Die ersten Brennwertkessel wurden von Richard Vetter (zuerst Gas-Brennwert, dann 1984 Ölbrennwert) entwickelt. Die Gas-Brennwerttechnik kann seit Beginn der 1990er Jahre als Stand der Technik angesehen werden. Die Öl-Brennwerttechnik hat sich seit Mitte der 90er Jahre durchgesetzt. Dabei waren es zunächst eher kleinere Unternehmen wie Bomat oder ROTEX, die auf die Brennwerttechnik setzten. Die Branchengrößen wie Viessmann, Buderus usw. zogen erst nach, als am Markt immer mehr Öl-Brennwerttechnik und Brennwerktkessel Holz verlangt wurde.

Technik Brennwertkessel

Durch die Nutzung der Kondensationswärme tritt eine Verbesserung des verbrennungstechnischen Wirkungsgrades ein. Ein zusätzlicher Gewinn in Bezug auf den Wirkungsgrad liegt in der Tatsache, dass die Abgastemperaturen und somit die Abgasverluste erheblich niedriger ausfallen als bei konventioneller Feuerung, bei der, um Kondensatbildung im Abzug zu verhindern, die Abgastemperatur rund 120 °C nicht unterschreiten sollte, während Brennwertfeuerungen mit 60 °C betrieben werden können. Da jedoch in alten Kaminen, um das Versotten (Kondensation im Kamin) zu verhindern, eine höhere Abgastemperatur nötig ist, muss eine Kaminsanierung vorgenommen werden. Dabei wird ein Kunststoffrohr (hochtemperaturbeständiges Polypropylen-PP) in den Kamin eingezogen, durch das die Abgase abgeleitet werden. In diesem Kunststoffrohr können die kondensierten Abgase dann nach unten in den Kessel zurücklaufen und werden dann mitsamt dem Kondensat des Wärmeübertragers abgeleitet.

Je höher der Wasserstoffanteil eines Brennstoffes ist, desto höher ist die Menge an Wasserdampf, die nach der Verbrennung des Brennstoffs im Abgas enthalten ist. Insbesondere bei Brennstoffen mit hohem Wasserstoffanteil ist es also wichtig, dass die im Abgas enthaltene Kondensationswärme genutzt wird. Brennwertkessel vermögen je nach energetischer Qualität und je nach Betriebsbedingungen einen mehr oder weniger großen Anteil der Kondensationswärme zu nutzen.

Technik last- und rücklauftemperaturunabhängige Brennwert-Kessel

Das in Brennwertkesseln anfallende Kondensat greift auf Grund seines niedrigen pH-Werts unedle Werkstoffe an. Frühere Kesselmaterialien und auch Kaminrohre waren nicht korrosionsfest genug, um dem zu widerstehen. Daher wurde durch die verwendete Kesselkonstruktion und durch hohe Betriebstemperaturen (> 70 °C) eine Kondensation im Kessel bewusst verhindert.

Vetter hat deshalb die Idee gehabt, die bei der Verbrennung der (kohlen-)wasserstoffhaltigen Brennstoffe entstehenden wasserdampfhaltigen Abgase in einem separaten Kunststoffwärmetauscher kondensieren zu lassen. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Abgase dafür bereits in dem deshalb fünf- bis siebenzügigen Stahlwärmetauscher auf rund 65° abgekühlt werden.

Im Kunststoffwärmetauscher werden dann die Abgase durch die von außen zugeführte Frischluft für den Brenner auf mindestens 45° abgekühlt, die Frischluft wird entsprechend aufgeheizt dem Brenner zugeführt. Damit werden bauartbedingt immer die für die Kondensation nötigen Temperaturen von 59° (bei Gasbetrieb) bzw. 47° bei Ölbetrieb unterschritten. Je kälter im Winter die Außenluft ist, desto besser wird der Wirkungsgrad, weil dann die Abgase noch mehr abgekühlt werden.

Da der Kunststoffwärmetauscher unempfindlich gegenüber der bei der Kondensation anfallenden Schwefelsäure ist, spielt der im Brennstoff enthaltene Schwefelanteil keine Rolle, es können deshalb auch schwefelhaltige Heizöle verfeuert werden. Die in dem Kondensat enthaltene Säureanteile werden neutralisiert und können dann im Rahmen der gesetzlichen Vorschriften in das Abwassernetz abgeleitet werden. Damit kondensieren diese Säureanteile nicht in der Umwelt und schlagen sich deshalb auch nicht als saurer Regen nieder.

