Gebäudeheizung

Eine Gebäudeheizung (oft 'Heizung' genannt) ist eine Vorrichtung zur Erwärmung von Gebäuden ("Zentralheizung") oder von einzelnen Räumen in Gebäuden. Verbreitet sind Gasheizung und Ölheizung; nachwachsende Rohstoffe nutzen Pelletheizung und Holzheizung. Die Nachtspeicherheizung galt lange als verpönt, könnte aber durch den nachts reichlich vorhandenen Strom aus Windkraftanlagen ein Revival erleben.

Heiztechnik dient der Erzeugung von Wärme in geschlossenen Räumen. Sie umfasst die Heizungstechnik im eigentlichen Sinne (Technik der Heizungen) und den Anlagenbau der Wärmeverteilung (als Teil der Haustechnik) sowie die Versorgung mit Brennstoffen. Ein allgemeinen Überblick gibt der Artikel Wärmetechnik.

Die Heizkosten sind seit 1973 stark gestiegen: 1973 und 1979/80 gab es zwei Ölkrisen, nach denen der Ölpreis jeweils viel höher als zuvor war. Auch der Gaspreis und der Strompreis stiegen. Wenn Vermieter die Heizkosten auf ihre Mieter umlegen, ist dabei die (1981 eingeführte) Heizkostenverordnung zu beachten. Sie regelt die Heizkostenabrechnung. An vielen Heizkörpern in Mietwohnungen sind deshalb Heizkostenverteiler.

Allgemeines

Unter Heizung versteht man:

• eine Elektroheizung, Fernheizung, Gasheizung, Holzheizung, Kohleheizung, Nachtspeicherheizung, Ölheizung, Pelletheizung oder Wärmepumpenheizung,
• eine Etagenheizung,
• eine Fahrzeugheizung,
• 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. Als Wärmeträger verwendet man:

• Wasser (Warmwasserheizung),
• Dampf (Dampfheizung – vorwiegend zur Beheizung großer Hallen) oder
• Luft (Warmluftheizung).

Energiequellen bzw. 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). Früher wurde in der Nähe von Torfgebieten auch Torf verheizt (zum Beispiel wurde er im Teufelsmoor abgebaut und mit Torfkähnen nach Bremen befördert)

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 Festbrennstoffen auf Öl und Gas – in westlichen Industrieländern; zuvor waren sie ein Luxus und die dezentrale, selektive und 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 Lieferdrosselungen 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 Europas zog – auch bewusst, dass Elektroheizung keine Alternative für die regelmäßige Beheizung von Räumen ist.

Seit den 1980ern hat der Anteil der Gasheizungen zugenommen und der der Ölheizungen abgenommen.

Heute eingebaute Öl- und Gasheizungen arbeiten oft mit Brennwerttechnik. Auch Holzpellets können in Brennwerttechnik-Heizungen verbrannt werden.

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 (Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung) 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 über 40 °C) direkt über Erdwärme geschieht.

Bivalente Heizungen

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

• Allesbrenner (klassischer Holz- bzw. Kokskessel) 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 = dreiwertig) 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 basiert auf dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung und erzeugt so neben Wärme auch Strom. Die Energiewandlung kann dabei sehr unterschiedlich erfolgen (z. B. durch einen Verbrennungsmotor, eine Dampfturbine, eine Gasturbine, einen Stirlingmotor oder eine Brennstoffzelle). Die Abwärme des Systems kann dann u.a. zur Raumbeheizung verwendet werden. Neben der Kombination mit einem Wärmespeicher ist auch der Einsatz eines Spitzenlastheizgeräts zur Abdeckung des maximal erforderlichen Wärmebedarfs üblich.

