße derKesselleistung liegt für das angeschlossene Nahwärmegebiet bei etwa 1,2 MW. Damit ist dieinstallierte Kesselleistung von 2,46 MW annähernd doppelt so groß wie sie eigentlich seinmüsste. Dies ist betriebstechnisch zwar nicht von Nachteil, zeigt allerdings einigeEinsparmöglichkeiten bei den Investitionskosten auf. In vergleichbaren Fällen sollte alsozukünftig eine Anlagenkonzeption als Zweikesselanlage erwogen werden. Weiterhin ist beigleitender Kesselwassertemperatur der Einbau des Mischventiles hinter der hydraulischenWeiche in Frage zu stellen, da die aufgezeichneten Temperatur-Tagesgänge keinen wesentlichenfunktionale Nutzen aufzeigten.


65

2.4.3.2 Nachweis von modernisierungsbedingten Energieeinsparungen

Anhand der nach dem Verfahren des normierten Energieaufwandes abgeleitetenAnlagenkennlinien der Bestands- und der Neuanlage ergibt sich bei einer durchschnittlichenNutzenergieabgabe an das Versorgungsgebiet von 3376 MWh/a

eine mit der modernen Anlage aufzubringenden Endenergiemenge von 3585 MWh/a undeine mit der alten Anlage aufzubringende Endenergiemenge von 4360 MWh/a

Daraus ergibt sich eine modernisierungsbedingte Energieeinsparung von 775 MWh/a , waseiner real eingetretenen Minderung von 17,8% entspricht.


66

2.4.4 Abgleich der verbrauchsbasiert ermittelten Heizlast mit denErgebnissen anderer Verfahren

2.4.4.1 Ergebnisübersicht

Kirchweg 119 Auslegungsleistung[kW]

Wärmeverlustkoeffizient[W/K]

verbrauchsbasiertesVerfahren 1992 62.237

DIN EN 12831Heizlastberechnung 2068 64.361

DIN 4708Warmwasserspitzenbed. 903 -

ExtrapolierteLastspitzen aufgez.

Tagesgänge(WW+Hzg)

1689 46.656

Kirchweg 125 Auslegungsleistung[kW]

Wärmeverlustkoeffizient[W/K]

verbrauchsbasiertesVerfahren 1250 39.069

DIN EN 12831Heizlastberechnung - -

DIN 4708Warmwasserspitzenbed. 656 -

ExtrapolierteLastspitzen aufgez.

Tagesgänge(WW+Hzg)

1126 32.514

2.4.4.2 Diskussion der Ergebnisse

Die verbrauchsbasiert aus monatlichen Gaszählerablesungen ermittelte Heizlast am Kirchweg119 zeigt eine gute Übereinstimmung mit der nach DIN EN 12831 theoretisch berechneten.Auch die im Diagramm ablesbare Geradensteigung in [W/K] stimmt mit dem Wärmeverlust-Koeffizienten der Bedarfsberechnung – abgesehen von einer Abweichung kleiner 4% - nahezuüberein. Bedenkt man allerdings, dass die Bedarfsrechnung eine Nutzleistung ausgibt und dasverbrauchsbasierte Ergebnis auf Endenergien einschließlich der Erzeugerverluste beruht, soscheinen Heizlastberechnungen Ergebnisse zu liefern, die den tatsächlichen Bedarf übersteigen.

Ähnlich verhält es sich mit den nach DIN 4708 berechneten Spitzenbedarfswerten für dieWarmwasserbereitung. Gegenüber den aus den Tageslastdiagrammen oberhalb der Heizgrenzeabgeleiteten Lastspitzen erscheinen die berechneten Werte um etwa das 2,2…2,3 fache zu groß.

Größere Abweichungen ergeben sich auch zwischen verbrauchsbasierter Methode undLastspitzenauswertung der aufgezeichneten Tagesgänge. Obwohl im letzteren Falldie Summe


67

der Bedarfe aus Warmwasserbereitung und Gebäudeheizung abgebildet wird, ergibt sichdennoch ein um 15% niedrigerer Auslegungswert als nach der verbrauchsbasierten Methode. DerGrund hierfür liegt zum einen in der beim verbrauchsbasierten Verfahren größer angenommenenAuslegungstemperaturdifferenz – obwohl bei -12°C eine reale Differenz von innen zu außen von32 Kelvin besteht, wird dem Heizungssystem infolge innerer Wärmequellen und Fremdenergientatsächlich nur eine Leistung entnommen, die bei einer Heizgrenztemperatur von 15°C einerDifferenz von rund 27 Kelvin entspricht. Andererseits liegen der verbrauchsbasierten MethodeEndenergiemengen zugrunde, die auch die Erzeugerverluste mit einschließen, wohingegen dieTageslastgänge auf vom Erzeuger abgegebenen Leistungen und somit Nutzenergien beruhen.Dies ist der Grund, weshalb die Regressionsgerade im letzteren Fall flacher verläuft. Legt mandie der verbrauchsbasierten Methode zugrunde liegenden Betriebspunkte auf dieNutzenergieseite um und bildet daraus die Regressionsgerade, so nähert sich deren Steigungderjenigen aus den Tagesgängen an. Das im Kapitel 2.3.1 beschriebene Verfahren kanndiesbezüglich anhand der Anlagencharakteristik nach dem normierten Energieaufwand mitgeringfügig höherem Aufwand verfeinert werden. Der Zusammenhang soll nachfolgenddargelegt werden.

Die Nutzleistung zur Deckung des Bedarfes zur Gebäudeheizung berechnet sich nach demZusammenhang:

GHQ ARaumNutz )( (20)

)( AHGNutz HQ (21)

Darin ist G der aus inneren Wärmequellen und Fremdenergien auftretende Wärmegewinn, derdie Raumheizlast bis zum Erreichen der Heizgrenztemperatur abdeckt.

)( HGRaumHG (22)

Werden - wie im Kapitel 2.3.1 beschrieben - Endenergien zur Aufstellung des ZusammenhangesLeistung über Außentemperatur verwendet, ergibt sich für die Regressionsgerade im Diagrammder lineare Zusammenhang

cmQ AE A )( (23), worin m der Geradensteigung in [W/K] entspricht.

Sie kann unmittelbar dem Diagramm entnommen werden und anhand der Definition desnormierten Energieaufwandes in die zur Berechnung der Auslegungsleistung QNutz benötigtenWärmeverlustkoeffizienten H überführt werden. Der Zusammenhang soll nachfolgenddargestellt werden.

Die Definition des normierten Energieaufwandes nach Gleichung (5)

aww aufauf 0,)( (5),

kann mit den Gleichungen (2), (4) und (14) auch folgendermaßen dargestellt werden:


68

BK

N

K

B

K

B

BK

E

tQ

Qqq

tQ

Q 1(24)

Ersetzt man die End- und Nutzenergiemengen durch das Produkt aus Leistung und Betriebsdauerso ergibt sich:

K

N

K

B

K

B

K

E

Q

Qqq

Q

Q 1(25)

Wird jetzt Gleichung (21) für die Nutzleistung eingesetzt und mit der Kesselleistungmultipliziert, so ergibt sich ein Gleichung (23) äquivalenter Ausdruck für dieEndenergieleistung.

)(1

AHGK

BK

K

BE H

qQ

qQ (26)

Darin entspricht nach Auflösung der Klammer der entstehende Term:

Hq

K

B1(27) der Steigung m in Gleichung (23) und der Term

])1([1

HGBKBK

HqQq (28) der Konstanten c.

Damit kann der unbekannte und zur Bestimmung der Auslegungsleistung nach Gleichung (21)benötigte Gebäude-Wärmeverlustkoeffizient H anhand der Größen qb K und der Steigung maus dem auf Endenergiemengen basierenden Diagramm ermittelt werden. Der spezifischeBereitschaftsverlust kann dabei entweder aus Herstellerunterlagen entnommen oder auchabgeschätzt werden. Der Kesselwirkungsgrad ist alternativ zur Herstellerangabe auch unterZuhilfenahme einer Schornsteinfegermessung nach Gleichung (9) bestimmbar.