Damit ist bei diesen Kesseln der Brennwert weder last- noch von der Rücklauftemperatur abhängig und sie können deshalb auch da eingesetzt werden, wo die Vor- und Rücklauftemperaturen sich zwischen 90°–60° bewegen müssen, um den an sie gestellten Anforderungen zu genügen, z. B. bei Altbauten, Mehrfamilienhäusern, Werkstätten, Bürogebäude etc. Man spricht deshalb hier auch von Hochtemperatur-Brennwertkesseln bzw. Voll-Brennwertkesseln. Bauartbedingt liegen hier die Abgastemperaturen immer unter dem Taupunkt von 47°.

Nach diesem Prinzip werden in Deutschland zur Zeit von sechs Firmen Hochtemperatur-Brennwertkessel angeboten: Kroll GmbH, Öko Condens, ProCondens, Ryll-Tech, Swisscondens und Veritherm, wobei nur Ryll-Tech Hochtemperatur-Brennwertkessel als Alleinkessel bis 500 KW (bis 2.500 KW als Kaskade) anbietet.

Technik last- und rücklauftemperaturabhängige Brennwert-Kessel

Von den anderen Anbietern wie Brötje, Buderus, Rotex, Viessman, Wolf etc. wurde die Idee ebenfalls aufgegriffen, aber anders gelöst. Bei ihnen wird mit den Abgasen der kalte Rücklauf vom System her vorgewärmt. Dabei kondensieren die Wasserdampfanteile der Abgase am Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher.

Die Brennwertnutzung wird aber häufig nur dadurch erreicht, dass die Eintrittstemperatur des Heizungswassers in den Heizkessel („Rücklauftemperatur“) so weit abgesenkt wird, dass der Taupunkt des Abgases an den Wärmeübertragerflächen unterschritten wird. Dies kann je nach Konstruktion im Kessel selbst (z. B. Rotex A1-Kessel) oder auch in einem separaten und nachgeschalteten Wärmeübertrager geschehen (z. B. Buderus, Viessmann). Der Kessel (bei interner Kondensation) bzw. der Wärmetauscher (bei nachgeschalteter Kondensation) müssen wegen des dabei entstehenden säurehaltigen Kondensates (besonders bei nicht-schwefelarmem Heizöl) dafür geeignet sein, also möglichst säureresistent sein.

Damit ist der Brennwert last- und von der Rücklauftemperatur abhängig und sollte deshalb vorrangig da eingesetzt werden, wo die Rücklauftemperaturen niedrig sind, z. B. bei Fußbodenheizungen (< 30°) oder die Dauerkondensationstemperatur hoch ist (bei Gas z. B. 59°). Im Regelfall findet hier nur eine Teilkondensation statt, weil zwar die Rücklauftemperatur unter dem Taupunkt liegt, die Abgastemperatur aber darüber. Man spricht hier von einem Niedrig-Temperatur-Brennwertkessel.

Die Abgastemperaturwerte der jeweiligen Heizkessel sind aus den Datenblättern der Hersteller ersichtlich, wobei nur die Hersteller nach dem Vetter-Prinzip gewährleisten können, dass auch im Dauerbetrieb die Kondensationstemperatur immer unter dem Taupunkt, also 47° Grad, liegt und damit immer unabhängig vom gewählten Brennstoff eine last- und rücklauftemperaturunabhängige Brennwertnutzung gewährleistet ist.

Abgasanlage

Durchfeuchtete Schornsteine, teilweise mit gravierenden Schäden am Mauerwerk, sind die häufigste Folge einer unsachgemäß durchgeführten Umrüstung auf Brennwerttechnik. Brennwertgeräte benötigen deshalb eine feuchte- und säureunempfindliche Abgasanlage. Dies kann relativ einfach und kostengünstig durch den Einbau eines Kunststoffrohres (hochtemperaturbeständiges Polypropylen-PP) oder Edelstahlrohres in den vorhandenen Schornstein realisiert werden.

Zu beachten ist hier, dass Kunststoffrohr, aufgrund seiner eingeschränkten Temperaturbeständigkeit, üblicherweise nur bei den Hochtemperatur-Brennwertkesseln nach dem Vetter-Prinzip mit bauartbedingt besonders niedrigen Abgastemperaturen verwendet werden darf. Bei den Niedrig-Temperatur-Brennwertkesseln können die Abgastemperaturen bei höheren Rücklauftemperaturen auch höhere Abgasgrade erreichen, die teuere Edelstahlrohre erforderlich machen.

