Grundlagen 7 von 30 – Wärmeübertragung
Wärmeübertragung – Wie kommt die Energie der Verbrennung ins Heizungswasser?
Warum eine gute Verbrennung allein noch keine effiziente Heizungsanlage macht
Lesezeit: ca. 12–14 Minuten
Vorkenntnisse
Für dieses Kapitel empfehlen wir Ihnen folgende Grundlagen:
- Grundlagen 1 – Was ist eine Verbrennung?
- Grundlagen 2 – Brennstoffe
- Grundlagen 3 – Erdgas und seine Eigenschaften
- Grundlagen 4 – Luft und Sauerstoff
- Grundlagen 5 – Das ideale Gas-Luft-Gemisch
- Grundlagen 6 – Vollständige und unvollständige Verbrennung
Die Wärme ist entstanden – aber noch nicht dort, wo wir sie brauchen
In den bisherigen Kapiteln haben wir uns damit beschäftigt, wie aus Brennstoff und Sauerstoff durch Verbrennung Wärme entsteht.
Damit ist die eigentliche Aufgabe einer Heizungsanlage aber noch nicht erfüllt.
Wir wollen schließlich nicht den Heizraum, das Abgas oder den Schornstein erwärmen. Die bei der Verbrennung freigesetzte Energie soll möglichst effektiv auf das Heizungswasser übertragen und anschließend dorthin transportiert werden, wo wir sie benötigen – beispielsweise zu Heizkörpern, einer Fußbodenheizung oder zur Trinkwassererwärmung.
Zwischen den heißen Verbrennungsgasen und dem Heizungswasser befindet sich deshalb eines der wichtigsten Bauteile eines Wärmeerzeugers:
der sogenannte Wärmetauscher.
Wobei wir bei diesem Begriff gleich etwas genauer hinschauen sollten.
Wärmetauscher oder Wärmeübertrager?
Im SHK-Handwerk sprechen wir fast selbstverständlich vom Wärmetauscher.
Physikalisch betrachtet ist dieser Begriff allerdings etwas irreführend: Wärme wird nicht „getauscht“, sondern übertragen.
Technisch wird deshalb auch der Begriff Wärmeübertrager verwendet.
Seine Aufgabe lässt sich vereinfacht so darstellen:
Heißes Verbrennungsgas → Wärmeübertrager → Heizungswasser
Er trennt Verbrennungsgas und Heizungswasser stofflich voneinander und ermöglicht gleichzeitig die Wärmeübertragung zwischen beiden Medien.
Im SHK-Alltag ist der Begriff Wärmetauscher allerdings so etabliert, dass wir ihm weiterhin begegnen werden.
Wärmeübertragung folgt einem physikalischen Grundprinzip
Warum kann die Energie der heißen Verbrennungsgase überhaupt auf das Heizungswasser übertragen werden?
Die Antwort liefert ein grundlegendes Prinzip der Thermodynamik:
Wärme wird spontan von einem Bereich höherer Temperatur auf einen Bereich niedrigerer Temperatur übertragen.
Die treibende Ursache ist die Temperaturdifferenz. Dieser Zusammenhang steht mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in Verbindung.
Vereinfacht gesagt:
Wärme fließt von selbst von warm nach kalt – nicht umgekehrt.
Eine Umkehr dieser natürlichen Richtung ist technisch möglich, benötigt aber zusätzliche Energie.
Ein gutes Beispiel aus der Heizungstechnik ist die Wärmepumpe: Sie nimmt Wärme aus einer kälteren Wärmequelle – beispielsweise der Außenluft – auf und hebt sie auf ein höheres Temperaturniveau für die Heizung. Dafür benötigt sie Antriebsenergie, in der Regel elektrische Energie für den Verdichter.
Bei unserem Wärmeübertrager benötigen wir diesen technischen Umweg nicht:
Heißes Verbrennungsgas → Wärmeübertrager → kühleres Heizungswasser
Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto größer kann – bei ansonsten gleichen Bedingungen – auch der übertragene Wärmestrom sein.
💬 Der Dummschwätzer am Rand
„Druck und Wärme mögen keine Unterschiede – wenn sie die Möglichkeit bekommen, versuchen sie sich auszugleichen.“
Physikalisch laufen dabei unterschiedliche Vorgänge ab:
Bei einer Temperaturdifferenz wird Wärme vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau übertragen. Bei einer Druckdifferenz strömt ein Fluid – sofern ein entsprechender Strömungsweg vorhanden ist – grundsätzlich vom höheren zum niedrigeren Druck.
