Dimensionierung von Holz-Zentralheizungen - Bundesamt für ...

Bundesamt für EnergieDimensionierungvon Holz-Zentralheizungen11 EinleitungDie korrekte Dimensionierung von Holz-Zentralheizungenermöglicht einen energiegerechten Betrieb von Heizanlagen.Sie bildet einen wichtigen Beitrag an die rationelleEnergienutzung in Gebäuden.Dieses Merkblatt richtet sich vor allem an Fachleute derHeizungsbranche.2 VorgehenDas untenstehende Schema zeigt das Vorgehen für dieDimensionierung von Holz-Zentralheizungen in bestehendenGebäuden und Neubauten.Vorgehen bei der DimensionierungSanierungErmittlung ausBrennstoffverbrauchoder Messungender bestehenden AnlageKontrolle der spez. HeizleistungNeubautenSIA 384/2allg. ZuschlägeKesselwahl und SpeicherdimensionierungAbleitungaus SIA 380/13 SanierungenBei einer Sanierung können die notwendigen Anforderungenan eine Holz-Zentralheizung entweder aufder Basis des durchschnittlichen Jahres-Brennstoffverbrauchsoder durch Auslastungsmessungen bestimmtwerden.3.1 Ermittlung der Heizleistung aus dem BrennstoffoderStromverbrauch3.1.1 Ersatz von Öl- oder GaskesselDie erforderliche Heizleistung kann nach Weiersmüller [1]auf Grund des jährlichen Brennstoffverbrauchs mit nachfolgendenFormeln berechnet werden. Sie entsprechendem Diagramm bzw. der Bemessungsscheibe nach Weiersmüller.Die Berechnungen basieren auf 20 °C Raumlufttemperatur.Sie ergeben speziell für Wohnbauten mitKesselleistungen bis 100 kW gute Resultate.Es gilt zu beachten, dass diese Formeln auf Wohnbautenzugeschnitten sind, die mit einer üblichen Wärmedämmungund einer Heizkesselanlage mit einem Jahreswirkungsgradzwischen 70 und 85% ausgerüstet sind. Beibestehenden Kesseln mit extrem schlechten Wirkungsgraden(< 70%) kann die Berechnung zu einer Überdimensionierungführen.MittellandMit Warmwasser 1) Ohne Warmwasser 2)Q H,erf = Verbrauch3) Q H,erf300 = Verbrauch3)4) 265 4)Über 800 m ü.M.Mit Warmwasser 1) Ohne Warmwasser 2)Q H,erf = Verbrauch3) Q H,erf330 = Verbrauch3)4) 295 4)Q H,erf = erforderliche Heizleistung beiAuslegetemperatur [kW]1 ) Warmwasseraufbereitung ganzjährig mit Kessel2 ) Warmwasseraufbereitung ganzjährig elektrisch3 ) in Liter Öl (1 kg Öl entspricht ca. 1.19 Liter)(1 Betriebs-m 3 Gas entspricht ca. 0.93 Liter Öl)4 ) Umrechnungsfaktorenergieschweiz

2 BerechnungsbeispielBerechnungsbeispielObjekt: MFH (Mittelland), Energiebezugsfläche EBF400 m 2 , gut wärmegedämmt, mit ganzjähriger Wassererwärmung.Der durchschnittliche Jahresverbrauch beträgt5280 Liter Öl.Q H,erf = 5280 = 17.6 kW300Objekt: Bauernwohnhaus (Mittelland) angebaut anÖkonomiegebäude, Energiebezugsfläche EBF 160 m 2 ,Estrichboden gut wärmegedämmt, dichte DV-Fenster.Der durchschnittliche Jahresverbrauch beträgt 24 SterWeichholz (Fichte).Holzsort. Hartholz 1) Holzsort. Weichholz 2)Q H,erf = Verbrauch3) Q H,erf2 Q H,erf = Stromverbrauch1)2300 4) 2.8 4) Q H,erfDie erf. Heizleistung beträgt somit rund 18 kW.= 9.6 kW2.5Zur Kontrolle kann die spezifische Heizleistung verwendetDie erf. Heizleistung beträgt somit rund 10 kW.werden. 