Wirkungsgrad der Heizung: Definition und Beispiele
Um Heizkosten zu senken, raten Experten dazu, den Wirkungsgrad der Heizungsanlage zu verbessern. Doch was bedeutet dieser Begriff? Und was beeinflusst den Wirkungsgrad? Mehr dazu in unserem Artikel.
Was ist der Wirkungsgrad?
In der Physik definiert man den Wirkungsgrad eines Systems als Nutzen durch Arbeit. In anderen Worten teilt man die Energie, die man aus dem System herausnimmt (sei es mechanische, thermische oder elektrische Energie), durch die Energie, die man hineinsteckt. Da die entnommene Energie immer kleiner ist als die hineingesteckte, weil jedes System Verluste aufweist, ist der Wirkungsgrad eines Systems immer kleiner als 1. Alternativ ist auch die Prozentangabe üblich.
Die Formel lautet:
η= Enutz/Ezu=Ertrag/Aufwand
dabei verwendet man den Buchstaben η (Eta).
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Wirkungsgrad eines Kessels: Heizwert vs. Brennwert
Betrachtet man eine Holz-, eine Öl- oder eine Gasheizung, ist Enutz die gewonnene Wärme, Ezu die im Brennstoff enthaltene Energie.
Im Kessel geht Wärme sowohl durch die Abgase als auch durch Strahlungsverluste an der Oberfläche und unvollständige Verbrennung verloren. Der Wirkungsgrad des Kessels berücksichtigt diese Verluste. Der so berechnete Wert liegt bei einem modernen Gas-Brennwertkessel beispielsweise bei 90 bis 95 Prozent.
Allerdings liest man oft, dass genau jene Brennwertkessel einen Wirkungsgrad von über 100 Prozent haben. Ein solches Ergebnis ist nur möglich, wenn man die bereitgestellte Wärme durch den Heizwert statt durch den Brennwert teilt.
Während letzterer die Gesamtenergie eines Brennstoffs inklusive die in den Abgasen enthaltene Energie berücksichtigt, drückt der Heizwert nun die Energie aus, die aus der direkten Verbrennung entsteht und ignoriert dabei die Abgase. Da Brennwertkessel auch die Wärme der Abgase verwerten, entstehen Wirkungsgrade von über 100 Prozent, wenn wir die von einem Brennwertkessel bereitgestellte Wärme durch den Heizwert teilen. Rein physikalisch gesehen ist diese Betrachtung jedoch nicht korrekt, da verschiedene Bezugsgrößen verwendet werden.
| Gas | Heizöl | |
|---|---|---|
| Konstanttemperaturkessel | Max. 70 | Max. 70 |
| Niedertemperaturkessel | 85-88 | 80-85 |
| Brennwertkessel | 90-96 | 90-94 |
Die obere Tabelle zeigt den Wirkungsgrad verschiedener Kessel, der nur minimal vom verwendeten Brennstoff und vor allem von der Heizungstechnik abhängt. Ein geläufiger Parameter ist hier der feuerungstechnische Wirkungsgrad. Er beschreibt die Wärmeausbeute bei der Verbrennung unter Berücksichtigung der Verluste durch die Abgase und im Kessel selbst.
Jedoch handelt es sich bei der Herstellerangaben um einen theoretischen Wert, der nur mit dem realen Wert übereinstimmt, wenn der Kessel im Volllastbereich arbeitet. In der Praxis benötigt die Anlage nicht immer die gleiche Wärmeleistung. Wird er im Teillastbereich betrieben, sinkt der Wirkungsgrad.
Wirkungsgrad einer gesamten Heizungsanlage
Selbst wenn ein Brennwertkessel einen Wirkungsgrad von 95 Prozent erreicht, bedeutet das nicht, dass die Heizungsanlage 95 Prozent der Brennstoffenergie tatsächlich in Wärme umwandelt, die die Räume beheizt. Entsteht im Kessel Wärme, wird sie mittels Wärmetauscher an das Heizungswasser übertragen. Sowohl bei diesem Schritt als auch bei der Verteilung in den Heizungsrohren und im Warmwasserspeicher (falls vorhanden) entstehen Verluste. Der Gesamtwirkungsgrad der Heizungsanlage rechnet sich aus der Summe der Teilwirkungsgrade in den einzelnen Abschnitten.
In der Praxis erreichen so auch moderne und optimal dimensionierte Heizungssysteme einen Wirkungsgrad von maximal 80 Prozent. In diesem Zusammenhang spricht man von Jahresnutzungsgrad. Dieser Begriff drückt den Gesamtwirkungsgrad der Anlage über einen Zeitraum von einem Jahr und unter realen Bedingungen. Man bestimmt den Jahresnutzungsgrad, indem man beispielsweise mit einer Gasuhr die verbrauchte Gasmenge ermittelt und mit Wärmemengenzählern die Wärme misst, die tatsächlich bei den Heizkörpern ankommt.
