Gebäudeheizung

Eine Gebäudeheizung ist eine Vorrichtung zur Erwärmung von Gebäuden in ihrer Gesamtheit oder einzelnen Räumen.

Allgemeines

Unter „Heizung“ subsumiert man

• Zentralheizung, Elektroheizung, Etagenheizung, Fahrzeugheizung, Fernheizung, Gasheizung, Holzheizung, Kohleheizung, Nachtspeicherheizung, Ölheizung, Pelletheizung und Wärmepumpenheizung,
• Anlagenkomponenten, zum Beispiel Heizkessel, Heizflächen und Heizkörper sowie
• Gruppen von Anlagenkomponenten (zum Beispiel "alles das was sich im Heizungskeller befindet").

Thermostatventil an einem Heizkörper

Eine Zentralheizung (Sammelheizung) hat eine zentrale Heizstelle und versorgt über ein Trägermedium ("Wärmeträger") einen oder mehrere Räume oder Gebäude mit der erzeugten Wärme.

• Wasser ("Warmwasserheizung")
• Dampf ("Dampfheizung" - vorwiegend zur Beheizung großer Hallen)
• Luft ("Warmluftheizung")

Energiequellen / Brennstoffe

gebrauchte Zerstäuberdüse eines Ölbrenners

Brennstoff Holzpellets

Als Brennstoffe verwendet man (nach Aggregatzustand):

• flüssige Brennstoffe: Heizöl, Pflanzenöle oder Biodiesel
• gasförmige Brennstoffe: Erdgas, Flüssiggas oder Biomethan
• feste Brennstoffe Kohle, Holz (Scheitholz oder Holzpellets) oder andere biogene Festbrennstoffe (Stroh, weitere Halmgutartige Biomasse, Getreide)

Daneben unterscheidet man fossile Brennstoffe (= Fossile Energie) und Brennstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen (= Biomasse).

Strom wird nicht als 'Brennstoff' bezeichnet, weil er in einer Elektroheizung nicht verbrannt wird. Die Elektroheizung stellt Elektrowärme zwecks Beheizung eines Gebäudes her. Eine bekannte Art der Elektroheizung ist die Nachtspeicherheizung.

Erst nach dem Zweiten Weltkrieg verbreiteten sich Zentralheizungen - zusammen mit der Umstellung der Beheizung von Festbrennstoffe auf Öl und Gas - in westlichen Industrieländern; zuvor waren sie ein Luxus und die dezentrale und selektive bzw. temporäre Beheizung von Räumen während der Heizperiode war verbreitet.

Geschichte

Die älteste bekannte Warmwasserheizung entwickelte 1716 der Schwede Marten Trifvald. Sie diente der Beheizung eines Treibhauses im englischen Newcastle. Ab etwa 1850 ließen sich einige Fürsten und wohlhabende Bürger Warmwasserheizungen in ihre Schlösser und Villen einbauen. Erwähnenswert ist hier das 1867/68 von August Orth erbaute Palais Strousberg in Berlin.

Im privaten Wohnungsbau verbreitete sich die Warmwasserheizung ab etwa 1900.

Da der Transport von Energieträgern früher aufwändiger war als heute spielten regionale Aspekte eine größere Rolle. Zum Beispiel heizte man im Ruhrgebiet - einem Ballungsraum mit relativ wenig Wald - viel mit Kohle; in waldreichen Gegenden wurde überwiegend mit Holz geheizt.

1973/74 kam es nach Liefer-Drosselungen der OPEC-Länder zu einer ersten Ölkrise; 1979/80 gab es eine zweite Ölkrise. Zuvor gab es eine Ära sehr billiger Energie; diese führte mit dazu, dass in den 1950er und 1960er Jahren beim Hausbau wenig auf eine energiesparende Bauweise geachtet wurde. Ab 1986 wurde durch die Katastrophe von Tschernobyl - eine Kernschmelze in einem russischen Atomkraftwerk, nach der eine radioaktive Wolke über weite Teile von Europa zog - auch bewusst, dass Elektroheizung keine Alternative zum regelmäßigen Beheizen von Räumen ist^[1]

Seit den 1980ern hat der Anteil der Gasheizungen zugenommen und der der Ölheizungen abgenommen. Das liegt an verschiedenen Faktoren. Ölheizungen produzieren weniger Abgase, seitdem das Heizöl stärker als früher entschwefelt wird (Siehe Heizöl Extra Leicht).

