Wärmebedarfsermittlung

oder: welches BHKW ist für mich das Richtige?
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Einführung



Vielfach werden wir angesprochen um ein optimales BHKW zu empfehlen. Dem folgt dann eine Beschreibung nach folgendem Muster: Wir haben ein Ein-Familienhaus mit 180m² Wohnfläche aus dem Jahre.....

Ohne k- Werte von Fenster und Gebäudehülle, ohne Angabe der Familienmitglieder und weiterer Werte ist eine echte Wärmebedarfsrechnung nicht durchführbar.

Damit Sie aber einen Schritt weiterkommen, haben wir hier Informationen zusammengetragen, die sie näher ans Ziel bringen.

Zuerst gehen wir kurz darauf ein, wie Sie Ihren derzeitigen Wärmebedarf ermitteln. Dann lernen Sie einige physikalische Grundkenntnisse. Dazu nehmen Sie bitte Ihren Taschenrechner zur Hand und rechnen einfach mit. Zum Schluss haben Sie das Handwerkszeug, um für ihren persönlichen Fall das richtige BHKW und den geeigneten Puffer-Speicher zu ermitteln.

Grundlagen



Der Energieerhaltungssatz



Gesetz von der Erhaltung der Energie ( in voller Allgemeinheit aufgestellt von Robert Mayer 1842)

Energie kann weder verschwinden noch von selbst entstehen, sie kann nur ihre Form ändern.

Ein Physiker würde das gleiche auf folgender Weise definieren.

Die Gesamtsumme der Energie eines abgeschlossenen Systems bleibt stets konstant.

Der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie nicht aus dem Nichts auftaucht und auch nicht irgendwann wieder für immer verschwindet, sondern nur seine Form ändert.

Ein BHKW ist demnach eine Maschine die Energie umwandelt. Und zwar wandelt es die im fossilen Energieträger Heizöl gespeicherte Energie, in elektrischer Energie und in Wärmeenergie um.

In einem Liter Heizöl sind 10KWh gespeicherte Energie vorhanden. In Worten: zehn Kilowattstunde pro Liter. In einem Liter Heizöl ist also die gleiche Energiemenge vorhanden, die ein 1000W Strahler 10h lang benötigt.

Wenn ein Liter Heizöl umgewandelt ( verbrauchen, das wissen wir jetzt, ist das völlig falsche Wort ) wird, dann wird daraus nur eine andere Form. Wenn das BHKW einen guten Wirkungsgrad hat, dann ist am Ausgang ca. 3KWh elektrische Energie und ca. 6KWh Wärmeenergie erzeugt worden. Die noch fehlende KWh kann nicht genutzt werden. Sie geht als Umwandlungsverlust verloren. Aber sie verschwindet nicht, sondern findet ihren Weg durch den Auspuff, oder macht ein wenig Lärm....

Ermittlung der benötigten Wärmeenergie



Ebenso wie das BHKW ist auch der Heizkessel ein Energiewandler. Mit dem Nachteil, dass er kein Strom produziert, also nur minderwertige Energie erzeugt.

Die Wärme die in eine Wohneinheit hineingebracht wird, ist messbar über die Heizölmenge. Diese Grundüberlegung ist wichtig um zu erfahren wie viel Energie zum wohlig warm sein nötig ist.

Um die Menge zu ermitteln wird der aktuelle Heizölverbrauch herangezogen. Wird 10L Heizöl pro Tag verbraucht, dann ist der Bedarf ca. 100KWh Wärme pro Tag. Um es genauer hinzubekommen wird der Zeitraum vergrößert. Zum Beispiel auf eine Woche. Um in dieser Zeit möglichst exakt die verbrauchte Heizölmenge zu ermitteln, kann man sich vom örtlichen Wasserinstallateur eine Heizölmengenmesseinrichtung (dafür gibt es sicherlich auch ein Fachwort) ausleihen. Jetzt ist es ganz einfach: Hat man z.B. 100L in einer Woche verbraucht, dann hat man im Durchschnitt 14,3L am Tag verbraucht. Also 0,6l pro Stunde. Da ein Liter Heizöl einen Energieinhalt von ca. 10KWh hat, folgt, dass man pro Stunde einen Bedarf von 6KWh hat. Was ja bedeutet, wie wir oben gelernt haben, dass pro Stunde 6000W an Wärme benötigt werden.

Es gibt jedoch, wie Sie sicher schon bemerkt haben, einen Haken, der die Angelegenheit ungenau macht. Wenn man diese Messung im Juli durchführt kommt man auf sehr kleine Werte. Es muss also im Winter passieren. Idealerweise lesen Sie diesen Artikel gerade, während einer Aussentemperatur die man als winterlich beschreiben kann.

Für unser Beispiel gehen wir von 6KW permanenten Wärmebedarf aus.

Grundlagen



Wärmeenergie



Herleitung der Formel: W = m * Delta T * c / 3600

Im Essay Grundlagen der Wärmeübertragung haben Sie die Formel

P = Q * Delta T * c / 3600

kennengelernt. Dort lesen Sie bitte auch die Erklärung über die Parameter nach. Die Formel besagt, welche Leistung P nötig ist um eine Wasserstrom von T1 auf T2 zu erhitzen.

Um auszurechnen welche Arbeit nötig ist um eine Wassermenge von T1 auf T2 zu erhitzen muss die Formel erweitert werden um die Zeiteinheit t.