Hq

mK

B1(29) m

qH

B

K

1(30)

Im Falle der Heizzentrale am Kirchweg 125 ergibt sich ein Wärmeverlust-Koeffizient von

KW

KW

H 36211390692,01

925,0

Setzt man diesen unter Verwendung der Heizgrenztemperatur von 14,5°C in Gleichung (21) ein,so erhält man eine erforderliche Erzeugerleistung zur Raumheizung von:


69

kWKKWQ HL 960)125,14(36211

Addiert man zu diesem Wert einen Spitzenbedarf zur Warmwasserbereitung von 250 kW, wie ernach dem Diagramm der Tageslastgänge für Temperaturen oberhalb der Heizgrenze abgeschätztwerden kann, so erhält man eine Auslegungsleistung von

kWkWkW 1210250960 ,

was in guter Näherung dem Wert aus den Tagesgängen entspricht.

2.4.4.3 Schlussfolgerung

Das verbrauchsbasierte Vorgehen scheint zumindest für die typischen Nahwärmezentralen imBestand der GEWOBA ein geeignetes Mittel zur Abschätzung der Anlagendimensionierungdarzustellen. Unabhängig davon, ob End- oder Nutzenergiemengen herangezogen werden,ergeben sich Auslegungsleistungen, die in guter Näherung dem realen Bedarf entsprechen unddabei eine ausreichende Planungssicherheit gewähren.

Werden Gaszählerablesungen (Endenergiemengen) verwendet, so kann die Geradensteigung mitder nach DIN EN 12831 vorgegebenen Auslegungstemperaturdifferenz multipliziert werden(Grobverfahren). Im Allgemeinen sollte dann eine ausreichende Reserve zur Abdeckung desparallel anfallenden Warmwasserbedarfes vorhanden sein.

Erfolgt eine genauere Analyse mit Herleitung des Gebäude-Wärmeverlustkoeffizienten H(Feinverfahren, physikalisch richtig!), so ist ein Zuschlag für die Warmwasserbereitung zuberücksichtigen, der dann allerdings um den Faktor 2…2,3 geringer sein sollte als nach DIN4708 berechnet. Zur genauen Bestimmung der Warmwasserspitzenlast sollten Tagesgänge imSommerbetrieb ausgewertet werden. Daten auf Endenergiebasis können eventuell vomVersorgungsunternehmen bezogen werden (swb, Ansprechpartner Herr Seebeck, Tel.35968226)!

Vorteile ergeben sich bei diesem Verfahren dadurch, dass gegenüber einer herkömmlichenHeizlastberechnung bzw. der messtechnischen Ermittlung von Tagesgängen vergleichsweisewenig Aufwand betrieben werden muss, woraus sich Einsparungen bei den Projektierungskostenergeben. Eine möglichst exakte Erzeugerdimensionierung empfiehlt sich in jedem Fall, da durchdie Vermeidung unnötiger Überdimensionierungen erhebliche Investitionskosten gespart undungünstige Betriebsbedingungen bzw. erhöhte Leistungspreise der Versorgungsunternehmenvermieden werden können.


70

3 Modernisierungskonzepte

Konzept 1:Einbindung zweier gleichartiger NT-Kessel über eine hydraulische Weiche(Dreiweg-Ventile)

SystembeschreibungDas Schema zeigt zwei in Bauart und Leistung gleichartige Niedertemperatur-Kessel, dieübereine hydraulische Weiche eingebunden sind und jeweils eine eigene Kesselpumpe und eineigenes Beimischventil haben. Letzteres bewirkt einerseits eine kontrollierte Rücklaufanhebungauf das vom Kesselhersteller geforderte Niveau, andererseits kann bei niedriger Brennerleistungdie Vorlauftemperatur durch Begrenzung der Kesselwasserabgabe eingestellt werden. BeideKessel sind mit modulationsfähigen Brennern ausgestattet, die eine Anpassung derVerbrennungsluftzuführung durch Anpassung der Gebläsedrehzahl ermöglichen. Als Regelgrößekann beispielsweise der kontinuierlich gemessene Sauerstoffgehalt des Abgases herangezogenwerden (O2-Optimierung). Gemeinsam durchströmte Leitungsabschnitte des Primärkreises undAnbindeleitungen eventuell nachgeschalteter Verteiler- bzw. Sammleranordnungen sollten kurzund druckverlustarm dimensioniert werden. Einem oder auch beiden Kesseln kann optional einAbgaswärmetauscher zur Brennwertnutzung nachgeschaltet werden. In diesem Fall solltenDruckverluste durch Ansteuerung von Bypass-Strecken in Betriebszuständen eingespart werden,in denen der Wärmetauscher abgasseitig nicht durchströmt wird oder infolge zeitweise zu hoherRücklauftemperatur nicht effizient betrieben werden kann.

Das gemeinsame Kesselfolge- bzw. Laststufenprogramm sollte zweckmäßigerweise auf einenKesselbetrieb in paralleler Folge eingerichtet werden. Bei gleichprozentiger Aufteilung derGesamtanlagenleistung und einer unteren Modulationsgrenze von 30% der Einzelbrennerleistungergibt sich beispielsweise ein Programm entsprechend Abbildung 30. Der periodisch wechselndeGrundlasterzeuger arbeitet zunächst bis zu einer Heizlast von 40% des Auslegungswertes alleine.Im Zuschaltpunkt, der 80% der Kesselleistung entspricht, reduziert er seine Brennerleistung umden Betrag der unteren Modulationsgrenze des Spitzenlasterzeugers (ebenfalls 30%) undermöglicht somit einen kontinuierlichen Betrieb des Folgekessels. Dieser wird bei nachlassenderHeizlast erst unterhalb 30% Gesamtlast wieder abgeschaltet, so dass eine ausreichendeSchalthysterese für stetige Betriebsbedingungen sorgt.

konst. Grundlast Kessel 1

ModulationsbereichKessel 1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 %

Leistungsbedarf [Q/Q A]

0

25

50

75

100%

0

50

100%

25

50

75

100%

0

0

10

20

30

40

60

70

80

90

0

203040

60

80

100%

100%

0

203040

60

80

konst. GrundlastKessel 2

Abbildung 30: Parallele Kesselfolge

Differenzdruckregler-Netzpumpe

Gesamtanlagenleistung[Q/QA]

ModulationsgradK2 ModulationsgradK1

Folgekesselleistung[Q/QA] Grundlastkesselleistung[Q/QA]

Kesselvorlauf-Regelung

M

M

Mindest-Rücklauftemperatur



Kesselleistung2[Q/QA] Kesselleistung1[Q/QA]

Last-undKesselfolgeprogramm


72

Konzept 2:Einbindung zweier gleichartiger NT-Kessel über eine hydraulische Weiche(Regelpumpen)

SystembeschreibungDas Schema zeigt zwei in Bauart und Leistung gleichartige Niedertemperatur-Kessel, die übereine hydraulische Weiche eingebunden sind und jeweils über eine eigene drehzahlvariableKesselpumpe und modulationsfähige Brenner verfügen. Die Regelpumpen werden beiFördermengen oberhalb des vom Kesselhersteller geforderten Mindestumlaufes vom überge-ordneten Kesselfolge- und Lastprogramm in Sequenz mit dem von dort vorgegebenenBrennermodulationsgrad angesteuert. Hierdurch wird ein angepasstes Verhältnis von Durchfluss-menge und Brennerleistung erreicht, wodurch sich der ans Netz abgegebene Wärmestromweitgehend auf dem geforderten Temperaturniveau befindet. Zusätzlich erhalten die Brennerüber eine Maximalauswahl einen alternativen Stellbefehl von der autonomen Kesseltemperatur-regelung, die dafür sorgt, dass die außentemperaturabhängig oder konstant vorgegebeneVorlauftemperatur – unabhängig vom statisch nach Lastprogramm vorgegebenenModulationsgrad – nicht unterschritten wird. Kommen Kessel mit Anforderungen an eineMindest-Rücklauftemperatur zum Einsatz, so werden bei Sollwertunterschreitungen dieKesselpumpen-Fördermengen und der Sekundärvolumenstrom – ebenfalls über einenalternativen Stellbefehl – entsprechend einer größeren primärseitigen Überströmung imEntkoppler angesteuert. Bestehen ausschließlich Anforderungen an eine Mindest-Vorlauf- bzw.Kesselwassertemperatur, so können unzulässige Betriebsbedingungen allein durch Reduzierungdes Kesselwasserdurchflusses wirksam unterbunden werden. Hier genügt dann der Rückgriff aufdie jeweilige Kesselpumpe. Als Bezugsgröße würde der Kesseltemperaturfühler dienen.