Heute eingebaute Gasheizungen arbeiten oft mit Brennwerttechnik. Auch Holzpellets können in Brennwerttechnik-Heizungen verbrannt werden.^[2]

Zentralheizungen mit Scheitholz als Brennstoff haben heute meist Holzvergaserkessel.

• Hackschnitzelanlagen gibt es nur für die Beheizung sehr großer Gebäude (z. B. Bauernhöfe, Mehrfamilienhäuser, Heizwerke für Nah- und Fernwärmenetze). Sie werden vor allem in Gebieten mit hohem Waldanteil verwendet. Man häckselt Restholz; dieses ist für die Holzindustrie nicht brauchbar.

Fernwärme

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

Elektrischer Strom

elektrisch beheizter Speicherofen

elektrisch beheizter Radiator

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

Erdwärme

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

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

Bivalente Heizungen

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

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

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

Trivalente Heizungen

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

• Brennwerttechnik (z.B. Öl/Gas) und Solarthermie und wassergeführter Kaminofen

Blockheizkraftwerk

Die für die Beheizung eines Gebäudes benötigte Wärmeenergie kann auch in einem Blockheizkraftwerk erzeugt werden. Dieses erzeugt neben Wärme auch Strom: ein Verbrennungsmotor treibt einen Generator; die Abwärme des Systems wird zum Heizen verwendet.

Einzelheizung

elektrisch betriebener Halogen-Infrarotstrahler

Eine einfache Form der Raumheizung ist die der Einzelheizung oder der Einzelofen. Kleine Einzelheizungen (z.B. Heizlüfter) heizen nur ihre direkte Umgebung; die meisten Einzelheizungen beheizen den ganzen Raum, in dem sie stehen. Beispiele:

• geschlossener Ofen
  • Kaminofen (auch Cheminéeofen oder Schwedenofen genannt)
  • Kachelofen, Grundofen,
  • Dauerbrandofen mit angeschlossenem Öltank,
• elektrisch betriebene Widerstandsheizung (z. B. Heizlüfter, Heizstrahler oder Elektrospeicher-Heizung)

Infrarotstrahler erzeugen Infrarot-C-Strahlung. Dieser erwärmen nicht die Luft, sondern die Flächen, auf die sie treffen.

Offene Kamine heizen nur bedingt: sie haben einen schlechten Wirkungsgrad (je nach Bauart um 10 %, d.h. 90 % der freigesetzten Wärme entweichen durch den Schornstein) und verbrauchen bei ihrem Betrieb viel Sauerstoff, der dann in Form von Außenluft ersetzt werden muss.

Zentralheizung

Eine Zentralheizung (Sammelheizung) hat eine zentrale Heizstelle und versorgt über Wasser (flüssig oder dampfförmig) als Trägermedium einen oder mehrere Räume oder Gebäude.

Warmwasserheizung

Warmwasser-Zentralheizung für Wohnhaus mit Holzpellets als Brennstoff

Absperrschieber einer Warmwasserheizung

Eine Warmwasserheizung (z.B. in der Ausführung als Einrohrheizung) besteht aus einem zentralen Wärmeerzeuger, der das Wärmeüberträgermedium Wasser erwärmt und mit Hilfe einer Umwälzpumpe oder aber durch den Dichteunterschied des unterschiedlich warmen Wassers (Schwerkraftheizung) durch Rohrleitungen zu den Heizkörperoberflächen fördert (Vorlauf). Diese geben durch Wärmestrahlung als auch durch Kontakt mit der Raumluft an diese die Wärme ab. Durch die Konvektion der Luft wird so der gesamte Raum beheizt. Anschließend fließt das abgekühlte Wasser über die Rücklaufleitungen zurück zum Wärmeerzeuger.

Zur Druckhaltung im System wird in aktuellen Heizungsanlagen meist ein Membranausdehnungsgefäß genutzt, das auch Druckschwankungen infolge Erwärmung/Abkühlung und Leckagen in bestimmten Grenzen ausgleicht. In älteren Heizungsanlagen findet man aber auch offene Reservoirs am höchsten Punkt der Heizungsanlage. Zum Befüllen des Heizungssystems wird i.d.R. Leitungswasser genutzt, das über eine Füllarmatur in den Heizkreis eingespeist wird. Die Verbindung Trinkwassernetz/Heizung darf dabei nur temporär zum Befüllen hergestellt werden, um Rückspeisung von Wasser aus dem Heizungs-Rohrnetz bei Druckabfall im Trinkwassernetz zu verhindern. Im Leitungsnetz befindliche Luft muss über Entlüfter an den einzelnen Heizkörpern und bei größeren Anlagen an Luftabscheidern (selbsttätiger Entlüfter) aus dem Wasserkreislauf entfernt werden, damit alle Heizkörper vollflächig mit Heißwasser versorgt werden können und es nicht zu Geräuschbelästigungen und Bauteilkorrosion kommt.