Der flapsige Merksatz beschreibt also keine gemeinsame physikalische Gesetzmäßigkeit. Aber er hilft dabei, sich etwas Wichtiges zu merken:
Unterschiede treiben Vorgänge an.
Die drei Arten der Wärmeübertragung
In der Wärmelehre unterscheiden wir drei grundlegende Mechanismen:
- Wärmestrahlung
- Konvektion
- Wärmeleitung
In einer Feuerungsanlage können alle drei eine Rolle spielen.
Wärmestrahlung
Jeder Körper oberhalb des absoluten Nullpunkts gibt elektromagnetische Strahlung ab. Mit steigender Temperatur nimmt die abgegebene Wärmestrahlung stark zu.
Eine heiße Flamme sowie heiße Brenner- und Brennraumoberflächen können deshalb Energie durch Wärmestrahlung auf umgebende Flächen übertragen. Ein direkter Kontakt ist dafür nicht erforderlich.
Das kennen wir aus dem Alltag:
Wer vor einem offenen Feuer steht, spürt die Wärmestrahlung deutlich, obwohl er die Flamme nicht berührt.
Welche Bedeutung sie innerhalb einer Feuerungsanlage hat, hängt unter anderem von Brennerbauart, Temperaturen, Brennraumgeometrie und Oberflächen ab.
Konvektion
Bei der Konvektion wird Wärme durch die Bewegung eines Gases oder einer Flüssigkeit transportiert.
In einem Heizgerät begegnet uns dieser Vorgang auf beiden Seiten des Wärmeübertragers:
Die heißen Verbrennungsgase strömen an seinen Oberflächen entlang und geben Wärme ab. Auf der anderen Seite nimmt das Heizungswasser Wärme auf und transportiert sie mit seiner Strömung weiter.
Deshalb spielen neben den Temperaturen auch die Strömungsverhältnisse eine wichtige Rolle.
Wärmeleitung
Die Energie muss außerdem durch das Material des Wärmeübertragers gelangen.
Das geschieht durch Wärmeleitung.
Vereinfacht:
Heißes Verbrennungsgas → Oberfläche → Werkstoff des Wärmeübertragers → Heizungswasser
Damit wird deutlich:
Nicht nur die Verbrennung entscheidet darüber, wie gut ein Wärmeerzeuger arbeitet. Auch Werkstoff, Oberfläche, Strömung und Zustand des Wärmeübertragers spielen eine wichtige Rolle.
Wie heiß wird die Verbrennung?
Bei der Verbrennung von Erdgas entstehen sehr hohe Temperaturen.
Für ein ideales Methan-Luft-Gemisch liegt die theoretische adiabatische Flammentemperatur unter typischen Berechnungsbedingungen in einer Größenordnung von etwa 1.900 bis 2.000 °C.
In einem realen Heizgerät werden diese idealisierten Bedingungen nicht erreicht. Wärme wird bereits während des Verbrennungsprozesses abgegeben. Außerdem beeinflussen Luftüberschuss, Gemischbildung und Brennerkonstruktion die tatsächlich auftretenden Temperaturen.
Hohe lokale Flammentemperaturen haben zudem einen unerwünschten Effekt:
Sie begünstigen die Bildung von Stickoxiden (NOₓ) aus Stickstoff und Sauerstoff der Verbrennungsluft.
Moderne emissionsarme Gasbrenner werden deshalb so konstruiert, dass die Verbrennung stabil und möglichst vollständig abläuft, gleichzeitig aber sehr hohe lokale Temperaturspitzen begrenzt werden.
Das Ziel lautet also nicht:
„Je niedriger die Flammentemperatur, desto besser.“
Sondern:
Saubere und stabile Verbrennung bei möglichst geringer Schadstoffbildung.
Auf die Messung und fachliche Bewertung von NO und NO₂ gehen wir später bei den einzelnen Messwerten ausführlicher ein.
Aus welchem Material besteht ein Wärmeübertrager?
Wärmeübertrager in Heizgeräten werden aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt.
Typische Werkstoffe sind beispielsweise:
- Edelstahl
- Aluminium-Silizium-Legierungen (Al-Si)
- Gusseisen
- Stahl
- Kupfer bei bestimmten Gerätekonstruktionen
Dabei gibt es nicht den einen „besten“ Werkstoff.
Die Werkstoffe unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Belastbarkeit, Gewicht und Verarbeitung.