18 000 W = 45 W/m210 000 W400 m 2= 62.5 W/m2 spezifischer160 m 2 WärmeleistungsbedarfDie errechneten 45 W/m 2 liegen im Bereich für gut wärmegedämmtebestehende Wohnhäuser und sind damitbestätigt (vergleiche Kapitel 6).Die errechneten 62.5 W/m 2 liegen im Bereich für herkömmlichwärmegedämmte Wohnhäuser und sind damitbestätigt (Vergleiche Kapitel 6).In folgenden Fällen liefern die Formeln nur ungenaue Resultate,In folgenden Fällen liefern die Formeln nur ungenaue Returenzusätzlich sind Abklärungen über allfällige Korreksultate.Es sind Abklärungen über allfällige Korrekturennötig (vgl. auch Kap. 5):notwendig bei:• Grosser Warmwasserverbrauch (z.B. in Grossküchen, • einem Jahresnutzungsgrad A der bestehenden zu ersetzendenSportanlagen)Holz-Zentralheizung, welcher wesentlich hö-• Überdurchschnittliche Wärmegewinne durch Sonne her als bei A = 50% liegt;(Passivsolarhäuser), Elektrogeräte usw.• überdurchschnittlichen Wärmegewinnen durch Sonne• Zeitlich eingeschränkte Nutzung(Passivsolarhäuser, Sonnenkollektoren zur Heizungsunterstützung),• Temperaturabsenkung über das WochenendeElektrogeräte usw.;• Lüftungs- und Klimaanlagen• zeitlich eingeschränkter Nutzung.• Prozesswärme3.1.2 Ersatz Stückholzkessel3.1.3 Ersatz ElektrowiderstandsheizungDie erforderliche Heizleistung kann auf Grund des jährlichenDie erforderliche Heizleistung kann gemäss jährlichemBrennstoffverbrauchs mit nachfolgenden Formeln Stromverbrauch für Heizung und Warmwasser mit nach-berechnet werden. Die Berechnungen basieren auf 20 °C folgenden Formeln berechnet werden. Kann der VerbrauchRaumlufttemperatur inklusive Warmwasseraufbereitungnicht via Zähler ermittelt werden, so ist der Heiz-während der Heizperiode und beziehen sich auf ältere leistungsbedarf nach Pkt. 4.2 analog für Neubauten zuHolz-Zentralheizungen mit einem Jahresnutzungsgrad um ermitteln. A = 50%. Neue optimal dimensionierte Holz-ZentralheizungenDie Berechnungen basieren auf 20 °C Raumlufttempera-weisen einen Jahresnutzungsgrad um A = tur.65–70% auf. Der Ersatz einer alten Holz-Zentralheizungkann denBrennstoffbedarf bedeutend reduzieren.MittellandMittellandHolzsort. Hartholz 1) Holzsort. Weichholz 2)Q H,erf = Verbrauch3) Q H,erf1.8 4) 2.5 4)Q H,erf = Stromverbrauch1)2100 2)Über 800 m ü.M.Über 800 m ü.M.Q H,erf = erforderliche Heizleistung bei Auslegetemperatur [kW]1) Hartholz: Buche, Eiche, Esche, Obstbäume usw.2) Weichholz: Fichte, Tanne, Föhre, Pappel usw.3) in Ster (3 m 3 Hackholz = 1 Ster Stückholz)4) UmrechnungsfaktorQ H,erf = erforderliche Heizleistung bei Auslegetemperatur [kW]1) Stromverbrauch Heizen und Warmwasseraufbereitung [kWh]2) Umrechnungsfaktor

4 5 Allgemeine Zuschläge zum WärmeleistungsbedarfQhUnter den allgemeinen Zuschlägen wird Folgendes verstanden:• Wärmeleistung für die Wassererwärmung• Deckung der Verluste der Wärmeverteilung• Wärmeleistung für lüftungstechnische Anlagen oder fürProzesswärmeWohngebäude:In der Regel wird bei automatischen Holzfeuerungen(Schnitzel-, Pelletfeuerung) für die Wassererwärmung inWohngebäuden kein Zuschlag gemacht. Bei Stückholz-Zentralheizungen mit Speicher muss der Bedarf für dieWassererwärmung mit berücksichtigt werden, dagegenentfälllt der Zuschlag für das Wiederaufheizen nach derNachtabsenkung. Da die beiden Zuschläge in der gleichenGrösse sind, ist die erforderliche Heizleistung bei automatischenHolzfeuerungen (Schnitzel-, Pelletfeuerung) etwain