Die Warmwasserheizung arbeitet mit Wassertemperaturen zwischen 30 °C (Niedertemperaturheizsystem) und 90 °C. Das Wasser wird durch Rohrsysteme in Heizkörper (Heizleiste, Radiator), Fußbodenheizung oder Wandheizung gepumpt und gibt dort Wärme ab.

Durch Auslegung der Heizflächen und des Rohrnetzes mit niedriger Rücklauftemperatur (unter 50 °C bei Gas bzw. unter 40 °C bei Heizöl) kann ganzjährig die Energie aus dem Wasserdampf des Rauchgases genutzt werden. Für den optimalen Betrieb einer Warmwasserheizung ist ein hydraulischer Abgleich erforderlich. Hierzu wird im Vorfeld eine Rohrnetzberechnung durchgeführt. Obwohl der hydraulische Abgleich in der (VOB) Teil C und in der Energieeinsparverordnung gefordert ist, wird er in der Praxis von Heizungsmonteuren nur selten ausgeführt und auch von der Bauleitung selten überprüft.^[3]

In Heizungsanlagen mit mehreren Verbraucherkreisen wird eine hydraulische Weiche oder ein Zortströmverteiler (Kombination aus Verteilung und Hydraulischer Weiche) eingesetzt, um Heizkreis und Verbraucherkreise hydraulisch zu entkoppeln.

Dampfheizung

Bei der Heißwasserheizung und der Dampfheizung wird das Wasser auf über 100 °C erwärmt. Der erzeugte Wasserdampf wird durch Rohrleitungen transportiert und kondensiert in den Heizkörpern unter Wärmeabgabe. Dann fließt das Kondensat zum Heizkessel zurück. Die bei der Kondensation frei werdende latente Wärme bewirkt eine sehr große freigesetzte Heizleistung.

Warmluftheizung

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

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

Kosten, Amortisation

Die Wirtschaftlichkeit einer Heizanlage hängt neben Anschaffungs- und Betriebskosten auch von den zur Verfügung stehenden finanziellen Förderungen ab.

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

• Der Jahresnutzungsgrad beschreibt das Verhältnis zwischen bereitgestellter Nutzwärme zur aufgewandten eingesetzten Brennstoffmenge. Die Angabe des Jahres-Nutzungsgrads oder auch Norm-Nutzungsgrads berücksichtigt nicht nur die Verluste, die bei laufendem Brenner auftreten, sondern auch alle Verluste, die während des Brennerstillstands auftreten.
• Der Wirkungsgrad beinhaltet dagegen nur die Verluste bei laufendem Brenner.

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

Berechnung einer Raumheizung

Um den Leistungsbedarf einer Heizung für einen geschlossenen Raum zu ermitteln, ist die Berechnung des Wärmedurchgangs der Raumbegrenzungsflächen (Wände, Decke, Fußboden, Türen, Fenster) nötig. Die über die Flächen abströmende Wärme muss als Heizleistung zugeführt werden.

$\dot{Q}= U \cdot A\cdot (T_i - T_a)$

• $\dot{Q}$ = Leistung in W (1 Nm/s = 1 J/s = 1 W)
• U = Wärmedurchgangszahl in W/(K · m²)
• A = Fläche in m²
• T_a = Außentemperatur in °C
• T_i = Zimmertemperatur in °C

Für Räume mit mehreren Außenwänden ist ein Leistungszuschlag von 10 bis 15 Prozent erforderlich. Der Leistungsbedarf wird für alle Flächen des Raumes getrennt berechnet und später addiert.

Ferner muss man beim Auslegen (Dimensionieren) von Heizungsanlagen die Lüftungswärmeverluste (Fenster oder maschinelle Lüftung), Nachtabsenkung, Wiederaufheizfaktor etc. im Rahmen der anerkannten Regeln der Technik berücksichtigen. Die Berechnung wird durch EN 12831 (Heizlast) festgelegt. Bis Oktober 2004 galt die DIN 4701 für Wärmebedarf, mit der der sogenannte Norm-Wärmebedarf berechnet wird.

Kann ein Gebäude durch sehr gute Wärmedämmung seinen Wärmebedarf so weit reduzieren, dass es ohne eine aktive Raumheizung auskommt (Energiezufuhr nur durch Bewohner, solare Gewinne, Lüftungsvorwärmung usw.), so spricht man von einem Passivhaus.