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,
  • Gasheizofen
• 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. Der runde weiße Behälter ist das Membranausdehnungsgefäß

Absperrschieber einer Warmwasserheizung

Eine Warmwasserheizung besteht aus einem zentralen Wärmeerzeuger (Heizkessel, Kombitherme), der/die das Wärmeträgermedium Wasser erwärmt und mit Hilfe einer Umwälzpumpe oder aber (selten) durch den Dichteunterschied des unterschiedlich warmen Wassers (Schwerkraftheizung; Thermosiphonprinzip) über Rohrleitungen zu den Heizkörpern (Radiatoren, Heizleisten) pumpt. Diese geben durch Konvektion einen Teil der Wärmeenergie an die Raumluft ab. Das abgekühlte Wasser fließt über die Rücklaufleitungen zurück zum Wärmeerzeuger. Bei einer Einrohrheizung, die einen schlechteren thermischen Wirkungsgrad hat, ist kein separater Rücklauf vorhanden - die Heizkörper sind hydraulisch in Reihe angeordnet.

Die Warmwasserheizung arbeitet mit Vorlauftemperaturen zwischen 30 °C (Niedertemperaturheizsystem) und 90 °C. Durch größere Dimensionierung der Radiatoren bzw. Einsatz einer Fußboden- oder Wandheizung kann mit einer niedrigen Vorlauftemperatur auch die Energie aus dem Rauchgas genutzt werden. Man spricht dann von Brennwerttechnik (Brennwert), im Gegensatz zur bisher üblichen Heizwerttechnik (Heizwert). Da nun säurehaltiges Wasser aus der Abluft kondensiert muss der Kamin passend beschaffen sein.

Zum Ausgleich von Druckschwankungen infolge Erwärmung und Abkühlung des Wassers im System ist zwingend ein Membranausdehnungsgefäß (MAG) erforderlich. In älteren Heizungsanlagen findet man vereinzelt auch am höchsten Punkt der Heizungsanlage offene Reservoirs.

Zum Befüllen des Heizungssystems wird üblicherweise Leitungswasser genutzt, das über eine spezielle Füllarmatur, die einen Rückfluss aus dem Heizungsrohrnetz ins Trinkwassernetz verhindert, in den Heizkreis eingespeist wird.

Im Leitungsnetz befindliche Luft muss über Entlüfter an den einzelnen Heizkörpern und bei größeren Anlagen an Luftblasenabscheidern (selbsttätige Entlüfter) aus dem Wasserkreislauf entfernt werden, damit alle Heizkörper vollflächig mit Heißwasser versorgt werden können und es nicht zu Geräuschbelästigungen (Fließgeräusche) und Korrosion im Netz kommt.

Für den optimalen Betrieb einer Warmwasserheizung ist ein hydraulischer Abgleich erforderlich. Hierzu wird im Vorfeld eine Rohrnetzberechnung durchgeführt. Der hydraulische Abgleich ist sowohl in der VOB Teil C als auch in der Energieeinsparverordnung gefordert und wird vom Heizungsbauer bzw. (seit 2003) Anlagenmechaniker für Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik durchgeführt. Ohne hydraulischen Abgleich werden die Heizkörper u. U. unterschiedlich warm und die Umwälzpumpe braucht mehr elektrische Arbeit (kWh) als nötig.

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. Der Dampf wird manchmal auch direkt einem Fernwärmesystem entnommen und das Kondensat in die Kanalisation geleitet.

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 etwa 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 einzeln 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. EN 12831 (Heizlast) definiert die Berechnung. Bis Oktober 2004 galt die DIN 4701 für Wärmebedarf, mit der der sogenannte Norm-Wärmebedarf berechnet wurde.

Neben der physikalischen Berechnung sind die physiologischen Wirkungen der Heizkörper als Konvektionsheizung und Strahlungsheizung und ihre Position im Raum zum Erreichen einer thermischen Behaglichkeit zu beachten. Früher, als Fenster noch erhebliche Kältebrücken waren, positionierten Architekten die Heizkörper unter Fenstern, um deren kalte Fallluft auszugleichen und Luftströme im Raum zu reduzieren. Seit Ende der 1990er Jahre hat Wärmeschutzglas einen Uw-Wert von 1,1 (Doppelverglasung) oder 0,5-0,7 (Dreifachverglasung)

Ein Passivhaus hat eine so gute Wärmedämmung, dass seine Bewohner ohne eine aktive Raumheizung auskommen können (Energiezufuhr nur durch Bewohner, solare Gewinne, Lüftungsvorwärmung usw.).

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 bewerkstelligt (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 höher, 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). 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