Die Auswahl ist deshalb immer Teil der gesamten Gerätekonstruktion.
Gusseisen ist keineswegs nur alte Heiztechnik
Gusseisen wird häufig mit alten Heizkesseln verbunden. Das greift jedoch zu kurz.
Gusskonstruktionen werden auch heute noch bei bestimmten Heizkesseln eingesetzt.
Bei kompakten wandhängenden Gas-Brennwertgeräten begegnen uns dagegen häufiger Wärmeübertrager aus Edelstahl oder Aluminium-Silizium.
Auch die Wasserseite muss stimmen
Der Wärmeübertrager hat zwei Seiten.
Während wir auf der Feuerungsseite auf Verbrennung, Abgaswege und Verschmutzungen achten, muss auf der anderen Seite auch die Beschaffenheit des Heizungswassers zum Wärmeerzeuger und zu den verwendeten Werkstoffen passen.
Die VDI 2035 behandelt die Vermeidung von Steinbildung und wasserseitiger Korrosion in Warmwasser-Heizungsanlagen.
Abhängig von Wasserbeschaffenheit, Anlagenvolumen, Werkstoffen und Herstellervorgaben kann eine Aufbereitung des Füll- und Ergänzungswassers erforderlich sein, beispielsweise durch Enthärtung oder Entsalzung.
Besonders bei Aluminiumwerkstoffen sind die Herstellervorgaben, unter anderem zum pH-Wert, zu beachten.
Heizungswasser sollte deshalb als Betriebsmedium betrachtet werden. Entscheidend sind die technischen Regeln und die Vorgaben des jeweiligen Herstellers – nicht die pauschale Forderung, jede Anlage grundsätzlich mit vollentsalztem Wasser zu füllen.
💬 Aus der Praxis – Ein sauberer Brenner reicht nicht
Ein Heizgerät kann verbrennungstechnisch sauber eingestellt sein und trotzdem seine Wärme schlechter übertragen als vorgesehen.
Auf der Feuerungsseite können Ablagerungen die Wärmeübertragungsflächen beeinträchtigen. Auf der Wasserseite können – abhängig von Wasserbeschaffenheit und Anlagenzustand – ebenfalls Beläge oder Korrosionsprodukte entstehen.
Dadurch kann sich der Wärmewiderstand erhöhen und die Wärmeübertragung verschlechtern.
Deshalb gehört die Kontrolle und – soweit vom Hersteller vorgesehen – Reinigung des Wärmeübertragers zu einer fachgerechten Wartung.
Auf der einen Seite müssen Verbrennung und Abgas stimmen – auf der anderen Seite das Heizungswasser.
Warum die Oberfläche so wichtig ist
Je größer die wirksame Oberfläche eines Wärmeübertragers ist, desto mehr Fläche steht grundsätzlich für die Wärmeübertragung zur Verfügung.
Deshalb besitzen Wärmeübertrager je nach Konstruktion beispielsweise:
- Rippen
- Lamellen
- Kanäle
- Rohrschlangen
- speziell geformte Abgaswege
So lässt sich auf kleinem Bauraum eine große Wärmeübertragungsfläche schaffen.
Das erklärt zugleich, warum Verschmutzungen problematisch werden können: Ablagerungen können nicht nur die Wärmeübertragung, sondern bei engen Abgaswegen auch die vorgesehenen Strömungsverhältnisse beeinflussen.
Die Abgastemperatur erzählt einen Teil der Geschichte
Wenn die Verbrennungsgase Wärme an den Wärmeübertrager abgeben, kühlen sie sich ab.
Die Temperatur, mit der sie anschließend die Feuerungsanlage verlassen, messen wir als Abgastemperatur.
Grundsätzlich gilt:
Je mehr Wärme aus dem Abgas auf das Heizungswasser übertragen wird, desto stärker kann das Abgas dabei abgekühlt werden.
Aber:
Eine einzelne Abgastemperatur ist noch keine Diagnose.
Sie hängt unter anderem von Gerätebauart, Feuerungsleistung, Vor- und Rücklauftemperatur, Verbrennungslufttemperatur, Heizwasservolumenstrom und Betriebszustand ab.
Deshalb gilt nicht pauschal:
„Je niedriger die Abgastemperatur, desto besser.“
Der Wert muss immer im Zusammenhang mit Gerät und Betriebszustand betrachtet werden.