Ferner sind wegen der niedrigen Abgastemperaturen und dem damit verbundenen geringen Auftrieb des Abgases bei atmosphärischen Brennern Abgasventilatoren nötig, um einen sicheren Abzug des Abgases zu gewährleisten.

Zu empfehlen ist der Einbau eines sog. LAS-Rohres. Die Abgase wärmen die angesaugte Verbrennungsluft vor, wobei den Abgasen durch Kondensation weitere Energie entzogen wird. Der Wirkungsgrad wird dadurch weiter erhöht, man spricht dann von Vollbrennwert-Technik, bei der die Kondensation nicht nur im Heizkessel, sondern zusätzlich im Kamin stattfindet. Gleichzeitig wird dadurch bei höheren Vorlauftemperaturen (> 60 °C) ein Brennwertbetrieb ermöglicht.

Notwendige Änderungen/Voraussetzungen an der Heizungsanlage

Prinzipiell können Brennwertgeräte in jeder Heizungsanlage eingesetzt werden. Allerdings muß die Ableitung des Kondensats sichergestellt sein, d. h. der Kessel muß mit dem Abfluss verbunden werden. Eine manuelle Entleerung per Eimer ist auch bei Einfamilienhäusern in der Regel – aufgrund der anfallenden Wassermenge – nicht praktikabel. Das Kondensat darf nur in den Abfluss geleitet werden, wenn es keine Säure enthält, was bei Heizöl durch den Betrieb mit schwefelarmem Heizöl sichergestellt ist. Anderernfalls muss es vor Einleitung ins Abwasser durch einen besonderen Filter neutralisiert werden.

Last- und rücklauftemperaturunabhängige Brennwert-Kessel

Bei den Hochtemperatur-Brennwertkesseln (System Vetter) ist der Brennwert nicht last- oder rücklauftemperaturabhängig. Es gibt hier deshalb keine Einschränkungen, weder für Fußboden- oder andere Heizungen. Das gilt auch für die Abgasanlage. Da für den sicheren Abzug des Abgases aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen Abgasventilatoren nötig sind, gibt es hier auch für die Länge und Höhe der Abgasrohre theoretisch keine Einschränkungen.

Last- und rücklauftemperaturabhängige Brennwert-Kessel

Bei den Niedrigtemperatur-Brennwertkesseln ist der Brennwert last- und rücklauftemperaturabhängig, zu hohe Rücklauftemperaturen vernichten den Brennwert. Damit erhöhen niedrige Rücklauftemperaturen dort die Effektivität. Eine Kombination mit entsprechend groß dimensionierten Heizflächen, z. B. Fußbodenheizungen, ist daher sinnvoll, jedoch nicht zwingend. In der Regel sind die vorhandenen Heizkörper nach Modernisierungsmaßnahmen am Gebäude (z. B. Fensteraustausch) groß genug dimensioniert, um ausreichend geringe Rücklauftemperaturen aufzuweisen. Die Wärmeleistung, die ein Heizkörper an den Raum abgeben muss, sinkt zudem drastisch bei ansteigenden Außentemperaturen. Je weniger Heizwärme vom Heizkörper abgegeben werden muss, desto höher ist die Rücklauftemperatur des Heizkörpers. Wichtig ist es aber auch, in der Heizungsanlage einen hydraulischen Abgleich durchzuführen. Hierbei wird die Durchlaufmenge des Heizwasser auf die Menge begrenzt, die zur Erreichung der Heizleistung für diesen Heizkörper notwendig ist (Heizlastberechnung muss vorliegen). Nur so ist sichergestellt, dass ein nah an der Heizungsanlage montierter Heizkörper nicht die Rücklauftemperatur anhebt und damit den Brennwerteffekt vernichtet. Während des größten Teils der Heizperiode ist die Rücklauftemperatur niedrig genug, um eine Kondensation und damit eine Nutzung des Brennwerteffekts zu ermöglichen. Bei Brennwertgeräten mit Verbrennungsluftvorwärmung kann auch noch bei Rücklauftemperaturen oberhalb des Taupunktes des jeweiligen Brennstoffs (bei Gas etwa 57 °C, bei Öl etwa 48 °C) Kondensationswärme genutzt werden, da hier die warmen Abgase zum Vorwärmen der Brennerzuluft genutzt werden. Dieser Effekt tritt prinzipiell bei Nutzung eines so genannten Luft-Abgas-Systems (LAS) ein, bei dem die warmen Abgase durch das innere Rohr eines Rohr-in-Rohr-Systems abgeführt werden und dabei Wärme an die kältere, durch das äußere Rohr des LAS-Systems zum Brenner geführte Zuluft abgeben.