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Abweichend von diesem Wert ist der sogenannte Normnutzungsgrad, der gemäß dem in der Norm DIN 4702 Teil 8 beschriebenen Verfahren berechnet wird. Dabei berücksichtigt die Norm, dass ein Kessel nicht bei Volllast arbeitet, und definiert fünf Teilbereiche bei 12,8, 30,3, 38,8, 47,6 und 62,6 Prozent der Nennleistung. Für jeden Teilbereich ermittelt man den Gesamtwirkungsgrad, indem man die bereitgestellte Wärme durch die aufgebrauchte Energie teilt und einen gewichteten Mittelwert der Teilwirkungsgrade bildet. Die Gewichtung drückt aus, wie viele Stunden der Kessel bei der jeweiligen Teillaststufe arbeitet.
Die Berechnung des Normnutzungsgrads erfolgt allerdings unter Laborbedingungen. Das Ergebnis stimmt daher nicht zwingend mit dem Jahresnutzungsgrad überein, da unter anderem Vor- und Rücklauftemperatur anders sein können. Der Jahresnutzungsgrad bleibt daher die zuverlässigste Angabe, wenn es um den realen Wirkungsgrad der Heizungsanlage geht.
Wirkungsgrad einer Wärmepumpe
Bei der Wärmepumpe, die wie eine Kältemaschine (Kühlschrank) arbeitet, ist die Betrachtung komplizierter als etwa bei einer Gasheizung. Hier setzt sich der Aufwand sowohl aus dem Strom, der den Kompressor betreibt, als auch aus der dem Erdreich (oder der Luft) entnommenen Wärme zusammen.
Der sogenannte Carnot-Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz einer Kältemaschine mit der Formel:
wobei T für die wärmere Seite (im Fall der Wärmepumpe die beheizten Räume) und T0 für die kältere Seite (je nach Wärmepumpenart die Temperatur der Erde, der Luft oder des Grundwassers) steht. Bei einer Erdwärmepumpe mit einer Bohrtiefe von 100 Metern beträgt die Temperatur des Erdreichs 15 Grad. Sollen die Räume auf 20 Grad geheizt werden, wäre der Carnot-Wirkungsgrad in diesem Fall 4. Es handelt sich dabei jedoch um einen theoretischen Wert, der die Verluste der Wärmetauscher und der elektrischen und mechanischen Komponenten nicht berücksichtigt.
Praktisch gibt man den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe mit der Jahresarbeitszahl (JAZ) an. Sie wird berechnet, indem man die während eines Jahres von der Wärmepumpe bereitgestellten Wärme durch den in diesem Zeitraum vom Kompressor verbrauchten Strom teilt.
Die JAZ ist also ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe in Betrieb und hängt vor allem vom Aufbau und von der Art der Wärmepumpe ab. Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe, die die Wärme aus der Luft entnimmt, erreicht eine Jahresarbeitszahl von 2,5 bis 3. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe, die mittels Kollektoren die Erdwärme nutzt, kommt auf 3,5 bis 4.
Ein weiterer Parameter ist der sogenannte COP (Coefficient Of Performance, Deutsch= Leistungskoeffizient). Auch er gibt das Verhältnis zwischen der von der Pumpe gelieferten Wärmemenge und dem vom Kompressor benötigten Strom wieder. Anders als die JAZ handelt es sich beim COP jedoch nicht um einen Jahresmittelwert unter realen Bedingungen, sondern um eine Angabe bei einem bestimmten Betriebspunkt. Beispielsweise hat die Wärmepumpe einen COP von 4 im Betriebspunkt B5W35. Im Betriebshandbuch steht dann B5/W35=4
Das Kürzel bedeutet, dass es sich um eine Sole-Wasser-Wärmepumpe handelt (Brine=Sole, A=Air/Luft W=Wasser). Die Erde hat in diesem Beispiel eine Temperatur von 5 Grad, die Vorlauftemperatur des Wassers beträgt 35 Grad. Weichen die Bedingungen ab, stimmt die Angabe nicht mehr. Da die Aussagekraft des COPs auf dieser Weise gering ist, geben viele Hersteller auch den sogenannten SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) an. Zur Berechnung des saisonalen COPs ermittelt man verschiedene Betriebspunkte bei verschiedenen Temperaturen, sodass auch der Einfluss der Jahreszeiten berücksichtigt wird. Da die in der Norm EN 14825 definierte Berechnungsmethode jedoch nicht einheitlich ist, lassen sich die Angaben für verschiedene Wärmepumpen nicht zwingend vergleichen.