Im Wasserdampf steckt noch Energie
Bei der Verbrennung von Erdgas entsteht Wasser, das aufgrund der hohen Temperaturen zunächst als Wasserdampf im Abgas vorliegt.
Dieser Wasserdampf enthält noch nutzbare Energie.
Bei der Brennwerttechnik wird das Abgas so weit abgekühlt, dass ein Teil des Wasserdampfs kondensiert.
Aus Wasserdampf wird flüssiges Wasser. Bei diesem Phasenwechsel wird Kondensationswärme, auch latente Wärme genannt, frei und kann zusätzlich auf das Heizungswasser übertragen werden.
Genau darin liegt ein wesentlicher Unterschied der Brennwerttechnik gegenüber der reinen Heizwertnutzung.
Warum die Rücklauftemperatur so wichtig ist
Damit Wasserdampf kondensieren kann, müssen die entsprechenden Oberflächen des Wärmeübertragers ausreichend kühl sein.
Hier kommt die Rücklauftemperatur ins Spiel.
Je niedriger sie ist, desto günstiger sind grundsätzlich die Bedingungen für die Kondensation.
Deshalb profitieren Brennwertanlagen besonders von niedrigen Systemtemperaturen, beispielsweise durch:
- Fußbodenheizungen
- ausreichend dimensionierte Heizkörper
- hydraulischen Abgleich
- eine passend eingestellte Heizkurve
Das bedeutet jedoch nicht, dass ein Brennwertgerät an einer Heizkörperanlage keinen Brennwerteffekt nutzen kann.
Entscheidend sind die tatsächlichen Temperaturen und Betriebsbedingungen.
Heizwert und Brennwert – warum es Wirkungsgrade über 100 % gab
Bei Wirkungsgradangaben wurde traditionell häufig der Heizwert Hi des Brennstoffs als Bezugsgröße verwendet.
Der Heizwert berücksichtigt die Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfs nicht als nutzbare Energie.
Ein Brennwertgerät gewinnt jedoch einen Teil genau dieser Energie zurück.
Wird der Wirkungsgrad weiterhin auf den Heizwert bezogen, können deshalb rechnerische Werte von über 100 %entstehen.
Das Gerät erzeugt selbstverständlich keine zusätzliche Energie. Die scheinbar zusätzlichen Prozentpunkte entstehen durch die gewählte Bezugsgröße.
Der Brennwert Hs berücksichtigt dagegen auch die bei der Kondensation nutzbare Energie.
Deshalb ist bei Wirkungsgradangaben immer wichtig:
Auf welche Bezugsgröße beziehen sich die Prozentwerte?
💬 Aus der Praxis – Der Rücklauf entscheidet mit
Ein Brennwertgerät kann verbrennungstechnisch sauber eingestellt sein und trotzdem weniger Kondensationswärme nutzen, wenn die Rücklauftemperaturen dauerhaft unnötig hoch sind.
Der Zusammenhang lässt sich einfach merken:
Der Brenner erzeugt die Wärme.
Der Wärmeübertrager nimmt sie auf.
Das Heizungswasser transportiert sie ab.
Bei einem Brennwertgerät versuchen wir zusätzlich, einen möglichst großen Teil der im Wasserdampf enthaltenen Energie nutzbar zu machen.
Warum Wartung die Wärmeübertragung beeinflusst
Wenn Wärmeübertragungsflächen verschmutzt sind, Abgaswege nicht mehr dem vorgesehenen Zustand entsprechen oder auf der Wasserseite Probleme vorhanden sind, kann sich die Wärmeübertragung verändern.
Wartung dient deshalb nicht nur dazu, eine ordnungsgemäße Verbrennung zu erhalten, sondern auch die vom Hersteller vorgesehenen Bedingungen für die Wärmeübertragung.
Welche Bauteile gereinigt werden müssen und welche Verfahren zulässig sind, bestimmt der Hersteller.
Nicht jedes Reinigungsverfahren und nicht jedes Reinigungsmittel ist für jeden Wärmeübertrager geeignet.
Was hat das mit der Abgasmessung zu tun?
Bei einer Abgasmessung betrachten wir nicht nur die chemischen Bestandteile des Abgases.
Wir messen auch Temperaturen, insbesondere:
- Abgastemperatur
- Verbrennungslufttemperatur
Diese Werte werden unter anderem für die Berechnung des Abgasverlustes benötigt.
Damit erhalten wir Informationen darüber, welcher Energieanteil im Rahmen des jeweiligen Berechnungsverfahrens mit dem Abgas die Feuerungsanlage verlässt.
