Dimensionierung von Holz-Zentralheizungen:
 

1. Einleitung:

Die korrekte Dimensionierung von Holz-Zentralheizungen ermöglicht einen energiegerechten Betrieb von Heizanlagen. Sie bildet einen wichtigen Beitrag an der rationellen Energienutzung in Gebäuden.

Die folgenden Erklärungen richten sich an Alle, die sich mit der Installation einer Holz-Feuerung befassen. Sie sind übernommen aus dem Merkblatt des Bundesamtes für Energie der Schweiz und beruhen auf jahrelangen Erfahrungen aus der Schweiz.

2. Vorgehen:

 3. Sanierungen

Bei einer Sanierung können die notwendigen Anforderungen an eine Holz-Zentralheizung entweder auf der Basis des durchschnittlichen Jahres-Brennstoffverbrauches oder durch Auslastungsmessungen bestimmt werden.

3.1. Ermittlung der Heizleistung aus dem Brennstoff- oder Stromverbrauch

3.1.1. Ersatz von Öl- oder Gaskessel

Die erforderliche Heizleistung kann nach Weiersmüller (Ingenieur und Architekt in der Schweiz) auf Grund des jährlichen Brennstoffverbrauches mit den nachfolgenden Formeln berechnet werden. Die Berechnungen basieren auf 20°Cel. Raumlufttemperatur. Sie ergeben speziell für Wohnbauten mit Kesselleistungen bis 100 kW Kesselleistung sehr gute Resultate.

a) mit Warmwasserbereitung: erforderliche Heizleistung = Verbrauch in l Heizöl geteilt durch 300 (Faktor)
b) ohne Warmwasserbereitung: erforderliche Kesselleistung = Verbrauch in l Heizöl geteilt durch 265
    ein Liter Heizöl entspricht 1,07 m³ Erdgas

Es gilt zu beachten, dass diese Formeln auf Wohnbauten zugeschnitten sind, die mit einer üblichen Wärmedämmung und einer Heizkesselanlage mit einem Jahreswirkungsgrad zwischen 70 und 85 % ausgerüstet sind. Bei bestehenden Kesseln mit extrem schlechten Wirkungsgraden kann die Berechnung zu einer Überdimensionierung führen.

Berechnungsbeispiel:
Objekt: Mehrfamilienhaus, Energiebezugsfläche 400 m², gut wärmegedämmt, mit ganzjähriger Warmwasserbereitung. Der durchschnittliche Jahresverbrauch beträgt 5280 l Heizöl.

Erforderliche Heizleistung beträgt: 5280 l geteilt 300 = 17,6 kW.
Zur Kontrolle kann die spezifische Heizleistung verwendet werden: 18 000 W geteilt 400 m² = 45 W/m². Dies liegt im Bereich für gut wärmegedämmte Wohnhäuser und ist damit bestätigt (vergleiche Kapitel 6).

In folgenden Fällen liefern die Formeln nur ungenaue Resultate, zusätzlich sind Abklärungen über eventuelle Korrekturen nötig (vergleiche auch Kapitel 5).

Großer Warmwasserbedarf (z.B. in Großküchen, Sportanlagen, etc.)
Überdurchschnittliche Wärmegewinne durch die Sonne (Passivsolarhäuser, Elektrogeräte, etc.
Zeitlich eingeschränkte Nutzung
Temperaturabsenkung über das Wochenende
Lüftungs- und Klimaanlagen
Prozesswärme

3.1.2. Ersatz von Stückholzkesseln:

Die erforderliche Heizleistung kann auf Grund des jährlichen Brennstoffverbrauches mit nachfolgender Formel ermittelt werden. Die Berechnungen basieren auf 20° Cel. Raumlufttemperatur inklusive Warmwasserbereitung während der Heizperiode und beziehen sich auf ältere Holz-Zentralheizungen mit einem Jahreswirkungsgrad um 50 %. Neue optimal dimensionierte Holz-Zentralheizungen weisen einen Jahresnutzungsgrad von 65 - 75 % auf. Der Ersatz einer alten Holz-Zentralheizung kann den Brennstoffbedarf bedeutend reduzieren.