Beide Kessel sind mit modulationsfähigen Brennern ausgestattet, die eine Anpassung derVerbrennungsluftzuführung durch Anpassung der Gebläsedrehzahl ermöglichen. Als Regelgrößekann beispielsweise der kontinuierlich gemessene Sauerstoffgehalt des Abgases herangezogenwerden (O2-Optimierung). Gemeinsam durchströmte Leitungsabschnitte des Primärkreises unddie Anbindeleitungen eventuell nachgeschalteter Verteiler- bzw. Sammleranordnungen solltenkurz und druckverlustarm dimensioniert werden. Einem oder auch beiden Kesseln kann optionalein Abgaswärmetauscher zur Brennwertnutzung nach geschaltet werden. In diesem Fall solltenDruckverluste durch Ansteuerung von Bypass-Strecken in Betriebszuständen eingespart werden,in denen der Wärmetauscher abgasseitig nicht durchströmt wird oder infolge zeitweise zu hoherRücklauftemperatur nicht effizient betrieben werden kann.

Das gemeinsame Kesselfolge- bzw. Laststufenprogramm sollte zweckmäßigerweise auf einenKesselbetrieb in paralleler Folge eingerichtet werden. Bei gleichprozentiger Aufteilung derGesamtanlagenleistung und einer unteren Modulationsgrenze von 30% der Einzelbrennerleistungergibt sich beispielsweise ein Programm entsprechend Abbildung 30. Der periodisch wechselndeGrundlasterzeuger arbeitet zunächst bis zu einer Heizlast von 40% des Auslegungswertes alleine.Im Zuschaltpunkt, der 80% der Kesselleistung entspricht, reduziert er seine Brennerleistung umden Betrag der unteren Modulationsgrenze des Spitzenlasterzeugers (ebenfalls 30%) undermöglicht somit einen kontinuierlichen Betrieb des Folgekessels. Dieser wird bei nachlassenderHeizlast erst unterhalb 30% Gesamtlast wieder abgeschaltet, so dass eine ausreichendeSchalthysterese für stetige Betriebsbedingungen sorgt.





Kesseltemperatur-Regelung

Mindest-Rücklauftemperatur

M

M

Freigabe

Freigabe



Kesselleistung2[Q/QA] Kesselleistung1[Q/QA]



74

Konzept 3:Einbindung zweier gleichartiger Brennwertkessel über eine hydraulischeWeiche

SystembeschreibungSollen in Schaltungen mit hydraulischer Entkopplung Brennwertkessel mit internerKondensation gemäß nachfolgendem Schema zum Einsatz kommen, so muss das durch dieSystemtemperaturen am Entkoppler ausgedrückte Volumenstromverhältnis - oberhalb dereventuell vorgeschriebenen Mindest-Kesseldurchflussmengen - auf das Verhältnis„( VSekundär+ RPrimär)/( V,Primär+ R,Sekundär) = 1“ geregelt werden. In diesem Zustand herrschteine abgeglichene Volumenstrombilanz am Entkoppler, bei der der Primärumlauf exakt demAbnahmevolumenstrom entspricht. Rücklaufanhebungen und die Abmischung des sekundärenVorlauftemperaturniveaus unterbleiben. Bei Betrieb beider Kesselpumpen sollte durch eingemeinsames Stellsignal eine möglichst gleichprozentige Aufteilung der Gesamtfördermengeerreicht werden. Dazu sind beide Kesselkreise in hydraulischer Hinsicht möglichst gleichaufzubauen, bzw., es sollte ein entsprechender Abgleich erfolgen und gemeinsam durchströmteLeitungsabschnitte und die Anbindeleitungen eventuell nachgeschalteter Verteiler- bzw.Sammleranordnungen sollten kurz und druckverlustarm dimensioniert werden. In diesem Fall istauch eine einzelne Vorschubpumpe möglich, der aber, aus Gründen der Ausfallwahrschein-lichkeit und wegen der besseren Anpassungsfähigkeit, mehrere Einzelpumpen vorzuziehen sind.Diese sollten – zumindest bei Anordnung im jeweiligen Kesselstrang – auch im Einzelbetrieb imStande sein, den Nenn-Abnahmevolumenstrom decken zu können, damit es in keinemBetriebszustand zur Unterversorgung und damit einhergehender Abmischung der sekundärenVorlauftemperatur kommen kann. Stark schwankenden Primärkreis-Fördermengen machendabei eine maximale Anpassungsfähigkeit der Wärmezufuhr erforderlich. Beide Kessel sinddazu mit modulationsfähigen Brennern auszustatten, die eine Anpassung der Verbrennungsluft-zuführung durch Anpassung der Gebläsedrehzahl ermöglichen. Als Regelgröße kannbeispielsweise der kontinuierlich gemessene Sauerstoffgehalt des Abgases herangezogen werden(O2-Optimierung).

Die Gesamtanlagenleistung ist, ebenso wie der Primärkreisvolumenstrom, bei Betrieb beiderKessel stets gleichprozentig und entsprechend der vorherrschenden Heizlast auf beideKesseleinheiten aufzuteilen. Ein dementsprechendes Kesselfolge- und Lastprogramm ist inAbbildung 31 dargestellt. Dieses gibt, bei einer unteren Begrenzung des Modulationsbereichesvon 30% der Brenner-Nennleistung, zunächst einen Einzelberieb des Führungskessels vor, bisbei einer Heizlast von 30% (entspricht 60% der Kesselleistung) ein stetiger Betrieb beider Kesselin ihrer Grundlaststufe möglich wird. Ab diesem Zeitpunkt werden bei weiter steigender Lastbeide Brenner gemeinsam in ihrem Modulationsgrad erhöht, so dass sich die gesamteAnlagenleistung gleichprozentig auf beide Kessel aufteilt. Ein vorschnelles Zu- oder Abschaltendes Folgekessels sollte durch Einrichtung von Verzögerungszeiten im Lastprogramm vermiedenwerden, da der Folgekessel sonst im identischen Zu- und Abschaltpunkt leicht zum Taktenkommen kann.

Zusätzlich erhalten die Brenner über eine Maximalauswahl einen alternativen Stellbefehl von derautonomen Kesseltemperaturregelung. Diese sorgt dafür, dass die außentemperaturabhängig oderkonstant vorgegebene Vorlauftemperatur – unabhängig vom statisch nach Lastprogrammvorgegebenen Brennermodulationsgrad – nicht unterschritten wird.