P*t = t*Q * Delta T * c / 3600

P*t ist Leistung mal Zeiteinheit; gleich Arbeit. Leistung wird in KW (Kilowatt) angegeben. Arbeit wird in KWh (Kilowattstunden) angegeben. Da

P * t = W

folgt:

W = t*Q * Delta T * c / 3600

Eine Vereinfachung is noch nötig. Der Förderstrom Q ist definiert durch Masse pro Zeiteinheit. Q=m/t. Ersetzen Sie in der Formel Q durch m/t. Kürzen Sie dann t raus. Es ergibt sich die sehr einfache Formel:

W = m * Delta T * c / 3600

Mit Hilfe dieser Formal kann errechnet werden, welche Arbeit nötig ist um 1000l Wasser von 50°C auf 70°C zu erhitzen. Wenn Ihnen die Formelzeichen nicht klar sind, lesen Sie diese bitte noch einmal nach unter Grundlagen der Wärmeübertragung.



W = 1000l * 20K * 4200 / 3600



W = 23230Wh = 23,33KWh

Um 1000l von 50°C auf 70°C zu erhöhen ist eine Arbeit von 23,33KWh nötig. Wenn eine Stunde lang eine Leistung von 23,33KW zugeführt wird, steigt die Temperatur wie ausgerechnet. Wenn nur 9,5KWh zur Verfügung stehen dauert es entsprechend länger. Nämlich:

23,33KWh / 9,5KW = 2,5h

Interessant ist auch die Frage, um wie viel Kelvin die Temperatur in einer Stunde in einem 1000L Speicher steigt, wenn man nur 9,5 KW zur Verfügung hat. Dafür ist es nötig, die Formel umzustellen nach:

Delta T = ( W * 3600 ) / ( m * c)

Delta T = ( 9500Wh * 3600 ) / ( 1000l * 4200 )

Delta T = 8,1K

1000l werden demnach mit 9,5KW in einer Stunde um 8,1K erhöht. Also von z.B. 50°C auf 58,1°C.

Ein Beispiel



Als Beispiel soll das BSM5/9 in Kombination mit einem 1000L Speicher dienen.

Nach 2,5h ist die Temperatur um 20 Kelvin gestiegen. Also von z.B. 50°C auf 70°C. Wenn die beiden zuletzt genannten Temperaturen die Eckdaten ihres Speichers sind, ist die Laufzeit des BHKWs genau 2,5h.

Da wir aber angenommen haben, dass Sie 6KW permanent verbrauchen, bleiben nur 4KW zum Aufheizen des Speichers. Die Erhöhung um 20°C würde also erheblich länger dauern.

Das haben wir weiter oben schon für den Fall 9,5KW berechnet. Hier gehen wir von 4KW aus:

23,33KWh / 4KW = 5,8h. Nach 5,8h ist die Temperatur um 20 Kelvin gestiegen. Nun sieht das mit der Laufzeit schon viel interessanter aus. Sie beträgt nämlich genau 5,8h.

Sollte ihr Wärmebedarf in den ganz kalten Tagen genau 9,5 KW sein, wird die Temperatur im Speicher konstant bleiben. Sollte der Bedarf noch größer werden ist entweder eine Zusatzheizung nötig, oder in nicht so häufig benutzten Zimmern wird die Temperatur herunter geregelt.

Nachdem der Speicher die Temperatur von 70°C erreicht hat, wird das BHKW abgeschaltet. Die benötigte Wärmeenergie wird dann aus dem Speicher gezogen. Und zwar so lange bis die Temperatur unterhalb von 50°C (die angenommene Vorlauftemperatur) ist. Die Energiemenge, die in den Speicher hineingebracht wurde, kann auch wieder herausgeholt werden. Angenommen sei, dass der Speicher ideal isoliert ist.

Hineingebracht wurden 23,33KWh. Wenn permanent 6KW benötigt werden, liefert der Speicher 23,33KWh / 6KW = 3,9h lang die Wärme. Dann ist der Speicher bei 50°C und das BHKW wird wieder gestartet.

Die BHKW-Laufzeit ist 5,8h. Die BHKW-Stillstandszeit ist 3,9h.

Wenn am Ende der Übergangszeit der Wärmebedarf zurück geht, wird auch der Speicher wesentlich schneller seine Temperatur erreichen. Die Laufzeiten des BHKWs werden kürzer.



Zusammenfassung


Ermitteln Sie so gut wie es eben geht Ihren Wärmebedarf. Finden Sie ebenfalls heraus, was die unterste Vorlauftemperatur Ihres Systems ist. Das ist dann die unterste Speichertemperatur. (Je niedriger je besser.) Dann brauchen Sie noch die maximale Speichertemperatur. (Je höher je besser. Denn je grösser würde das Delta T.) Die ist abhängig von Ihrem BHKW. Je später abgeschaltet wird, desto höher wird auch die Temperatur am BHKW Eingang. Das sollte nicht übertrieben werden. Mit der dann entstehenden Temperaturspreizung können Sie die Laufzeit des BHKWs errechnen.

Versuchen Sie danach den Wärmebedarf mit der erzeugten Wärmemenge des BHKWs zu decken. Wenn Sie nicht das ideale BHKW finden, variieren Sie eventuell die Pufferspeichergröße.





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