Holzsorte: Hartholz (Buche, Eiche, Esche, Obstbäume, etc.)
erforderliche Heizleistung = Verbrauch in Raummeter geteilt durch 1,8 (Umrechnungsfaktor)

Holzsorte: Weichholz (Fichte, Tanne, Kiefer, Pappel, etc.)
erforderliche Heizleistung = Verbrauch in Raummeter geteilt durch 2,5 (Umrechnungsfaktor)

Berechnungsbeispiel:
Objekt: Bauernwohnhaus angebaut an ein Wirtschaftsgebäude. Energiebezugsfläche 250 m², Estrichboden
gut wärmegedämmt. Dichte doppelverglaste Fenster. Der durchschnittliche Jahresverbrauch beträgt
40 Raummeter Weichholz (Fichte und Tanne).

erforderliche Heizleistung = 40 Raummeter geteilt 2,5 ergibt 16 kW Heizleistung.
Zur Kontrolle kann die spezifische Heizleistung verwendet werden: 16 000 W geteilt 250 m² = 64 W/m².
Dies liegt im Bereich für herkömmlich wärmegedämmte Wohnhäuser und ist damit bestätigt (vergleiche Kapitel 6).

In folgenden Fälle liefern die Formeln nur ungenaue Resultate. Es sind Abklärungen über eventuelle Korrekturen notwendig bei:

einem Jahresnutzungsgrad der bestehenden Anlage, wenn er wesentlich höher als 50 % liegt
überdurchschnittlichen Wärmegewinnen durch Solarenergie
zeitlich eingeschränkte Nutzung.

3.1.3. Ersatz einer Elektrowiderstandsheizung:

Die erforderliche Heizleistung kann anhand des jährlichen Stromverbrauches für Heizung und Warmwasser mit nachfolgender Formel berechnet werden. Kann der Stromverbrauch nicht über den Zähler ermittelt werden, so ist der Heizleistungsbedarf nach Punkt 4.2. (Neubauten) zu ermitteln.
Die Berechnungen basieren auf 20° Cel. Raumlufttemperatur.

erforderliche Heizleistung = Stromverbrauch in kWh geteilt durch 2100 (Umrechnungsfaktor).

4. Neubauten

4.1. Heizleistungsbedarf nach Empfehlung der SIA (Schweizer Ingenieur- und Archtitekten-Verein)
 384/2 Wärmeleistungsbedarf von Gebäuden

Mit dieser Methode wird für Neubauten oder bei umfassenden wärmetechnischen Gebäudesanierungen der Heizleistungsbedarf jedes beheizten Raumes einzeln ermittelt. Die Berechnungen sind für die Dimensionierung der Heizkörper oder der Fußbodenheizung unerlässlich. Aus den einzelnen Räumen wird der Heizleistungsbedarf des gesamten Gebäudes bestimmt.

4.2. Ableitung des Heizleistungsbedarfes aus Empfehlung der SIA
380/1 Energie im Hochbau

Ist der Heizenergiebedarf Qh nach SIA 380/1 ermittelt worden, kann mit den bestimmten Grundlagedaten (k-Werte und zugehörige Flächenauszüge sowie das zu beheizende Gebäudevolumen) der Heizleistungsbedarf Qh des Gebäudes einfach bestimmt werden:

Zeichenerklärung:
Qh      = Wärmeleistungsbedarf
Qt,a    = Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen Außenluft (W)
Qt,u    = Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen unbeheizte Räume (W)
Qt,e    = Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen Erdreich (W)
Ql      = Lüftungs-Wärmeleistungsbedarf (W)
ka,u,E  = Wärmedurchgangskoeffizient gegen außen, unbeheizt und Erdreich (W/m²K)
V      =  zu beheizendes Gebäudevolumen (m³)
Aa,u,E = Fläche des jeweiligen Bauteils (m²)
f        = Faktor für Luftdichte und spezifische Wärmekapazität = 0,32
0,3    = Luftwechselrate (h-1). Sollte der Wert unbekannt sein, so ist ein Blower-Door-Test zu empfehlen.
ti       = Raumlufttemperatur (°Cel.)
ta       = maßgebende Außenlufttemperatur (°Cel.)
tu      = Temperatur der unbeheizten Räume (°Cel.)
tE      = Temperatur des Erdreiches (°Cel.)

Qt,a   = Summe aus (ka * Aa) * (ti - ta)

Qt,u   = Summe aus (ku * Au) * (ti - tu)

Qte   = Summe aus (kE * AE) * (ti - tE)

Ql    = Summe aus f * 0,3 * V * (ti - ta)

Qh   = Qt,a + Qt,u + Qt,E + Ql

Hinweis: Für die korrekte Dimensionierung der Heizkörper oder Fußbodenheizung ist eine Berechnung nach SIA 384/2 unerlässlich. Eingebaute Lüftungsanlagen müssen ebenfalls gemäss SIA 384/2 berücksichtigt werden:

Berechnungsbeispiel:
Objekt: Einfamilienhaus, massiv, Energiebezugsfläche 180 m², beheiztes Gebäudevolumen 360 m³,
Qh = 204 Mj/m²a, ohne Warmwasserbereitung.