75

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100%

40/40

30/0

30/30 60/0

10/0

50/0

50/50

60/60

70/70

80/80

90/90

100/100 %

20/0

40/0

10 30 40 50 60 70 80 90 100%2000/0

0/0

40/40

30/30

20/0; 0/0

50/50

60/60

70/70

80/80

90/90

100/100%

20/20

10/10

10/0

konstante Grundlast Kessel 1

konstante Grundlast Kessel 2

Modulation Kessel 1

Leistungsbedarf [Q/QA]

Modulation Kessel 1 und 2

Abbildung 31: paralleler Modulationsbetrieb

M

M

Freigabe

Freigabe




Folgekesselleistung[Q/QA] Grundlastkesselleistung[Q/Q

A

]

Kesseltemperaturregelung

Primärkreis-Wasserumlauf

ParallelbetriebKessel1/2

EinzelbetriebKessel1



ModulationsgradK1/K2


77

Konzept 4:Einbindung zweier gleichartiger Brennwertkessel über einenVerteiler/Sammler Anschluss

SystembeschreibungEine weitere Möglichkeit des Einsatzes gleichartiger Brennwertkessel ist im nachfolgendenSchema dargestellt. Hier wird im Gegensatz zur sonst bei Mehrkesselanlagen üblichenhydraulischen Entkopplung eine einfache Verteiler/Sammler-Anordnung eingesetzt. Um die beidruckbehafteter Übergabe auftretenden Nachteile – wie primärdruckbedingte Regelprobleme undgegenseitige Beeinflussung der sekundären Kreise – auszuschließen, wird der Differenzdruck amVerteiler/Sammler durch die primäre Regelpumpe auf Null geregelt. Durch diese Maßnahmewird die Kesseldurchströmung sehr stark von den Abnahmeschwankungen der angeschlossenenVerbraucherkreise beeinflusst und es besteht keine störungsfreie Möglichkeit der Rücklauftem-peraturanhebung. Aus diesem Grund sind ausschließlich Kessel ohne Anforderungen anMindestdurchfluss und Rücklauftemperatur einsetzbar. Vorteile dieser Variante ergeben sichdurch die Einsparung der Weiche und einer gegenüber dem Konzept 3 vereinfachtenRegelungstechnik.

Bei gleichzeitigem Betrieb beider Kessel müssen diese jeweils mit gleicher Last undDurchflussmenge beaufschlagt werden. Dazu sind beide Kesselkreise in hydraulischer Hinsichtmöglichst gleich aufzubauen, bzw., es sollte ein entsprechender Abgleich erfolgen undgemeinsam durchströmte Leitungsabschnitte sollten kurz und druckverlustarm dimensioniertwerden. Dargestellt ist eine einzelne Vorschubpumpe, der aber, aus Gründen der Ausfallwahr-scheinlichkeit und wegen der besseren Anpassungsfähigkeit, mehrere Einzelpumpen vorzuziehensind. Die stark schwankenden Primärkreis-Fördermengen machen eine maximale Anpassungs-fähigkeit der Wärmezufuhr erforderlich. Beide Kessel sind dazu mit modulationsfähigenBrennern auszustatten, die eine Anpassung der Verbrennungsluftzuführung durch Anpassung derGebläsedrehzahl ermöglichen. Als Regelgröße kann beispielsweise der kontinuierlich gemesseneSauerstoffgehalt des Abgases herangezogen werden (O2-Optimierung).

Die Gesamtanlagenleistung ist, ebenso wie der Primärkreisvolumenstrom, bei Betrieb beiderKessel stets gleichprozentig und entsprechend der vorherrschenden Heizlast auf beide Kesselein-heiten aufzuteilen. Ein dementsprechendes Kesselfolge- und Lastprogramm ist in Abbildung 31dargestellt. Dieses gibt, bei einer unteren Begrenzung des Modulationsbereiches von 30% derBrenner-Nennleistung, zunächst einen Einzelberieb des Führungskessels vor, bis bei einerHeizlast von 30% (entspricht 60% der Kesselleistung) ein stetiger Betrieb beider Kessel in ihrerGrundlaststufe möglich wird. Ab diesem Zeitpunkt werden bei weiter steigender Last beideBrenner gemeinsam in ihrem Modulationsgrad erhöht, so dass sich die gesamte Anlagenleistunggleichprozentig auf beide Kessel aufteilt. Ein vorschnelles Zu- oder Abschalten des Folgekesselssollte durch Einrichtung von Verzögerungszeiten im Lastprogramm vermieden werden, da derFolgekessel sonst im identischen Zu- und Abschaltpunkt leicht zum Takten kommen kann.

Zusätzlich erhalten die Brenner über eine Maximalauswahl einen alternativen Stellbefehl von derautonomen Kesseltemperaturregelung. Diese sorgt dafür, dass die außentemperaturabhängig oderkonstant vorgegebene Vorlauftemperatur – unabhängig vom statisch nach Lastprogrammvorgegebenen Brennermodulationsgrad – nicht unterschritten wird.

Differenzdruckregler-Primärkreis




Kesseltemperatur-RegelungFreigabe

M

M

Freigabe

ParallelbetriebKessel1/2

EinzelbetriebKessel1



ModulationsgradK1/K2


79

Konzept 5:Einbindung eines Grund- und eines Spitzenlastkessels über einehydraulische Weiche

SystembeschreibungDas nachfolgende Schema zeigt eine Reihenschaltung aus zwei Niedertemperaturkesseln, die anihren Einbindungspunkten an den gemeinsamen Primärkreis hydraulisch entkoppelt sind.Hierdurch ergeben sich in allen Betriebszuständen leicht beherrschbare regelungstechnische undhydraulische Verhältnisse, weshalb auch ungleiche Kesseldimensionierungen unproblematischsind. Der Grundlasterzeuger kann beispielsweise auf die gesamte Heizlast ausgelegt werden,sofern die untere Begrenzung des Brenner-Modulationsbereiches noch einen kontinuierlichenBetrieb in den übers Jahr überwiegend vorherrschenden Lastzuständen ermöglicht. In diesemFall dient der zweite Kessel ausschließlich als Not- bzw. Ersatzerzeuger, der bei Störungen oderim Wartungsfall einen Stützbetrieb ermöglicht. Erlaubt dagegen das Verhältnis von maximalerHeizlast, unterer Modulationsbegrenzung und durchschnittlicher Kesselauslastung keinenweitgehend kontinuierlichen Grundlasterzeugerbetrieb, so muss dieser entsprechend kleinerdimensioniert werden. In Anlagen mit außentemperaturabhängiger Heizlast wird der Spitzenlast-kessel dennoch nur wenige Stunden im Jahr in Betrieb sein.Gerade bei Einsatz heute bereits erhältlicher Brenner mit Modulationsbereichen bis hinab auf10% der Nennleistung können auf diese Art und Weise die energetischen Vorteile einesweitgehenden Einkesselanlagenbetriebes bei gleichzeitiger Absicherung der Ausfallwahrschein-lichkeit erreicht werden. Investitionskostenvorteile gegenüber der gleichprozentigenGesamtlastaufteilung ergeben sich durch die kleinere Kesseleinheit. Hier genügt bei einfacherKesselfolge zudem ein einstufiger Brenner. Regelungstechnische Vorteile ergeben sich bei einerReihenschaltung gegenüber der Parallelschaltung dadurch, dass jeder Folgekesselbeitragunabhängig von der zugeschalteten Leistung eine Anhebung der gemeinsamenVorlauftemperatur erbringt. Zusätzliche Regeleinrichtungen zur Einstellung des vom Kesselabgegebenen Vorlauftemperaturniveaus werden also nicht benötigt.