gleicher Grössenordnung wie bei einer Stückholz-Zentralheizung.Dienstleistungsgebäude:Die meisten Dienstleistungsgebäude haben fast immereinen geringen Warmwasserbedarf. Ein diesbezüglicherLeistungszuschlag ist deshalb nicht notwendig. AllfälligeZuschläge für Lüftungs- und Klimaanlagen sowie für Prozesswärmesind separat zu berechnen.Für herkömmliche Wohn- sowie Nichtwohnbauten kanndie notwendige Heizleistung somit wie folgt bestimmtwerden:Q H,erf = (1.10 bis 1.15) · Q hQ H,erf = erforderliche Heizleistung [kW]Q h = Wärmeleistungsbedarf [kW]6 Kontrolle der ResultateZur Kontrolle der Resultate kann die spezifische Heizleistungherangezogen werden. Sie errechnet sich aus derHeizleistung dividiert durch die Energiebezugsfläche (beheizteBruttogeschossfläche):Gebäudetyp W/m 2Herkömmlich wärmegedämmte Wohnhäuser 50 ... 70Gut wärmegedämmte bestehende Wohnhäuser 40 ... 50Neubauten gemäss heutigen Vorschriften 30 ... 40Herkömmliche Dienstleistungsbauten 60 ... 80Hinweis: Die spezifische Heizleistung ist nur ein grobesKontrollinstrument. Die Dimensionierung sollte prinzipiellnach den vorgängig beschriebenen Methoden erfolgen.7 HolzbrennstoffeStückholzMit dem Betreiber des Stückholzkessels ist das Holzsortimentdes Jahresbrennstoffbedarfs vor der Auswahl desStückholzkessels genau nach folgender Liste festzulegen.Der zukünftige Jahresbrennstoffbedarf errechnet sich ausfolgenden Formeln.MittellandHolzsort. Hartholz 3 )Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 1.4 2)Holzsort. Weichholz 4)Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 1.9 2)Über 800 m ü.M.Holzsort. Hartholz 3)Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 1.6 2)Holzsort. Weichholz 4)Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 2.1 2)Q H,erf = erforderliche Heizleistung bei Auslegetemperatur [kW]1) Jahresbrennstoffbedarf in Ster Holz2) Bedarfsfaktor3) Hartholz: Buche, Eiche, Esche, Obstbäume usw.4) Weichholz: Fichte, Tanne, Föhre, Pappel usw.Der maximale Wassergehalt im Holzbrennstoff darf 20%nicht übersteigen. Die genauen Anforderungen sind mitdem Stückholzkesselhersteller abzuklären. Die ausgefüllteListe ist dem Kesselhersteller vorzulegen. Dieser hat zubestätigen, dass der Kessel für das vorgegebene Brennstoffsortimentgeeignet ist und hat allfällige Einschränkungenschriftlich bekanntzugeben. Die maximale Stückholzlängeund Scheitdicke wird durch das gewählte Kesselproduktvorgegeben.HackschnitzelDer zukünftige Jahresbrennstoffbedarf errechnet sich ausfolgenden Formeln:MittellandHartholz 3) Wassergehalt w = 20 – 40%Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 3.2 2)Weichholz 4) Wassergehalt w = 20 – 40%Schlagabraum HartholzWassergehalt w = 20 – 40%Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 5.0 2)Über 800 m ü.M.Hartholz 3) Wassergehalt w = 20 – 40%Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 3.5 2)Weichholz 4) Wassergehalt w = 20 – 40%Schlagabraum HartholzWassergehalt w = 20 – 40%Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 5.5 2)1) Jahresbrennstoffbedarf in Schüttkubikmeter (Sm 3 ) Hackschnitzel2) Bedarfsfaktor3) Hartholz: Buche, Eiche, Esche, Obstbäume usw.4) Weichholz: Fichte, Tanne, Föhre, Pappel usw.