Steuerung und Regelung

Die Einhaltung der angestrebten Temperatur wird durch Steuerung und Regelung der Heizung erreicht.

Die Kontrolle über das Heizverhalten der Anlagen ging mit dem Stand der Technik mit. Gab es bei den ersten großen Heizungsanlagen noch Heizer zur Unterhaltung und Kontrolle des Verbrennungsvorgangs, so wird dies heute von Heizungstechnik (automatische Steuerung und Kontrolle der Brenngutzufuhr). Die Art der eingesetzten Regelung hängt von der Größe der Heizungsanlage ab. In Ein- und Zweifamilienhäusern wird die Heizung und Warmwasserbereitung in der Regel komplett durch die Regelung im Heizkessel realisiert.

Bei größeren Anlagen, bei denen ein Heiznetz mehrere Häuser oder Wohngebiete versorgt, wird im Heizhaus nur die Regelung für das Heiznetz realisiert. Das heißt, es wird eine konstante oder variable Vorlauftemperatur in das Netz eingespeist. In diesen Anlagen stehen dann zwei oder mehr Heizkessel. Diese werden nicht mehr über die brennereigene Steuerung, sondern über DDC-GA-Steuerungen gesteuert.

Die Regelung der Heizungen und der Warmwasserbereitung erfolgt dann separat in den Hausanschlussstationen (HAST) der einzelnen Häuser. Die Regelung im Haus erfolgt dann über Kompaktregler oder DDC-GA-Steuerungen.

Die Regelstrategie erfolgt bei Heizungen außentemperaturgeführt, das heißt, die Vorlauftemperatur des Heiznetzes wird über eine Heizkurve parametriert. Die Vorlauftemperatur des Heizkreises wird dabei wärmer, je kälter es wird. Bei einer Regelung mit einem meist im Wohnzimmer angebrachten Temperaturfühler wird die Vorlauftemperatur des Heizkreises zusätzlich durch die Raumtemperatur beeinflusst, damit auch die Fremdwärme durch Sonneneinstrahlung etc. berücksichtigt wird. Zudem werden Parameter wie Nachtabsenkung und verlängerte Nutzungszeiten von Räumen über die Partytaste genutzt, um in die Regelung einzugreifen. Am bequemsten geschieht dies über eine Fernbedienung im Wohnbereich.

Nutzungsdauer

Als Nutzungsdauer für Heizkessel werden etwa 20 Jahre angesetzt, für Gebläsebrenner 15 bis 20 Jahre, sowie 25 bis 30 Jahre für Armaturen und Tank (Stahlblech)^[4]. Neben der technischen Nutzungsdauer können rechtliche Regelungen die Nutzungsdauer von Heizungen beschränken. In Deutschland legen die Energieeinsparverordnung das zulässige Alter und die 1. Bundesimmissionsschutzverordnung die maximal tolerierten Abgasverluste für Heizungsanlagen. Diese werden in Deutschland vom Schornsteinfeger festgestellt bzw. gemessen und gegebenenfalls der zuständigen Behörde gemeldet.

Siehe auch

• Alte Bauformen: Kotatsu (beheizter Tisch bzw. Erdloch in Japan), Kang (Ofenbett in China), Kamin
• Steuerung und Regelung: Heizungsregler, Raumautomation
• Wärmeverteilung: Hypokaustum, Flächenheizung, Fußbodenheizung, Wandheizung, Dampfheizung
• Verbrauchsbestimmung: Wärmezähler, Heizkostenverteiler

Literatur

• Alfred Faber: Entwicklungsstufen der häuslichen Heizung. Oldenbourg 1957
• Recknagel-Sprenger-Schramek, Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik (erscheint jährlich)

Weblinks

•  Wiktionary: Heizung – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
• Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
• Wärmerechner: Berechnung der Umweltbelastung verschiedener Heizungen
• Heizanlagenvergleich: Kostenlose Berechnung verschiedener Heizungstypen (Öl, Gas, Pellet, Erdwärmesonden, Grundwasser-Wärmepumpe etc.) in einem Privathaus
• Richtig Heizen
• Heizungswasser

Einzelnachweise

1. ↑ Zu den Vor- und Nachteilen siehe den Artikel Elektrogebäudeheizung.
2. ↑ [1]
3. ↑ die Folge ist, dass die Umwälzpumpe, die den Wasserkreislauf im Fluss hält, mehr Strom verbraucht als nötig
4. ↑ VDI 2067