Dargestellt ist ein Grundlasterzeuger mit ausschließlicher Anforderung an eine Mindest-Vorlauf-bzw. Kesselwassertemperatur, bei dem unzulässige Betriebsbedingungen allein durchReduzierung des Kesselwasserdurchflusses unterbunden werden. Hierzu wird über eineMinimalauswahl auf die Regelpumpe im Kesselkreis zurückgegriffen, die ihre Drehzahl beiSollwertunterschreitungen oberhalb des Kesselmindestumlaufes reduziert. Der Stellbefehl erfolgtalternativ zur Sequenzansteuerung von Brennermodulationsgrad und Pumpendrehzahl durch dasübergeordnete Kesselfolge- und Lastprogramm. Bei Mindestanforderungen an die Rücklauftem-peratur ist im Kesselkreis ein Drei-Wege-Mischventil entsprechend der Darstellung desSpitzenlasterzeugerkreises einzusetzen. Dieses bewirkt durch Umlenkung von Kesselvorlauf-wasser eine kontrollierte Rücklaufanhebung auf das vom Kesselhersteller geforderte Niveau.

Der Grundlastkessel ist mit einem modulationsfähigen Brenner ausgestattet, der eine Anpassungder Verbrennungsluftzuführung durch Anpassung der Gebläsedrehzahl ermöglicht. Als Regel-größe kann beispielsweise der kontinuierlich gemessene Sauerstoffgehalt des Abgases heran-gezogen werden (O2-Optimierung). Für den nur selten betriebenen Spitzenlastkessel genügt eineinstufiger Brenner, der nach dem Last- und Kesselfolgeprogramm durch entsprechendeRückführung der Grundlasterzeugerleistung immer mit voller Auslastung zugeschaltet wird. Dieweitere Lastanpassung erfolgt allein durch den Grundlasterzeuger, ein Taktbetrieb desFolgekessels unterbleibt.Bei einer angenommenen Aufteilung der Gesamtanlagenleistung von 75% Grundlast und 25%Spitzenlast ergibt sich ein Abbildung 32 entsprechendes Kesselfolge- und Lastprogramm.


80

Demnach wird zunächst der Grundlasterzeuger bis zur vollen Leistung ausgefahren. ImZuschaltpunkt wird dann die Brennerleistung um den Betrag der Folgekesselleistungzurückgenommen. Bei weiter steigender Last übernimmt der Grundlasterzeuger bei vollausgelastetem Spitzenlastkessel modulierend die Anpassung. Die Abschaltung des Folgekesselserfolgt erst unterhalb des Zuschaltpunktes, so dass eine ausreichende Schalthysterese für stetigeBetriebsbedingungen sorgt.

Zusätzlich erhält der Grundlasterzeuger über eine Maximalauswahl einen alternativen Stellbefehlvon der autonomen Kesseltemperaturregelung. Diese sorgt dafür, dass die außentemperaturab-hängig oder konstant vorgegebene Vorlauftemperatur – unabhängig vom statisch vorgegebenenModulationsgrad nach Lastprogramm – nicht unterschritten wird.

Ihm kann optional ein Abgaswärmetauscher zur Brennwertnutzung nachgeschaltet werden. Indiesem Fall sollten Druckverluste durch Ansteuerung einer Bypass-Strecke in Betriebszuständeneingespart werden, in denen aufgrund zeitweise zu hoher Rücklauftemperatur keineKondensation stattfindet.

konst. Grundlast

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 %

Leistungsbedarf [Q/QA]

0

25

50

75

100%

0

50

100%

0

10

20

30

40

60

70

80

90

0

50

100%

100%

0

20

40

60

80

75

75

ModulationsbereichGrundlastkessel

Abbildung 32: Kesselfolge bei Grund- und Spitzenlasterzeuger


Kesselvorlauftemp.-Regelung

Mindest-Kesselwassertemperatur

M

Freigabe

Last-undKesselfolgeschaltung


ModulationsgradGrundlastkessel

Spitzenkessel[Q/QA] Grundlastkesselleistung[Q/QA]

Last-undKesselfolgeschaltung


ModulationsgradGrundlastkessel

Spitzenkessel[Q/QA] Grundlastkesselleistung[Q/QA]


82

4 Quellenverzeichnis

[1] BDH Informationsblatt Nr. 2 – Betriebsbedingungen für Heizkessel im Leistungsbereichüber 120 kW

[2] Wirtschaftliche Auslegung von modernen Wärmeerzeugungsanlagen, Robert Kremer,Rüdiger Dzuban, Overath, Wärmetechnik-Versorgungstechnik 3/1999

[3] Die Pumpen-Warmwasserheizung Teil A – Grundlagen für Planung und Ausführung,Ihle/Prechtl, Werner Verlag, 4. Auflage 2003

[4] Die Nutzungsgrade von Gas-Heizanlagen optimieren – Teile 1 bis 3, Dieter Großhans,Stuttgart, Wärmetechnik 8/9/10/1993]

[5] Entwicklungstendenzen in der Regelungstechnik von Heizanlagen – Teil 1, Heike Stockund Dieter Wolff, Wolfenbüttel, Manuskript für Wärme + Versorgungstechnik

[6] Effizienz von Wärmeerzeugern, Dipl.-Ing. Kati Jagnow, Prof.Dr.-Ing. Dieter Wolff,Dipl.-Ing. Peter Teuber, TGA Fachplaner 10-2004

[7] Handbuch für Heizungstechnik, Buderus Heiztechnik, Beuth Verlag 34. Auflage 2002[8] Aufbau, Planung, Betrieb und Regelung von Ein- und Mehrkesselanlagen, Prof.Dr.-

Ing.Dieter Wolff, Wolfenbüttel[9] VDI 2067, Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen[10] DIN 4702-8, Heizkessel; Ermittlung des Norm-Nutzungsgrades und des Norm-

Emissionsfaktores[11] Energetische Bewertung haustechnischer Anlagen, Peter Deutscher, Lothar Rouvel,

München, HLH 07 und 08/2003[12] DBU-Projekt: Felduntersuchungen: Betriebsverhalten von Heizungsanlagen mit

Gasbrennwertkessel, Abschlussbericht im Internet unter http://enev.tww.de[13] Taschenbuch für Heizung + Klima Technik 05/06, Recknagel, Sprenger, Schramek[14] Digitale Gebäudeautomation, S. Baumgarth, E. Bollin, M.Büchel; Springer 2001[15] Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik, Arbeitskreis Professoren

für Regelungstechnik in der Versorgungstechnik,[16] Kessel- und Heizgruppenverteiler Teile I bis V, Manfred Hübinger, Herzogenrath,

Wärmetechnik 2 bis 6 1989[17] BDH Informationsblatt Nr. 6, Brennwerttechnik für Modernisierung und Neubau von

Heizungsanlagen[18] Abgaswärmerückgewinnung im Taupunkttemperaturbereich, Dipl.-Ing. Hans-Jürgen

Selbach, TGA-Fachplaner 3/2003[19] Hinweise zum Planen und Bauen von Wärmeversorgungsanlagen für öffentliche Gebäude

(Heizanlagenbau 2005), Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher undkommunaler Verwaltungen (AMEV), Berlin

[20] ATV-Arbeitsblatt A251, November 1998 , Abwassertechnische Vereinigung e.V.[21] Brennwerttechnik optimal nutzen, Rüdiger Dzuban, Wärmetechnik 9/1993[22] Abschlussbericht zur Felduntersuchung: Betriebsverhalten von Heizungsanlagen mit Gas-

Brennwertkesseln, DBU-Fördernummer AZ 14133, Wolfenbüttel, April 2004[23] z.B. Fa. Fröling, Euroval Brennwertkessel, siehe auch [2][24] Abgaswärmerückgewinnung im Taupunkttemperaturbereich, Dipl.-Ing. Hans-Jürgen

Selbach, TGA Fachplaner 3-2003[25] Heizungstechnik für das Niedrigenergiehaus, Prof.Dr.-Ing. Dieter Wolff, Wolfenbüttel,

HLH 11/1997[26] VDI 3815 – Grundsätze für die Bemessung der Leistung von Wärmeerzeugern[27] IWU: Wetterdatenzusammenstellung auf http://www.iwu.de[28] Internetseite des Deutschen Wetterdienstes unter http://www.dwd.de