Schnitzelfeuerungen mit einer Feuerungsleistung < 70 kWeignen sich für Hackschnitzel, welche einen Wassergehaltvon w < 40% aufweisen.PelletsDer zukünftige Jahresbrennstoffbedarf Pellets errechnetsich aus folgenden Formeln:MittellandJahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 650 2)Über 800 m ü.M.Jahresbrennstoffbedarf 1) = Q H,erf · 720 2)1) Jahresbrennstoffbedarf in Kilogramm Pellets (kg) Dichte: 650 kg/m 32) Bedarfsfaktor8 Dimensionierung Holz-Zentralheizung8.1 Stückholzkessel mit SpeicherDie Auswahl des Stückholzkessels kann mit untenstehendemNomogramm erfolgen, welches die folgenden Einflussgrössenmiteinander verbindet.Q H,erf = erforderliche Heizleistung [kW] bei Auslegetemperatur(siehe Kapitel 3 bis 6)Q Hd = täglicher Heizwärmebedarf bei Auslegetemperatur[kWh]= Q H,erf · 18 hQ HdBedienungskomfortEntscheidend für die Dimensionierung des Stückholzkesselsist der Bedienungskomfort bezüglich der Beschickungdes Kessels.Standard• Einmal beschicken bei einer mittleren Aussenlufttemperaturvon 4 °C• In der 220-tägigen Heizperiode muss der Kessel an 50Tagen zweimal beschickt werden.Komfort• Einmal beschicken bei Auslegetemperatur• Der erhöhte Bedienungkomfort, von einmal statt zweimalbei Auslegetemperatur den Kessel beschicken zumüssen, hat eine Verdoppelung des Füllraums des Kesselsmit entsprechend grösserem notwendigen Speicherinhaltzur Folge. Dies bewirkt erhöhte Umwandlungsverlusteund reduziert somit den Jahresnutzungsgrad A .Auslegebeispiel StückholzkesselAuf Grund der Daten im Berechnungsbeispiel Kapitel3.1.2 wird der Stückholzkessel ausgewählt.Q H,erf = 10 kW (wird eingetragen)Q Hd beträgt 180 kWhBedienungskomfort: StandardQ Ch,erf = 100 kWhKesselwahlKesselwahl anhand der Herstellerangaben:Stückholzkessel A mit den folgenden technischen Daten:• Nutzwärmeabgabe pro Charge Weichholz•Q Ch =␣ 135 kWh; Anforderung Q Ch > Q Ch,erf damit erfüllt• Nennwärmeleistung Q N = 24 kW• kleinste Wärmeleistung gemäss TypenprüfungQ min = 12 kW5Auslegung StückholzkesselQ Hd [kWh]Hinweis: Für optimale Kesselauslegungnach Möglichkeit denBedienungskomfort Standard festlegen.KomfortStandard800600400Erforderlicher Füllraum in kg Holz240 210 180 150 120 906030200180AuslegebeispielQCh,erf = Erforderliche Nutzwärmeabgabe proCharge respektive KesselbeschickungQ Ch,erf[kWh]800 700 600 500 400 300 200 1001020 30Q H,erf[kW]Vorgehen Q H,erf eintragen Bedienungskomfort mit Betreiber festlegen Auf Grund der Herstellerangaben denjenigen Kessel auswählen, welcher beim vorgegebenenHolzsortiment (siehe Kapitel 7) im Minimum pro Charge Q Ch,erf abgebenkann oder den erforderlichen Füllraum aufweist.

6SpeicherdimensionierungDas minimale Speichervolumen V Spsoll mit der Formel oder dem Diagrammder Norm CEN EN 303-5 bestimmtwerden.V Sp = 15 · Q Ch (1- 0,3 · Q H,erf /Q min ) [l]V Sp entspricht dem minimalen Speicherinhalt[l]Q N = Nennwärmeleistung [kW]TB = Abbrandperiode [h]Q Ch = Q N · TB = Nutzwärmeabgabepro Charge [kWh]Q H,erf =erforderliche Heizleistung [kW]Q min =kleinste Wärmeleistung [kW],bei welcher die Emissionsanforderungengemäss der CENAnforderungen erfüllt werden.Bei leistungsgeregeltem Kesselliegt Q min heute ungefähr bei50% der Kesselnennlast.V Speicher [l]300025002000152015001000AuslegebeispielQ H,erfQ min0.50.811.21.52.02.5500300013550 100 150 200 250 300Q Ch [kWh] des gewählten StückholzkesselsEntscheidend für den notwendigen Speicherinhalt ist diekleinste Wärmeleistung Q min . Je kleiner Qmin in Prozentder Nennwärmeleistung Q N , desto kleiner wird der erforderlicheSpeicherinhalt. Q min wird bei typengeprüften Kesselnauf dem Prüfstand bestimmt und kann den