So genannte Überströmventile, die oft direkt nach der Umwälzpumpe zwischen Vor- und Rücklauf (bei Wandgeräten auch in das Gerät integriert) eingebaut sind, öffnen sich im Teillastbetrieb (d. h., wenn aufgrund schließender Thermostatventile der Kesselvolumenstrom kleiner ist als der Auslegungsvolumenstrom) zum Druckabbau, um die Pumpe zu entlasten oder um eine vom Kessel benötigte Mindest-Umlaufwassermenge sicherzustellen, und heben dabei die Rücklauftemperatur an. Letzteres gilt auch für 4-Wege-Mischer. Sowohl Überströmventile als auch 4-Wege-Mischer sollten bei Einsatz von Brennwertkesseln stillgelegt oder ausgebaut werden, damit die Rücklauftemperatur am Kessel so niedrig wie möglich ist. Insbesondere Wandgeräte weisen aber oft so geringe Kesselwasserinhalte auf, dass zum Schutz der Wärmeübertragerflächen vor einer thermischen Überbelastung eine gewisse Mindestumlaufwassermenge durch Überströmventile sichergestellt werden muss. Diese Probleme entfallen beim Anschluss des Kessels über eine hydraulische Weiche. Es ist jedoch zu beachten, dass durch den Einsatz einer hydraulischen Weiche der Rücklauf aufgewärmt und dadurch der Brennwerteffekt zunichte gemacht werden kann. Ein Ausbau der vorgenannten Bauteile (Überströmventile usw.) ist aber nur die halbe Miete. Ein Austausch einer Standardumwälzpumpe gegen eine selbstregelnde Umwälzpumpe verbessert die Konstanz des Volumenstroms und man hat zusätzlich eine Stromeinsparung (die Pumpe regelt ihre elektrische Leistung ja nach Bedarf selbst) und es kommt zu keinerlei Pfeiffgeräuschen an den Ventilen durch einen zu hohen Volumenstrom.

Einleitung von Kondensat aus Brennwertkesseln

Das anfallende Kondensat hat bei Brennwertgeräten, die mit schwefelarmem Heizöl oder Erdgas betrieben werden, einen ph-Wert von ca. 3 [1] und kann deshalb laut Empfehlung des im August 2003 novellierten DWA-Arbeitsblatts ATV-DVKW-A 251 bei Brennwertgeräten bis 200 kW Feuerungsleistung in der Regel ohne Neutralisation zusammen mit dem häuslichen Abwasser in die Kanalisation eingeleitet werden. Dieses Kondensat gilt laut Definition des Arbeitsblattes ATV-DVWK-A 251 als Teil des häuslichen Abwassers. Das Kondensat von mit Standard-Heizöl betriebenen Brennwertkesseln hat einen ph-Wert von 2–4 [2] und muss laut der Empfehlung der ATV vor der Einleitung neutralisiert werden. Das Kondensat aus Nasskaminen muss nicht neutralisiert werden. Das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 251 stellt eine Empfehlung dar, nach der sich viele Abwassernetzbetreiber richten. Im Zweifelsfall gilt die Regelung des lokalen Abwassernetzbetreibers oder der unteren Wasserbehörde.

Nutzung von Kondenswasser

Das Kondensat ist aufgrund seines niedrigen pH-Wertes für die Nutzung in Küche oder Waschmaschine nicht geeignet; es taugt allenfalls für die Toilettenspülung. Hier jedoch scheitert die Nutzung in der Regel am technischen Aufwand für die Einspeisung.

Wirkungsgrad und Nutzungsgrad des Brennwertkessels

Der Wirkungsgrad eines Gerätes sagt aus, welcher Teil der eingesetzten Leistung genutzt werden kann. Wirkungsgrade stellen stets eine Momentaufnahme dar (z. B. Messung im Beharrungszustand bei 70 °C Kesselwassertemperatur und Nennleistung) und beziehen sich auf das Verhältnis von zugeführter zu abgeführter Leistung. Für die energetische Bewertung eines Kessels reicht dies jedoch nicht aus, da die so genannten Bereitschaftswärmeverluste nicht berücksichtigt werden, d. h., es wird lediglich der Teil der Verluste berücksichtigt, der bei laufendem Brenner anfällt. Die Strahlungsverluste bei Brennerstillstand gehen beispielsweise nicht mit ein. Diese werden lediglich bei der Ermittlung des Kessel-Nutzungsgrads miteinbezogen.

