Gebäudeheizung

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

Unter „Heizung“ subsumieren sich sowohl Begriffe wie Zentralheizung, Elektroheizung, Etagenheizung, Fahrzeugheizung, Fernheizung, Gasheizung, Holzheizung, Kohleheizung, Nachtspeicherheizung, Ölheizung, Pelletheizung, Wärmepumpenheizung, als auch Bezeichnungen für Anlagenkomponenten, zum Beispiel Heizkessel, Heizflächen und Heizkörper

Energiequellen

Als Brennstoffe kommen unter anderem Heizöl, Pflanzenöle oder Biodiesel als flüssige Brennstoffe, unter den festen Brennstoffen Kohle, Holz oder weitere biogene Festbrennstoffe (Stroh, weitere Halmgutartige Biomasse, Getreide) sowie Erdgas, Flüssiggas oder Biomethan als gasförmige Brennstoffe zur Anwendung.

• Moderne Zentralheizungen arbeiten heute zum Teil mit Brennwerttechnik. Die üblichen Brennstoffe sind hier Gas oder Öl, auch Holzpellets werden in Brennwerttechnik genutzt.
• Holzvergaserkessel lösen die alten flammenden Holzheizungen weitgehend ab.
• Die vermehrt nachgefragten Pelletheizungen verbrennen Holzpellets. Es handelt sich dabei um Pressholz in länglicher Granulatform.
• Hackschnitzelanlagen werden in Gebieten mit hohem Waldanteil verwendet. Dazu werden meist mindere Holzqualitäten, die für die Holzindustrie nicht brauchbar sind, gehäckselt. Da die Anlage mit relativ hohen Investitionen verbunden ist, eignet sich diese Heizart vor allem für mittlere und größere Abnehmer (z. B. Bauernhöfe, Mehrfamilienhäuser, Heizwerke für Nah- und Fernwärmenetze).

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 in Industrieanlagen Verwendung. Als Brennstoffe werden bisher überwiegend Erdöl, Erdgas oder Kohle eingesetzt, vor allem bei kleineren Wärmenetzen wird heute zunehmend auf Hackschnitzelheizwerke oder Abwärme aus der Verstromung von Biogas zurückgegriffen.

Elektrischer Strom

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 bivalente Heizung bezeichnet, so etwa kombinierte Solar/Brenner-Heizungen (Solarthermie und Öl/Holz/Gas/ua.), Scheitholz-Kombianlagen (Holzvergaser mit Pelletsmodul), Allesbrenner (klassischer Holz/Koks-Kessel), und andere. Anlagen für mehr als zwei Energieformen sind nur in der Kraftwerkstechnik üblich.

Einzelheizung

Eine einfache Form der Raumheizung ist die der Einzelheizung oder der Einzelofen. Sie hat den Zweck, die direkte Umgebung, in der sie steht, zu beheizen. Sie kann aus einem offenen Kamin, einem geschlossenen Ofen (z. B. Kachelofen, Grundofen, Dauerbrandofen mit angeschlossenem Öltank) oder aus einer elektrisch betriebenen Widerstandsheizung (z. B. Heizlüfter, Heizstrahler oder Elektrospeicher-Heizung) bestehen. Eine Form der Einzelheizung ist die Erzeugung von Infrarot-C-Strahlung aus elektrischem Strom. Bei diesem Verfahren wird durch ein Kohlefasergewebe Infrarotstrahlung erzeugt und ausgesendet.

Zentralheizung

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

Warmwasserheizung

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 fast nie ausgeführt und auch von der Bauleitung selten überprüft.

In größeren Heizungsanlagen mit mehreren Wärmeerzeugern und Verbraucherkreisen wird die hydraulische Weiche oder ein Zortströmverteiler eingesetzt, um Heiz- und Verbraucherkreise hydraulisch zu entkoppeln.

Geschichte

Die älteste bekannte Warmwasserheizung entwickelte 1716 der Schwede Marten Trifvald. Sie diente der Beheizung eines Treibhauses im englischen Newcastle. Ab 1850 ließen sich bald einige Fürsten und wohlhabende Bürger Warmwasserheizungen in ihre Schlösser und Villen einbauen. Erwähnenswert sind hier das 1867/68 von August Orth erbaute Palais Strousberg in Berlin. Im privaten Wohnungsbau setzte sich die Warmwasserheizung erst ab 1900 nach und nach durch.

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, das Kondensat fließt 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 im 1. Jahrhundert v. Chr. erfundene und heute in Ausgrabungsstätten rekonstruierte Hypokausten-Luftheizung.

Wirtschaftlichkeit und Betriebskosten

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 nur die Verluste bei laufendem Brenner. In einem Jahr werden jedoch nur Brennerlaufzeiten von ca. 1.800 Stunden erreicht, die restliche Zeit steht der Brenner. Eine Wirkungsgradangabe ist stets nur eine Momentaufnahme, die sich auf Leistungen bezieht. Der Nutzungsgrad betrachtet jedoch die energetische Effizienz über einen bestimmten Zeitraum, z. B. ein Jahr. Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist durch Einsatz von Brennwertkesseln möglich. In ihnen wird auch die Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes genutzt. Eine relativ niedrige Rücklauftemperatur im Heizkreislauf ist hier allerdings vorausgesetzt.

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.

= Leistung in W (1 Nm/s = 1 J/s = 1 W)

• U = Wärmedurchgangszahl in W/(K * m²)
• A = Fläche in m²
• t₁ = Außentemperatur in °C
• t₂ = 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. Siehe auch Wärmeklau.

Ferner müssen für die Auslegung von Heizungsanlagen Lüftungswärmeverluste (Fenster oder maschinell), Nachtabsenkung, Wiederaufheizfaktor etc. im Rahmen der anerkannten Regeln der Technik berücksichtigt werden. 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 elektronischen Regelungen mit automatischer Kontrolle der Brenngutzufuhr übernommen. Die Art der eingesetzten Regelung hängt dabei 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 Häusern. 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 regelmäßig 18 bis 20 Jahren angesetzt, für Gebläsebrenner 12 bis 15 Jahre, sowie 20 Jahre für Armaturen und Tank (Stahlblech)^[1]. Neben der technischen Nutzungsdauer können rechtliche Regelungen die Nutzungsdauer von Heizungen beschränken. In Deutschland regelt die Energieeinsparverordnung das zulässige Alter und die maximal tolerierten Abgasverluste für Heizungsanlagen.