Bevor wir uns ausführlich mit dem Abgas beschäftigen, mussten wir deshalb zunächst verstehen:
Wie gelangt die bei der Verbrennung erzeugte Wärme überhaupt ins Heizungswasser?
💡 Praxis mit CheckWerk
In CheckWerk können Abgastemperatur und Verbrennungslufttemperatur gemeinsam mit den übrigen Messwerten der jeweiligen Anlage dokumentiert werden.
Bei unterstützten Abgasmessgeräten können die im ZIV-QR-Code enthaltenen und in der Checkliste vorgesehenen Messwerte direkt übernommen werden.
So lassen sich Werte verschiedener Wartungen miteinander vergleichen.
Eine Veränderung bedeutet jedoch nicht automatisch einen bestimmten Fehler. Andere Feuerungsleistungen, Heizwassertemperaturen oder Betriebszustände können Messwerte ebenfalls verändern.
Die Messhistorie ersetzt deshalb keine Diagnose. Sie liefert dem Servicetechniker zusätzliche Informationen für seine fachliche Beurteilung.
Zusammenfassung
Bei der Verbrennung entsteht Wärme. Damit wir diese Energie für die Heizung nutzen können, muss sie auf das Heizungswasser übertragen werden.
Grundlage dafür ist eine Temperaturdifferenz: Wärme wird vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau übertragen.
Dabei wirken drei grundlegende Mechanismen:
- Wärmestrahlung
- Konvektion
- Wärmeleitung
Der Wärmeübertrager trennt Verbrennungsgas und Heizungswasser voneinander und ermöglicht gleichzeitig die Wärmeübertragung.
Bei der Verbrennung von Erdgas können sehr hohe Temperaturen entstehen. Moderne Brenner müssen eine stabile und möglichst vollständige Verbrennung ermöglichen und gleichzeitig sehr hohe lokale Temperaturspitzen begrenzen, die die NOₓ-Bildung begünstigen.
Werkstoff, Oberfläche, Verschmutzung und auch die Beschaffenheit des Heizungswassers beeinflussen die Bedingungen am Wärmeübertrager.
Bei der Brennwerttechnik wird zusätzlich ein Teil der im Wasserdampf enthaltenen Energie durch Kondensation nutzbar gemacht. Dabei spielt insbesondere die Rücklauftemperatur eine wichtige Rolle.
Die zentrale Erkenntnis dieses Kapitels lautet deshalb:
Eine gute Verbrennung allein macht noch keine effiziente Heizungsanlage. Die erzeugte Energie muss anschließend auch möglichst wirkungsvoll auf das Heizungswasser übertragen werden.
Das erwartet Sie im nächsten Kapitel
Grundlagen 8 von 30 – Abgase verstehen
Wir haben den Brennstoff verbrannt und einen möglichst großen Teil der entstandenen Wärme auf das Heizungswasser übertragen.
Was die Feuerungsanlage anschließend verlässt, ist das Abgas.
Im nächsten Kapitel betrachten wir:
- woraus Abgas besteht
- warum Abgas nicht einfach „Rauch“ ist
- welche Bestandteile bei der Erdgasverbrennung entstehen
- welche Bedeutung Wasserdampf hat
- welche Informationen O₂, CO₂ und CO liefern
- und warum uns das Abgas so viel darüber verraten kann, was zuvor im Brennraum passiert ist
Damit schließen wir den Grundlagenblock ab und schaffen die Verbindung zur anschließenden Abgasmesstechnik.
Quellen und weiterführende Fachinformationen
- VDI 2035 – Vermeidung von Schäden in Warmwasser-Heizungsanlagen – Wasserbeschaffenheit, Steinbildung und wasserseitige Korrosion.
- VDI-Wärmeatlas – Grundlagen der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung.
- DIN EN 12828 – Heizungsanlagen in Gebäuden – Planung wassergeführter Heizungsanlagen.
- DVGW Arbeitsblatt G 600 (TRGI) – Technische Regel für Gasinstallationen.
- Testo – Fachinformationen und Praxisratgeber zur Abgasanalyse – Grundlagen zu Verbrennung, Abgastemperatur, Verbrennungslufttemperatur und Abgasverlust.
- Für Wasserbeschaffenheit, Reinigung, Wartung und Betrieb eines konkreten Wärmeerzeugers gelten zusätzlich die aktuellen Herstellerunterlagen des jeweiligen Gerätes.