83

[29] E-A-V: Energieanalyse aus dem Verbrauch, Dipl.-Ing. (FH) Kati Jagnow, Prof.Dr.-Ing.Dieter Wolff, TGA-Fachplaner 9-2004

[30] DIN 4708 – Zentrale Wassererwärmungsanlagen, Teil 1 – Begriffe undBerechnungsgrundlagen, Teil 2 – Regeln zur Ermittlung des Wärmebedarfs zurErwärmung von Trinkwasser in Wohngebäuden

[31] Große Einsparpotenziale durch Qualitätssicherung, Dipl.-Ing.(FH) Kati Jagnow,Manuskript für HLH 2003

[32] VDMA 24199 - Entwurf Juli 2004; Regelungstechnische Anforderungen an dieHydraulik bei Planung und Ausführung von Heizungs-, Kälte-, Trinkwarmwasser- undRaumlufttechnischen Anlagen

[33] Hydraulik der Wasserheizung, 4. Auflage 1999, Professor Dipl.-Ing. Hans Roos[34] Die neue VDI-Richtlinie 2073, Hydraulische Schaltungen in heiz- und

raumlufttechnischen Anlagen, Dr.-Ing. Dietrich Schlappmann, Dipl.-Ing. (FH) Lars Funk,HLH Nr. 5/1998

[35] DIN EN 12831 Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast – August 2003

[36] VDI 3807, Energiekennwerte für Gebäude[37] Ingenieurbüro synPlan – technische Gebäudeausrüstung, Ansprechpartner Klaus

Werthmann Dipl.-Ing. (FH), Vereidigter Sachverständiger, Klosterstraße 4, 28865Lilienthal, Tel.: 04298 6991070

[38] Buderus-Planungsunterlage Ecostream-Gußheizkessel Logano GE 315, GE 515 und GE615 mit 86 bis 1200 kW, Ausgabe 5/99

[39] Heizenergie im Hochbau – Leitfaden energiebewusste Gebäudeplanung; HessischesMinisterium für Umwelt, Energie, Jugend, Familie und Gesundheit; 1999

[40] Die neue Energieeinsparverordnung 2002 – Kosten und verbrauchsoptimierteGesamtlösungen; Jagnow, Horschler, Wolff

[41] Der Energieberater 5.09, Hottgenroth Software

Prinzipschema Nahwärmenetz

Anlagenschema Kirchweg 119

Anlagenschema Kirchweg 125

Abgas

Wärmetauscher

M

M

M

Kostenaufstellung der Modernisierung – Kirchweg 125

Kostenaufstellung der geplanten Modernisierung – Kirchweg 119

Pos Menge Bezeichnung EP (EUR) GP (EUR)

1.1 Titel Demontage und Umschlussarbeiten

*.* *.* *.* *.* *.*1.1.70 3 CTC-Gaskessel 1163 kW 1.332,20 3.996,60

*.* *.* *.* *.* *.*Titelsumme 12.498,36

1.2 Titel Kesselanlage

10.227,87 30.683,611.2.20 3 Gußheizkessel-Montage 2.692,80 8.078,40

Titelsumme 38.762,01

1.3 Titel Kesselzubehör

1.3.10 0 Temperaturregler 119,57 0,001.3.20 0 Sicherheitstemperaturbegrenzer 121,82 0,00*.* *.* *.* *.* *.*1.3.90 3 Regelgerät Logamatic 4212 332,17 996,511.3.100 3 Einbauset ZM 426 56,36 169,08*.* *.* *.* *.* *.*1.3.130 3 Zusatzbegrenzer-Set II 274,03 822,091.3.140 3 Schallabsorbierender Kesselunterbau 315,34 946,02*.* *.* *.* *.* *.*1.3.160 1 Reinigungsgeräte-Set 48,00 48,00

Titelsumme 9.670,02

1.4 Titel Gasbrenner und Zubehör

*.* *.* *.* *.* *.*Titelsumme 66.408,30

1.5 Titel Abgasanlage*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 26.247,601.6 Titel Armaturen und Pumpen*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 30.253,101.7 Titel Rohrleitungen und Wärmedämmung*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 22.539,621.8 Titel Elektroverdrahtung1.8.10 1 Schaltschrank und Regelanlage 25.288,20 25.288,20*.* *.* *.* *.* *.*1.8.80 1 Elektrische Verdrahtung 8.580,60 8.580,60*.* *.* *.* *.* *.*


Ermittlung von Modernisierungskosten bei der Heizanlagenmodernisierung

Buderus Gußheizkessel Logano GE615 820 kW (inlosen Gliedern)

1.2.10 3

Auszüge aus der Schlussabrechnung vom 08.11.2004, Weserheizungswerk GmbH

Modernisierungsvariante: Gesamtanlagenerneuerung als 3-KesselanlageHeizzentrale: Kirchweg 125

1.9 Titel Baunebenarbeiten

*.* *.* *.* *.* *.*Titelsumme 4.752,39

1.10 Titel Projektabwicklung

*.* *.* *.* *.* *.*Titelsumme 2.649,20

1.11 Titel Stundenlohnarbeiten*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 2.712,47

Summe Modernisierungskosten: 263.086,55installierte Erzeugerleistung nach der Modernisierung: 2460 kW

spezifische Modernisierungskosten 106,95 /kW

Pos Menge Bezeichnung EP (EUR) GP (EUR)

1.1 Titel Demontage und Umschlussarbeiten

*.* *.* *.* *.* *.*1.1.70 3 CTC-Gaskessel 1163 kW 1.332,20 3.996,60*.* *.* *.* *.* *.*


1.2 Titel Kesselanlage

10.227,87 20.455,701.2.20 Gußheizkessel-Montage 2.692,80 5.385,60


1.3 Titel Kesselzubehör

1.3.10 0 Temperaturregler 119,57 0,001.3.20 0 Sicherheitstemperaturbegrenzer 121,82 0,00*.* *.* *.* *.* *.*1.3.90 3, 2 Regelgerät Logamatic 4212 332,17 664,341.3.100 3, 2 Einbauset ZM 426 56,36 112,72*.* *.* *.* *.* *.*1.3.130 3, 2 Zusatzbegrenzer-Set II 274,03 548,061.3.140 3, 2 Schallabsorbierender Kesselunterbau 315,34 630,68*.* *.* *.* *.* *.*1.3.160 1 Reinigungsgeräte-Set 48,00 48,00

Titelsumme 8.692,12

1.4 Titel Gasbrenner und Zubehör*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 44.272,201.5 Titel Abgasanlage*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 17.498,001.6 Titel Armaturen und Pumpen*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 20.168,701.7 Titel Rohrleitungen und Wärmedämmung

*.* *.* *.* *.* *.*Titelsumme 22.539,62

1.8 Titel Elektroverdrahtung

1.8.10 1 Schaltschrank und Regelanlage 25.288,20 25.288,20*.* *.* *.* *.* *.*1.8.80 1 Elektrische Verdrahtung 8.580,60 8.580,60*.* *.* *.* *.* *.*


3, 2

Ermittlung von Modernisierungskosten bei der HeizanlagenmodernisierungModernisierungsvariante: Gesamtanlagenerneuerung als 2-KesselanlageHeizzentrale: Kirchweg 119

3, 2 Buderus Gußheizkessel Logano GE615 820 kW (inlosen Gliedern)

Überschlägig abgeleitete Kosten für eine Zweikesselanlage nach dem Vorbild "Kirchweg 125"