Wirkungsgrad einer Solarthermieanlage
Bei einer Solarthermieanlage verhält es sich wie bei einer Gas- oder Ölheizung. Der Wirkungsgrad berechnet sich aus der Wärme, die in den Räumen ankommt, geteilt durch die Sonnenwärme, die die Kollektoren erbeuten. Neben den Wärmeverlusten, die in den Rohrleitungen entstehen, gibt es hier auch optische Verluste durch die Reflexion der Sonnenstrahlen.
Effiziente Solarthermieanlagen mit Rohrenkollektoren erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von 50 Prozent. Das erscheint zunächst niedrig, allerdings ist Sonnenenergie anders als Gas, Öl oder Strom kostenlos. Aus diesem Grund hat der Wirkungsgrad nicht so eine Bedeutung wie bei Gas- oder Ölanlagen beziehungsweise bei Wärmepumpen.
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Wie kann ich den Wirkungsgrad meiner Heizungsanlage verbessern?
Wir bereits erklärt hat ein moderner Brennwertkessel einen höheren Wirkungsgrad als ein veralteter Konstanttemperaturkessel. Selbst wenn Sie im Rahmen einer Heizungssanierung den alten Kessel gegen einen neuen austauschen, kann der Gesamtwirkungsgrad Ihrer Anlage jedoch zu niedrig bleiben. Folgende Stellschrauben helfen, ihn zu erhöhen:
- die richtige Dimensionierung
- ein hydraulischer Abgleich
- die Dämmung der Heizungsrohre
- eine effiziente Regelung
Dimensionierung
Bei der Planung der Heizungsanlage gehört es zu den Aufgabe des Heizungstechnikers zu schauen, dass die Leistung des Kessels zu der benötigten Wärmeleistung passt. Ebenfalls müssen die Heizkörper und die Heizungsrohre richtig dimensioniert sein. Ist die Leistung des Kessels beispielsweise zu hoch im Vergleich zur benötigten Wärme, wird Energie verschwendet.
Im Nachhinein ist es schwierig und teuer, eine bestehende Heizungsanlage diesbezüglich zu verändern. Tauschen Sie jedoch einen alten Kessel aus, sollten Sie überprüfen lassen, wie viel Wärmeleistung Sie benötigen. Insbesondere nach einer energetischen Sanierung sinkt der Wärmebedarf.
Steuerung und Regelung
Um die Soll-Temperatur zu erreichen, gibt es zwei Arten von Heizungsregelung: die raumtemperaturgeführte mit Thermostat und die außentemperaturgeführte. In beiden Fällen kann man Heizkosten sparen, wenn man die Heizkurve optimiert. Dabei legt man fest, welche Außen- oder Raumtemperatur welcher Vorlauftemperatur entspricht.
Hydraulischer Abgleich
Bekommen die vom Kessel entferntesten Körper nicht genug Warmwasser, bleiben sie zu kalt. Die schnellste Lösung besteht darin, den Druck der Umwälzpumpe oder die Vorlauftemperatur zu erhöhen.
Dadurch steigen allerdings die Heizkosten und der Wirkungsgrad sinkt, da dann die näheren Heizkörper zu viel Wärme bekommen. Viel sinnvoller ist es, einen hydraulischen Abgleich durchführen zu lassen, bei dem die korrekten Wärmemengen berechnet und die Ventile auf den richtigen Wert eingestellt werden.
Heizungsrohre dämmen
Die Heizungsrohre zu verkleiden beeinflusst den Wirkungsgrad des Kessels nicht, dafür aber den Gesamtwirkungsgrad der Heizungsanlage. Geht weniger Wärme während des Transports zu den Heizkörpern verloren, ist weniger Kesselleistung notwendig. Bis zu 5 Prozent Ersparnis sind mit einer effizienten Dämmung drin.
Energetische Sanierung und richtiges Lüftungsverhalten senken den Wärmebedarf
Selbst wenn Ihre Heizungsanlage einen hohen Wirkungsgrad erreicht, nutzt das wenig, wenn die Wärme wegen mangelhafter Dämmung durch das Dach und die Wände entweicht. Obwohl Bestandbauten nicht die Energiestandards eines Passivhauses erreichen, sinken die Heizkosten pro Quadratmeter nach einer Sanierung um bis zu 50 Prozent.
Ebenfalls wichtig ist eine effiziente Lüftung. Lassen Sie im Winter alle Fenster dauerhaft gekippt, kühlen sich die Räume permanent ab. Pro Heizsaison und Fenster werfen Sie damit um die 100 Kubikmeter Gas regelrecht aus dem Fenster. Dabei reichen im Winter fünf Minuten stoßlüften, um die verbrauchte, feuchte Luft auszutauschen und Schimmel zu vermeiden.
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