Flächen                                                            k-Wert
110 m² Dach                                                                     0,25 W/m²K
120 m² Außenmauer                                                          0,30 W/m²K
  30 m² Fenster inkl. Rahmen                                             1,60 W/m²K
  90 m² Boden gegen unbeheizten Keller                             0,40 W/m²K
  30 m² Mauer gegen Erdreich                                            0,40 W/m²K

Auslegungstemperaturen gemäss SIA 384/2
Raumlufttemperatur                                                            ti = 20° Cel.
Außentemperatur                                                               ta = -8° Cel.
Temperatur der unbeheizten Keller                                     tu =  5° Cel.
Temperatur Erdreich                                                          tE =  0° Cel.

Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen Außenluft
Qt,a = [(0,25 * 110) + (0,3 * 120) + (1,6 * 30)] * [20 - (-8)] = 3122 W

Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen unbeheizte Keller
Qt,u = (0,4 * 90) * (20 - 5) = 540 W

Transmissions-Wärmeleistungsbedarf gegen Erdreich
Qt,E = (0,4 * 30) * (20 - 0) = 240 W

Wärmeleistungsbedarf der Lüftung
Ql = (0,32 * 0,3 * 360) * [20 - (-8)] = 968 W

Der gesamte Wärmeleistungsbedarf des Gebäudes errechnet sich wie folgt:
Qh = 3122 + 540 + 240 + 968 = 4870 W

Die Zuschläge für die Aufheizung und Verluste der Wärmeverteilung betragen 15 % (vergleiche
Kapitel 5); somit resultiert als erforderliche Heizleistung:

Qh, erforderlich = 4870 W + 1,15 = 5600 W = 5,6 kW

Die spezifische Heizleistung errechnet sich wie folgt:
5600 W geteilt durch 180 m² Bezugsfläche ergibt 45 W/m².
Zur Kontrolle vergleichen Sie die Angaben in Kapitel 6.

5. Allgemeine Zuschläge zum Wärmeleistungsbedarf Qh

Unter den allgemeinen Zuschlägen wird folgendes verstanden:
1. Wärmeleistung für die Warmwasserbereitung
2. Deckung der Verluste der Wärmeverteilung
3. Wärmeleistung für lüftungstechnische Anlagen oder Prozesswärme

5.1. Wohngebäude

In der Regel wird bei automatischen Holzfeuerungen (Schnitzel- oder Pellets-Feuerungen) für die Warmwasserbereitung in Wohngebäuden kein Zuschlag erhoben. Bei Stückholz-Zentralheizungen mit Speicher muss der Bedarf für die Warmwasserbereitung mit berücksichtigt werden, dagegen entfällt der Zuschlag für das Wiederaufheizen nach der Nachtabsenkung. Da die beiden Zuschläge in der Regel gleich groß sind, ist die erforderliche Heizleistung bei Stückholz-Zentralheizungen etwa in gleicher Grössenordnung wie bei einer automatischen Holzfeuerung.

5.2. Dienstleistungsgebäude

Die meisten Dienstleistungsgebäude haben fast immer einen geringeren Warmwasserbedarf. Ein diesbezüglicher Leistungszuschlag ist daher nicht notwendig. Eventuelle Zuschläge für Prozesswärme sowie für Lüftungs- und Klimaanlagen sind separat zu berechnen.

Für herkömmliche Wohn- und Nichtwohnbauten kann die notwendige Heizleistung somit wie folgt bestimmt werden:

Qh,erf. = (1,10 bis 1,15) * Qh

6. Kontrolle der Resultate

Zur Kontrolle der resultate kann die spezifische Heizleistung herangezogen werden. Sie errechnet sich aus der Heizleistung geteilt durch die Energiebezugsfläche (beheizte Bruttogeschossfläche):

Gebäudetyp
Herkömmlich wärmegedämmte Wohnhäuser                     50 - 70 W/m²
Gut wärmegedämmte bestehende Wohnhäuser                  40 - 50 W/m²
Neubauten gemäss WSO 2001                                         25 W/m²
Niedrigenergiehäuser (3 l - Häuser)                                   15 W/m²
Herkömmliche Dienstleistungsbauten                                60 - 80 W/m²

Hinweis:
Die spezifische Heizleistung ist nur ein grobes Kontrollinstrument. Die Dimensionierung sollte prinzipiell nach den vorgängig beschriebenen Methoden durchgeführt werden.