1.2.10

1.9 Titel Baunebenarbeiten

*.* *.* *.* *.* *.*Titelsumme 4.752,39

1.10 Titel Projektabwicklung

*.* *.* *.* *.* *.*Titelsumme 2.649,20

1.11 Titel Stundenlohnarbeiten*.* *.* *.* *.* *.*

Titelsumme 2.712,47

Summe Modernisierungskosten: 208.217,84installierte Erzeugerleistung nach der Modernisierung: 2600 kW

spezifische Modernisierungskosten 80,08 /kW

Hochrechnung der Heizlast am Nahwärmenetz – Kirchweg 119

Formblatt G3 / DIN EN 12831 sanierter Zustand

Formblatt G3 / DIN EN 12831 unsanierter Zustand

U-Wert Berechnung

Grundrisspläne / Friedrich-Wagenfeldstr. (Block 11)

Datum

SHT,e

SHV

Geb

W

FV,mech,inf,Geb

V,Geb

WN,Geb

RH,Geb

HL,Geb

FHL,Geb / AN,Geb 1601,7 m2 55,5 W/m2

FHL,Geb / VN,Geb 3938,3 m3 22,6 W/m3

A 2075,3 m2

HT' 0,93

Projekt-Nr. / Bezeichnung Block 11, Friedrich-Wagenfels-Str./sanierter Zustand

30.09.2005 Seite G 3GEBÄUDEZUSAMMENSTELLUNG

DIN EN 12831 BbI 1:2004-04

Formblatt G 3 - ausführliches Verfahren - DIN EN 12831

0

WÄRMEVERLUST-KOEFFIZIENTEN W/K

26825

Mindest-Luftwechsel

natürliche Infiltration

WÄRMEVERLUSTE

26825

88959

mechanischer ZuluftvolumenstromAbluftvolumenüberschuss

Netto-Heizlast

FV,su,Geb = (1 - hV) • SFV,su

Transmissionswärmeverlust-KoeffizientLüftungswärmeverlust-KoeffizientGebäude-Wärmeverlust-Koeffizient

FV,min,Geb

FV,inf,Geb = z•SFV,inf

Transmissionswärmeverluste (nach außen)

Norm-Gebäudeheizlast

Zusatz-Heizleistung

T,Geb

Lüftungswärmeverluste

GEBÄUDEHEIZLAST W

Heizlast / beheiztes Gebäudevolumen

SPEZIFISCHE WERTEHeizlast / beheizte Gebäudefläche

wärmeübertragende UmfassungsflächeSpezifischer Transmissionswärmeverlust W/m2K

W/K1939,0833,0

2772,0

0

62134

88959

Datum

SHT,e

SHV

Geb

W

FV,mech,inf,Geb

V,Geb

WN,Geb

RH,Geb

HL,Geb

FHL,Geb / AN,Geb 1601,7 m2 66,9 W/m2

FHL,Geb / VN,Geb 3938,3 m3 27,2 W/m3

A 2075,3 m2

HT' 1,21

Projekt-Nr. / Bezeichnung Block 11, Friedrich-Wagenfeld-Str./Altbaustandard

30.09.2005 Seite G 3GEBÄUDEZUSAMMENSTELLUNG

DIN EN 12831 BbI 1:2004-04

Formblatt G 3 - ausführliches Verfahren - DIN EN 12831

0

WÄRMEVERLUST-KOEFFIZIENTEN W/K

26825

Mindest-Luftwechsel

natürliche Infiltration

WÄRMEVERLUSTE

26825

107188

mechanischer ZuluftvolumenstromAbluftvolumenüberschuss

Netto-Heizlast

FV,su,Geb = (1 - hV) • SFV,su

Transmissionswärmeverlust-KoeffizientLüftungswärmeverlust-KoeffizientGebäude-Wärmeverlust-Koeffizient

FV,min,Geb

FV,inf,Geb = z•SFV,inf

Transmissionswärmeverluste (nach außen)

Norm-Gebäudeheizlast

Zusatz-Heizleistung

T,Geb

Lüftungswärmeverluste

GEBÄUDEHEIZLAST W

Heizlast / beheiztes Gebäudevolumen

SPEZIFISCHE WERTEHeizlast / beheizte Gebäudefläche

wärmeübertragende UmfassungsflächeSpezifischer Transmissionswärmeverlust W/m2K

W/K2500,9833,0

3334,0

0

80363

107188

Objekt: Friedrich-Wagenfeld-Str.1-5/ Block 11

Der Energieberater 5.09 Seite - 3 -Gewoba AG

3. U - Wert - Ermittlung

Bauteil : Fußboden gegen unbeh. Keller Ausrichtung :

Nr. Baustoff Dicke Lambda Dichte Wärmedurchlass-widerstand

cm W/(mK) kg/m³ m²K/W

1 Zement-Estrich 5,0 1,400 2000,0 0,04

2 Polyethylenfolie 0,25mm nach DIN 12524 0,0 0,330 0,0 0,00

3 Polystyrol PS -Partikelschaum (WLG 040 - > 30 kg/m³) 4,0 0,040 30,0 1,00

4 Beton nach EN 12524, armiert mit 2% Stahl 20,0 2,500 2400,0 0,08

R = 1,12R ,zul. = 0,90Anforderung nach DIN 4108 Teil 2 ist erfüllt!

Rsi = 0,17

Rse = 0,17

U - Wert0,69 W/m²K

Bauteilfläche spezif. Bauteilmasse

581,2 kg/m²

wirksame Wärme-speicherfähigkeit

10cm-Regel :3cm-Regel :

28 Wh/K17 Wh/K

spezif. Transmissions-wärmeverlust

1,00 m² 16,7 % 0,69 W/K 12,3 %123 4

Bauteil : Fußboden gegen Hofdurchfahrt 1.OG Ausrichtung :



1 Zement-Estrich 5,0 1,400 2000,0 0,04

2 Polyethylenfolie 0,25mm nach DIN 12524 0,0 0,330 0,0 0,00




6 Putzmörtel aus Kalk, Kalkzement und hydraulischem Kalk 2,0 1,000 1800,0 0,02


Rsi = 0,17

Rse = 0,04

U - Wert0,30 W/m²K


619,6 kg/m²



28 Wh/K17 Wh/K


1,00 m² 16,7 % 0,30 W/K 5,4 %123 4 5 6

Bauteil : Außenwand im unsanierten Zustand Ausrichtung : N



1 Putzmörtel aus Kalkgips, Gips, Anhydrit und Kalkanhydrit 1,5 0,700 1400,0 0,02

2 Hochlochziegel Lochung A+B, NM/DM (550 kg/m³) 24,0 0,320 550,0 0,75


R = 0,79R ,zul. = 1,20Anforderung nach DIN 4108 Teil 2 ist nicht erfüllt!

Rsi = 0,13

Rse = 0,04

U - Wert1,04 W/m²K


189,0 kg/m²



19 Wh/K8 Wh/K


1,00 m² 16,7 % 1,04 W/K 18,6 %1 2 3

Bauteil : Außenwand im unsanierten Zustand, Giebelwände Ausrichtung : N








Rsi = 0,13

Rse = 0,04

U - Wert0,51 W/m²K


189,8 kg/m²



19 Wh/K8 Wh/K


1,00 m² 16,7 % 0,51 W/K 9,1 %1 2 34



3. U - Wert - Ermittlung (Fortsetzung)

Bauteil : Außenwand im sanierten Zustand Ausrichtung : N








Rsi = 0,13

Rse = 0,04

U - Wert0,34 W/m²K


190,6 kg/m²



19 Wh/K8 Wh/K


1,00 m² 16,7 % 0,34 W/K 6,1 %1 2 3 4

Bauteil : Innenwand gegen unbeh. Treppenhaus (24) Ausrichtung : N




2 Hochlochziegel Lochung A+B, LM21/LM36 (650 kg/m³) 24,0 0,300 650,0 0,80



Rsi = 0,13

Rse = 0,13

U - Wert0,91 W/m²K


213,0 kg/m²



0 Wh/K0 Wh/K


0,00 m² 0,0 % 0,00 W/K 0,0 %1 2 3

Bauteil : Obergeschossdecke zu nicht begehbarem Dachboden (Pultdach) Ausrichtung :