technischenUnterlagen entnommen werden.Der empfohlene Speicherinhalt gemäss Diagramm basiertauf einer angenommenen Temperaturspreizung Speichervorlauf– Speicherrücklauf von 55 °C (z.B. 85 °C – 30 °C)bei einer Aussenlufttemperatur um +10 °C und einer erforderlichenHeizleistung Q H,erf von 30% der Heizleistungbei Auslegetemperatur. Für diese grosse Temperaturspreizungist es notwendig, dass die im Kapitel 9 vorgegebenenKriterien eingehalten sind.Auslegebeispiel SpeicherdimensionierungAuf Grund der Daten im Auslegebeispiel Stückholzkesselwird der minimale Speicherinhalt dimensioniert.8.2 Kesselwahl Schnitzelfeuerung, PelletfeuerungDie erforderliche Kesselleistung Q K,erf [kW] entspricht dererforderlichen Heizleistung Q H,erf [kW] gemäss Kapitel 3und 5. Eine Überdimensionierung der Kesselleistung hateine geringere Auslastung der Feuerungsanlage mit höherenUmwandlungsverlusten zur Folge.Für einen optimalen Betrieb ist• eine Leistungsregelung im Leistungsbereich von 30–100% erforderlich, da der Wärmeleistungsbedarf grossenLastschwankungen unterworfen ist• die Installation einer automatischen Zündung notwendig,welche den verlustreichen Glutbett-Unterhaltbetriebeliminieren kann, da eine Wärmeproduktion derSchnitzelfeuerung oder Pelletfeuerung ca. nur währendder halben Heizperiodenzeit (Nachtabsenkung, Übergangszeit)erforderlich ist.Q H,erf= 10 kW = 0.83Q min 12 kWQ Ch = 135 kWh = Q N · TBV Sp = 15 · 135 kWh (1– 0.3 · 10 kW )=^ 1518 l12 kWV Spaus Diagramm abgelesen ≈1520 l

9 Standardschaltungen für Stückholzkesselmit SpeicherGrundsätzlich ist der Einsatz von bewährten Standardschaltungender Anlagesystemanbieter zu empfehlen. Fürkombinierte Anlagesysteme mit Holzenergie- und Sonnenenergienutzungsind die Standardschaltungen imSwissolar-Ordner ENS, Register 5, Kapitel 5.3.3, Seite 3und 4 [3], zu beachten. Die Standardschaltungen habenbei der hydraulischen Einbindung die nachstehenden Kriterieneinzuhalten, um eine optimale Speicherbewirtschaftungzu erreichen.WärmeabgabesystemAls wichtigstes Kriterium sollte dabei ein möglichst tieferRücklauf angestrebt werden. Das bedingt, dass im ganzenHeizsystem kein Wasser vom Vorlauf direkt in den Rücklaufüberströmen kann.KesselkreisDie Wärmeabgabe vom Kessel weg hat mit einer konstantenhohen Vorlauftemperatur zu erfolgen. Der Kessellieferanthat mit der Kesselregelung diese Bedingung einzuhalten.Eine Möglichkeit ist die Vorlaufkonstantregelungoder Rücklaufkonstantregelung mit Schiebung.SpeicherDamit der Speicher gut schichtet, sind die Speicheranschlüssegrosszügig zu wählen und mit Beruhigungsblechenim Speicherinnern zu versehen.Alle Speicheranschlüsse sollten einen Siphon aufweisen,um Einrohrzirkulation vermeiden zu können; das heisstkeine Speicheranschlüsse direkt nach oben oder horizontal.Bezüglich der Wärmedämmung ist darauf zu achten, dassfolgende Voraussetzungen eingehalten werden könnenum hohe Wärmeverluste zu vermeiden.• Dicht anliegende Seitenwärmedämmung mit dichtemAnschluss an Speicherdeckelwärmedämmung, um jedemögliche Kaminwirkung ausschliessen zu können.• Speicheranschlüsse bis zur Speicherwärmedämmungwärmedämmen.• Mehrere Speicher sind in Serie anzuschliessen.WassererwärmerDie Brauchwassererwärmung kann vorzugsweise mit einemWassererwärmereinsatz im Heizungsspeicher erfolgenoder mit einem separaten Wassererwärmer, welcherüber einen genügend grossen innenliegenden Glattrohrwärmetauscherverfügt.Damit der Speicher bei der Ladephase des separaten Wassererwärmersnicht zu stark umgeschichtet wird, könnenfolgende Möglichkeiten umgesetzt werden:• A: Rücklauf Wassererwärmer in die Speichermitte• B: Rücklauftemperaturbegrenzung auf