Heizungsinstallationen Montage Heizungsanlage

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Heizwert und Brennwert

Zur Bestimmung der Verbrennungswärme wird ein Stoff unter Sauerstoffüberschuss in einem Kalorimeter verbrannt. Dabei entstehen als Verbrennungsprodukte gasförmiges Kohlendioxid und Wasser als Kondensat. Diese Werte werden standardmäßig in Tabellenwerken auf 25 °C bezogen.

Heizwert eines Stoffes

• Der Heizwert eines Stoffes kann nicht direkt experimentell ermittelt werden. Der Heizwert bezieht sich auf eine Verbrennung, bei der nur gasförmige Verbrennungsprodukte entstehen. Zur Berechnung wird daher vom Brennwert die Verdampfungsenthalpie des Wassers abgezogen. Daher liegen die Heizwerte üblicher Brennstoffe ca. 10 % unter ihren Brennwerten.
• Der Brennwert ist identisch mit der Standardverbrennungsenthalpie ΔVH° der allgemeinen Thermodynamik. Heiztechnisch gesprochen heißt das, dass der Wassergehalt bei dieser Berechnung nicht dampfförmig, sondern vor und nach der Verbrennung in flüssiger Form vorliegt. Darauf bezieht sich auch der Ausdruck Brennwerttechnik für Heizanlagen: Hierbei wird auch die im Wasserdampf „verschwendete“ Energie zur Wärmeproduktion genutzt. Für Heizzwecke ist der Brennwert der bessere Kennwert, weil bei Anwendung des Heizwertes physikalisch unsinnige Nutzungsgrade über 100 Prozent entstehen können.
• Beispiel: Die Verdampfungsenthalpie von Wasser beträgt z. B. 45,1 kJ/mol (0 °C), 44,0 kJ/mol (25 °C) oder 40,7 kJ/mol bei 100 °C.

Normbedingungen

Bei gasförmigen Stoffen bezieht man den Heizwert auf das Volumen bei 101,325 kPa und 0 °C (Normbedingungen). Die Angabe erfolgt dann in Kilojoule pro Normkubikmeter als kJ/m⊃3; i.N., wobei das «i.N.» „in Normbedingung“ heißt. Die Differenz zwischen Heizwert und Brennwert ist bei gasförmigen Brennstoffen höher als bei anderen Stoffen, da hier im Gegensatz zu Heizöl oder sogar Holz (nur 4 %), der Wasserstoffgehalt sehr hoch ist.
Der Brennwert wird auch bei der Abrechnung von Heizenergie berücksichtigt. Er wird von Energieversorgern jedoch auf 0 °C bezogen. Dann ist der Brennwert der Gase wegen der höheren Gasdichte (also höheren Energiedichte) pro Volumen noch einmal ca. 10 % höher.

Heizwert und Verbrennungstemperatur

Die Verbrennungstemperatur ist abhängig vom Brennwert einerseits und von der Wärmekapazität sowohl der Ausgangsstoffe als auch der Endprodukte der Verbrennungsreaktion andererseits. Sie wird berechnet nach der Energie-Bilanz-Formel:

Ausgangs-Temperatur × Wärmekapazität der Ausgangsstoffe + Brennwert = End- oder Verbrennungstemperatur × Wärmekapazität der Endprodukte.Dabei wird die Wärmeabgabe an die Umgebung vernachlässigt (adiabate Betrachtung). Unbeteiligte, aber anwesende Stoffe sind unbedingt mit zu berücksichtigen: Es ist beispielsweise ein Unterschied, ob Magnesium in Luft verbrennt, wobei Brenntemperaturen von rund 2.000 °C erreicht werden, oder in reinem Sauerstoff. Bei einer Verbrennung in reinem Sauerstoff müssen keine unbeteiligten Stoffe, wie zum Beispiel Stickstoff, mit erhitzt werden.
Aus demselben Grund verwendet man zum Autogenschweißen Acetylen und reinen Sauerstoff, weil sonst nicht Temperaturen von etwa 3.000 °C erreicht werden könnten.
Meist ist eine adiabatische Betrachtung ungeeignet, die die Reaktionsgeschwindigkeit unberücksichtigt lässt. So verbrennt ein Holzblock nur an der Oberfläche und die Wärme wird über die Zeit an die Umgebung abgegeben. Hingegen reagiert Holzmehl mit Luft explosionsartig (Staubexplosion).

Funktionsprinzip der Brennwerttechnik

Warum ist Brennwerttechnik so sparsam? Bei der Verbrennung von Erdgas verbindet sich sich der im Brennstoff enthaltene Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Verbrennungsluft zu Wasserdampf. Dieser Wasserdampf enthält Wärmeenergie, die bei herkömmlichen Heizungsanlagen durch das heiße Abgas über den Kamin verloren geht

Brennwertgeräte dagegen nutzten diese Energie, indem der Wasserdampf so weit abgekühlt wird, dass aus dem Wasserdampf wieder Wasser wird. Dieser Vorgang bezeichnet man auch als Kondensation. Zur Kühlung des Wasserdampfes nutzt man überlicherweise die Rücklauftemperatur des Heizungssystems.

Damit dieser Effekt überhaupt funktionieren kann, muss die Temperatur des Rücklaufwassers unter 57°C liegen, denn erst unterhalb dieses Temperaturpunktes wird der Wasserdampf wieder zu Wasser.
So erzielen Brennwertgeräte Wirkungsgrade von bis zu 110,2 %.