7. Holzbrennstoffe

7.1. Stückholz

Mit dem Betreiber eines Stückholzkessels ist das Holzsortiment des Jahresbrennstoffbedarfs vor der Auswahl des Stückholzkessels genau nach folgender Liste festzulegen. Als besonders leistungsfähig haben sich die Holzvergaserkessel der Firma ETA-Heiztechnik erwiesen.

Der zukünftige Jahresbrennstoffbedarf errechnet sich aus folgender Formel:
a) Holzsortiment Hartholz:           Jahresbrennstoffbedarf = Qh,erf. * 1,4 (Bedarfsfaktor)
b) Holzsortiment Weichholz :       Jahresbrennstoffbedarf = Qh,erf. * 1,9 (Bedarfsfaktor)

Der maximale Wassergehalt im Holzbrennstoff darf lt. Angaben der Firma ETA-Heiztechnik 30 % nicht übersteigen (Richtwert: Min. 1 Jahr abgelagertes Holz). In Deutschland dürfen nur Brennstoffe der  Brennstoffklasse 4 (naturbelassenes Holz) der 1. BimSchV vom 15.07. 1988 in Stückholz-Feuerungen verbrannt werden. Die Scheitholzlänge beträgt max. 55 cm.

7.2. Hackschnitzel

Hackschnitzel sollte nach den Richtlinien der Ö-Norm ausgewählt und bestellt werden. Der Wassergehalt (w) sollte ca. 30 % nicht überschreiten. Die Korngrösse ist anlagenspezifisch auszuwählen und mir dem Hersteller abzustimmen.

Der zukünftige Jahresbrennstoffbedarf errechnet sich aus folgenden Formeln:
a) Hartholz:               Jahresbrennstoffbedarf in m³ = Qh,erf. * 3,2 (Bedarfsfaktor)
b) Weichholz:            Jahresbrennstoffbedarf in m³ = Qh,erf. * 5,0 (Bedarfsfaktor)

Schnitzelfeuerungen über 70 kW Leistung können auch für Hackschnitzel mit einem Wassergehalt über 40 % ausgelegt werden. Hierzu gibt es von der Firma Bioflamm spezielle Konzepte. Nähere Auskünfte erteile ich Ihnen gern bei einem Beratungsgespräch.

8. Dimensionierung der Holz-Zentralheizung

8.1. Stückholzkessel mit Speicher

Die Auswahl des Stückholzkessels kann mit nachfolgendem Nomogramm erfolgen, welches die folgenden Einflussgrössen miteinander verbindet:

Qh,erf. = erforderliche Heizleistung (kW)
QHd   = täglicher Heizwärmebedarf (kWh) = Qh,erf. * 18 h

Vorgehensweise:
1. Qh,erf. eintragen
2. Bedienungskomfort mit Betreiber festlegen
3. Auf Grund der Herstellerangaben denjenigen Kessel auswählen, der beim vorgegebenen Holzsortiment (siehe Kapitel 7) im Minimum pro Charge abgeben kann oder den erforderlichen Füllraum aufweist.

Bedienungskomfort:
Entscheidend für die Dimensionierung des Stückholzkessels ist der gewünschte Bedienungskomfort bezüglich der Beschickung des Kessels.

a) Standard:
    Einmal beschicken bei einer mittleren Aussentemperatur von 4° Cel. bedeutet: Der Kessel muß in der  220-tägigen Heizperiode an 50 Tagen zweimal beschickt werden.
b) Komfort:
    Einmal beschicken bei Auslegungstemperatur: Der erhöhte Bedienungskomfort, von einmal statt  zweimal bei Auslegetemperatur den Kessel beschicken zu müssen, hat eine Verdoppelung des  Füllraumes des Kessels mit entsprechend größerem notwendigem Speichervolumen zur Folge. Dies bewirkt erhöhte Umwandlungsverluste und reduziert somit den Jahreswirkungsgrad.

Hinweis: Für optimale Kesselauslegung nach Möglichkeit den Bedienungskomfort Standard auswählen.

Speicherdimensionierung:
Das minimale Speichervolumen ist vom Bundesamt für Wirtschaft in Bezug auf die Förderfähigkeit der Anlage mit mindestens 50 l pro installierte kW-Heizleistung angegeben. Er kann jedoch auch größer dimensioniert werden. Dies ist oft der Fall, wenn zusätzlich eine Solaranlage installiert wird (zu empfehlen für die Warmwasserbereitung in den Sommermonaten).