Der feuerungstechnische Wirkungsgrad, der im Schornsteinfegerprotokoll ausgewiesen wird, gibt beispielsweise an, welcher Anteil der in Form von Brennstoff dem Kessel zugeführten Leistung nach Abzug der trockenen (oder auch sensiblen) Abgasverluste übrig bleibt. Von diesem Anteil müsste nun korrekterweise noch der latente Abgasverlust abgezogen werden, der aufgrund der nicht oder nicht vollständig genutzten Kondensationswärme des Abgases entsteht.

Eine vollständige energetische Bewertung von Kesseln kann nur mit Hilfe des Kessel-Nutzungsgrades erfolgen. Der Kessel-Nutzungsgrad ist das Verhältnis aus der in einem bestimmten Zeitraum in Form von Brennstoff zugeführten Energiemenge, wahlweise bezogen auf den Heizwert oder Brennwert, und der vom Kessel an das nachgeschaltete Heizungsnetz bzw. an den Warmwasserspeicher abgegebenen Nutzenergie. Die Angabe des Kessel-Nutzungsgrads berücksichtigt im Gegensatz zur Kessel-Wirkungsgradangabe auch die im Betrieb anfallenden Bereitschaftwärmeverluste des Kessels, die beispielsweise durch die Abgabe von Strahlungswärme an den Aufstellraum während des Brennerstillstands erfolgen.

Bei Wirkungs- und Nutzungsgradangaben ist stets anzugeben, ob diese sich auf den Heizwert Hi (früher Hu) des eingesetzten Brennstoffs oder auf den Brennwert Hs (früher Ho) beziehen. Um die Wirkungs- und Nutzungsgrade von Kesseln, die mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, vergleichen zu können, eignen sich lediglich brennwertbezogene Angaben, da nur diese die gesamte im Brennstoff enthaltene Energie berücksichtigen. Die theoretisch erreichbaren Wirkungs- und Nutzungsgrade liegen bei Öl-Brennwertkesseln bei 100 % wenn mit Hs und 106 % wenn mit Hi gerechnet wurde. Bei Gas-Brennwertkesseln werden maximal 100 % mit Hs und maximal 111 % mit Hi berechnet erreicht. Bei der heizwertbezogenen Betrachtung werden die latenten Wärmeverluste (Kondensationswärme) nicht mitbetrachtet. Der elektrische Stromverbrauch ist mit zu berücksichtigen.

Tipps

Bestimmung der Brennwertnutzung

Über die Kondensatmenge kann kontrolliert werden, wie gut der Brennwertkessel die Energie des eingesetzten Brennstoffs nutzt. Bei Öl-Brennwertkesseln fallen im Idealfall ca. 0,8 Liter Kondensat pro verbrannten Liter Heizöl an, bei gleich effizienten Gas-Brennwertkesseln (d. h. gleicher brennwertbezogener Kessel-Nutzungsgrad) ca. 1,5 Liter pro m³ Erdgas. Die unterschiedliche Kondensatmenge bei Öl und Gas ergibt sich aus der unterschiedlichen Brennstoffzusammensetzung. Im Erdgas ist mehr Wasserstoff enthalten, damit entsteht bei der Verbrennung mehr Wasserdampf. Wird im praktischen Betrieb aufgrund höherer Vorlauf-/Rücklauftemperaturen (z. B. bei der Warmwasserbereitung) keine vollständige Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes erreicht, weisen Gas-Brennwertkessel aufgrund der höheren latenten Wärmeverluste (max. 11 Prozent) eine geringere Effizienz (Brennwertbezug) auf als Öl-Brennwertkessel (max. 6 Prozent latenter Wärmeverlust).,

Überprüfung durch den Schornsteinfeger (Deutschland) / Kostenvorteile

Das Prüfintervall bei gasbefeuerten Brennwertgeräten liegt in Deutschland bei zwei Jahren statt bei einem Jahr, wie es bei den meisten Heizwertgeräten üblich ist. Es wird bei einem Brennwertgerät keine Tätigkeit nach BImSchV (Abgasverlustbestimmung), sondern eine wiederkehrende Tätigkeit nach Kehr-und Überprüfungsordnung durchgeführt. Diese Überprüfung beinhaltet die Bestimmung des CO-Gehaltes im Abgas und eine Abgaswegeprüfung.

Dies bedeutet bei kleinen Anlagen einen nicht unerheblichen Kostenvorteil für Brennwertgeräte, Geräte mit 11 kW Leistung sind bisher von einer Überprüfung ganz ausgenommen.