3 Mineralische und pfl. Faserdämmstoffe DIN 18165 Teil 1 Wlf-Gr. 040 8,0 0,045 260,0 1,78


Rsi = 0,10

Rse = 0,10

U - Wert0,48 W/m²K


455,8 kg/m²



0 Wh/K0 Wh/K


0,00 m² 0,0 % 0,00 W/K 0,0 %1 2 3

Bauteil : Innenwand Ausrichtung : N







Rsi = 0,13

Rse = 0,13

U - Wert1,87 W/m²K


102,5 kg/m²



0 Wh/K0 Wh/K


0,00 m² 0,0 % 0,00 W/K 0,0 %1 2 3



3. U - Wert - Ermittlung (Fortsetzung)

Bauteil : Wohnungstür zum Treppenhaus Ausrichtung : N



1 Sperrholz nach EN 12524 5,0 0,090 300,0 0,56

R = 0,56

Rsi = 0,13

Rse = 0,13

U - Wert1,23 W/m²K


15,0 kg/m²



0 Wh/K0 Wh/K

0,00 m²1

Bauteil : Innenraumtür Ausrichtung : N



1 Sperrholz nach EN 12524 5,0 0,090 300,0 0,56R = 0,56

Rsi = 0,13

Rse = 0,13

U - Wert1,23 W/m²K


15,0 kg/m²



0 Wh/K0 Wh/K

0,00 m²1

Bauteil : Wohnungstrennwand, Reihenhaus Ausrichtung : N





3 Schalldämmung (soweit nicht näher bekannt - DR) 1,5 0,045 0,0 0,33




Rsi = 0,13

Rse = 0,13

U - Wert0,38 W/m²K


447,0 kg/m²



0 Wh/K0 Wh/K


0,00 m² 0,0 % 0,00 W/K 0,0 %1 2 3 4 5

Bestandsaufnahme des Nahwärmenetzes – Kirchweg 119

Objekt:Quelle:

1 182,9 0 60 1576 72,002 182,9 28,5 7,5 197 9,00

3a 182,9 37,2 10 263 12,004 182,9 64,2 13,5 355 650 45,89

5 bis 7 182,9 70,3 49,5 1301 59,407/1 bis 7/4 150 150 32,5 574 650 55,92

8 bis10a 182,9 82,5 47 1235 56,4011 bis 14 182,9 94,4 32 841 650 68,09

14/1 bis 14/11 150 150 163,5 2889 1300 191,3314/12 bis 14/22 125 125 82 1006 650 75,65

14/23 bis 14/29 107,1 107,1 120 1081 650 79,0614/30 bis 14/36 100,8 100,8 117 934 1300 102,0214/37 bis 14/40 94,4 94,4 19 133 6,0714/41 bis 14/46 82,5 82,5 53 283 650 42,63

14/47 bis 14/50 70,3 70,3 37 144 6,5614/51 43,1 43,1 5 7 650 30,02

14/52 bis 14/53 39,3 39,3 16 19 0,89

14/54 28,5 28,5 5 3 0,1514/55 bis 15/56 82,5 82,5 51,5 275 12,57

14/57 70,3 70,3 5 19 0,8914/58 bis 14/61 64,2 64,2 25 81 650 33,38

14/62 bis 14/63 37,2 37,2 15 16 0,7414/64 28,5 28,5 12 8 0,35

14/65 22,3 22,3 8,5 3 0,1514/66 bis 14/67 51,2 51,2 47,5 98 4,47

14/68 bis 14/69 28,5 28,5 7 4 650 29,8914/70 22,3 22,3 12,5 5 0,22

15 bis 21 125,4 125,4 75 926 650 71,9921/1 bis 21/2 64,2 64,2 20 65 2,96

21/3 bis 21/4 57,7 57,7 8 21 650 30,6421/5 bis 21/8 51,2 51,2 48 99 4,51

21/9 39,3 39,3 2,5 3 0,1421/10 28,5 28,5 12,5 8 650 30,05

21/11 bis 21/12 22,3 22,3 17,5 7 0,3122 bis 25 107,1 150 31 279 12,75

26 bis 32 107,1 182,9 82,5 743 650 63,6333 bis 36 100,8 182,9 70 559 25,51

37 bis 40a 94,4 182,9 32,5 227 10,3936/1 bis 36/4 64,2 64,2 61,5 199 9,09

36/5 bis 36/6 57,7 57,7 22,5 59 2,6936/7 bis 36/9 28,5 28,5 16 10 650 30,15

36/10 bis 36/11 22,3 22,3 27,5 11 0,49

41 bis 43 82,5 182,9 29 155 650 36,7744 bis 50 70,3 182,9 58,5 227 10,37

50a 43,1 182,9 5 7 650 30,0251 39,3 182,9 7,5 9 0,42

52 28,5 182,9 7,5 5 0,2253 22,3 182,9 7,5 3 0,13

54 0 182,9 27,5 0 0,00Spreizung [K]: 40 1369

Wärmemenge[kWh]

VolumenWasserbereiter [l]

Summe Speichervolumen [kWh]

Bestandsaufnahme NahwärmenetzFernheiznetz Nordabschnitt, Bremen Neuenlande (Zentrale Kirchweg 119)Revisionsplan vom 21.6.1971, Maßstab 1:500

Länge[m]

Vorlauf-Volumen[l]

AbschnittDimension

VLDimension

RL

Auslegungstemp. 95/55 60Dichte [kg/m3] 981,138

4,1895 16974

spezifisch in [kWh/Wohnblock]

spez. Wärmekapazität [kJ/kgK]

Vor-undRücklauftemperaturin[°C]Heizwasser-Vorlauftemperatur

Ob

jek

t:

Qu

elle

n:

FF

FF

/FF

FF

FF

/FF

FF

FF

/FF

[W]

[W]

[W]

[%]

[W]

[W]

[W]

[W]

[%]

[W]

[W]

[W]

[W]

[%]

[W]

119

35

193

512

54

154

%68

119

3519

3512

5415

4%68

13

233

32

331

435

22

5%1

798

211

20

112

093

212

0%

188

1120

1120

932

120%

188

16

681

668

10

411

60%

62

73

712

712

636

112

%76

712

712

636

112%

767

12

71

26

36

11

2%7

64

926

926

584

159

%34

292

692

658

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29

26

92

65

84

15

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42

571

271

263

611

2%

7671

271

263

611

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27

12

63

61

12%

76

692

692

666

913

8%

257

926

926

669

138%

257

92

69

26

66

91

38%

25

77

194

619

46

113

617

1%

810

1120

1120

932

120%

188

11

201

120

93

21

20%

18

88

277

927

79

142

519

5%

1354

1935

1935

1254

154%

681

19

351

935

12

541

54%

68

19

122

212

22

848

144

%37

412

2212

2284

814

4%37

41

222

12

228

48

14

4%3

74

1012

22

122

284

814

4%

374

1222

1222

848

144%

374

12

221

222

84

81

44%

37

411

173

117

31

844

205

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717

3117

3184

420

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72

779

27

791

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27

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1286

686

657

715

0%

289

866

866

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27

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13

991

93%

13

0113

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712

508

140

%20

471

271

250

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47

12

71

25

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14

0%2

04

1471

271

249

314

4%

219

712

712

493

144%

219

71

27

12

49

31

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915

712

712

508

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%20

471

271

250

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271

250

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209

712

712

503

142%

209

71

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917

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816

68

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15

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3117

3184

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731

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864

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2127

79

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7927

7911

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1324

1324

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361

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361

313

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Zweitprüfer - OPUS 4 · Leitfaden für die Modernisierungsplanung von Nahwärmeheizzentralen im...

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