8.2. Kesselauswahl für Schnitzel- und Pellets-Feuerung

Die erforderliche Kesselleistung entspricht der erforderlichen Heizleistung gemäß Kapitel 3 und 5. Eine Überdimensionierung der Kesselleistung hat eine geringere Auslastung der Feuerungsanlage mit höheren Umwandlungsverlusten und schlechteren Ausbrandqualitäten zur Folge:

Für den optimalen Betrieb ist

eine Leistungsregelung im Leistungsbereich von höchstens 30 % bis 100 % erforderlich, da der Wärmeleistungsbedarf großen Lastschwankungen unterworfen ist. Noch besser ist eine mögliche Leistungsregelung auf 20 % der minimalen Leistung.
die Installation einer automatischen Zündung zu empfehlen, welche den verlustreichen Glutbett-Erhaltungsbetrieb eliminieren kann, da eine Wärmeproduktion der Schnitzel- oder Pellets-Feuerung nur ca. während der halben Heizperiode (Nachtabsenkung, Übergangszeit) erforderlich ist.

9. Standardschaltungen für Stückholzkessel mit Speicher

Grundsätzlich ist der Einsatz von bewährten Standardschaltungen der Anlagensystemanbieter zu empfehlen. Für kombinierte Anlagensysteme mit Holzenergie- und Solarenergienutzung sind ebenfalls Schaltungsschemen vorhanden. Die Standardschaltungen haben bei der Hydraulischen Einbindung die nachstehenden Kriterien einzuhalten, um eine optimale Speicherbewirtschaftung zu ermöglichen.

9.1. Wärmeabgabesystem

Als wichtiges Kriterium sollte dabei ein möglichst kalter Rücklauf angestrebt werden. Das bedingt, dass ausser bei der Rücklauf, im ganzen Heizkreis kein Wasser vom Vorlauf direkt in den Rücklauf überströmen kann. Hierzu sind alle Verbraucher so zu optimieren, dass die Wärme vollständig genutzt werden kann.

9.2. Kesselkreis

Die Wärmeabgabe vom Kessel weg hat mit einer konstant hohen Vorlauftemperatur zu erfolgen. Der Kessellieferant hat mit der Kesselregelung diese Bedingung einzuhalten. Eine Möglichkeit der Reduzierung ist durch eine witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung gegeben, wie sie von uns bei Pelletsfeuerungen angeboten wird. Ansonsten ist eine Vorlaufkonstantregelung mit Mischer möglich.

9.3. Speicher

Damit der Speicher gut schichtet, sind die Speicheranschlüsse großzügig zu wählen und mit Beruhigungsblechen im Speicherinneren zu versehen.

Alle Speicheranschlüsse sollten einen Siphon aufweisen, um Einrohrzirkulation vermeiden zu können; das heißt keine Speicheranschlüsse direkt nach oben oder horizontal.

Bezüglich der Wärmedämmung ist darauf zu achten, dass folgende Voraussetzungen eingehalten werden können um hohe Wärmeverluste zu vermeiden:

Dicht anliegende Seitenwärmedämmung mit dichtem Anschluss an Speicherdeckelwärmedämmung, um jede mögliche Kaminwirkung ausschließen zu können.
Speicheranschlüsse bis zur Speicherwärmedämmung wärmedämmen.
Mehrere Speicher sind in Reihe anzuschließen.

9.4. Wassererwärmer

Die Brauchwassererwärmung kann vorzugsweise mit einem Wassererwärmereinsatz im Heizungsspeicher erfolgen oder mit einem separaten Wassererwärmer, welcher über einen genügend großen innenliegenden Glattrohrwärmetauscher verfügt.

Damit der Speicher bei der Ladephase des separaten Wassererwärmers nicht zu stark umgeschichtet wird, können folgende Möglichkeiten umgesetzt werden:

Rücklauf Wassererwärmer in der Speichermitte einbauen.
Rücklauftemperaturbegrenzung auf < 50° Cel. einstellen. Der Ladevorgang wird beim Überschreiten der Rücklauftemperatur dadurch unterbrochen.
Durchflussbegrenzung im Wassererwärmerkreislauf auf 150 - 250 l / h einstellen.

9.5. Heizgruppe

Da der Speicher den Vor- und Rücklauf drucklos machen kann, ist die Heizgruppe als Dreiwege-Beimisch-Schaltung auszuführen. Bei Niedertemperatur-Heizsystemen ist eine Überströmung mit einem Strangregulierventil im Wärmeabgabekreislauf einzubauen.

10. Weitere Hinweise
 

Die konsequente Dämmung der Wärmeverteilungen, unter Beachtung der bundesweiten Vorschriften, ergibt eine zusätzliche Leistungsreserve.

Die eingestellten Regelparameter sollten in der Betriebsdokumentation eingetragen werden. Mit einem Wärmemengenzähler lässt sich die Kessel-Heizleistung und Wärmeabgabe pro Charge auf einfache Weise nachkontrollieren.