Teil 1: Grundsätzliches über das Heizen mit Biomasse im Niedrigenergie- und Passivhaus

Kurzbeschreibung: Holzbefeuerte Feuerstätten kommen aufgrund der minimalen Größe der Holzstücke nicht unter eine minimale Heizleistung von ca. 2 kW. Auch Pelletsöfen machen da keine Ausnahme. Diese minimale Heizleistung liegt oft schon an der Obergrenze der Heizlast von Passivhäusern. Bei niedrigen Heizlasten sind daher Holzfeuerungen, die über eine hydraulische Auskopplung verfügen (Zentralheizungen, Öfen "mit Wassertasche") immer mit einem Pufferspeicher zu versehen. Abgesehen davon sind Holzheizungen beim Neubau immer mit externer Verbrennungsluftzufuhr zu planen. Der Kachelofen im Niedrigenergie- und Passivhaus
Eine Serie in drei Teilen.
Teil 1: Grundsätzliches über das Heizen mit Biomasse im Niedrigenergie- und Passivhaus

Im Folgenden wird statt der langen Bezeichnung "Niedrigenergie- bzw. Passivhaus" lediglich die Bezeichnung Niedrigenergiehaus verwendet, wir verstehen also hier unter "Niedrigenergiehaus" ausnahmsweise auch das Passivhaus eingeschlossen.

Solarenergie, Holz und Umgebungswärme, das sind die aus Umweltsicht ideal zum Niedrigenergiehaus passenden Energieträger für Heizung und Warmwasser.

Aber Vorsicht bei Holz: Hier ist nach wie vor die geforderte geringe Wärmeabgabeleistung ein Problem. Gerade diese geringe Leistung bzw. Heizlast ist ja das Typische für ein Niedrigenergie- und Passivhaus. Die klassische Biomasseheizung, der Scheitholzofen, hat eine minimale Wärmeabgabeleistung von 8 kW und darüber - soll der Ofen gut brennen und nicht schwelen. Diese Leistung ist aber viel zu hoch für moderne Gebäude bzw. Wohneinheiten, deren Heizlast 4 kW oder, bei Passivhäusern, ggf. auch nur knapp 2 kW beträgt. Ein Scheitholzofen wird das Gebäude bzw. die Wohneinheit unweigerlich überhitzen, und man muss die überschüssige Wärme weglüften, sogar in der kalten Kernperiode.

Kein Problem, nehmen wir doch einfach einen Pelletsofen. Pelletsöfen wurden anläßlich ihrer breiten Markteinführung rund um das Jahr 2000 ja als "heruntermodulierbar wie ein Öl- oder Gasofen" angepriesen. Tatsache ist, dass es Pelletsöfen bis heute nicht schaffen, ihre Leistung ohne Pufferspeicher so zu modulieren, dass sie bei kleinen Leistungen Gas und Öl das Wasser reichen könnten. Hier hat sich die Werbung zu sehr aus dem Fenster gelehnt. Alles andere wäre aber auch sehr erstaunlich, denn Pellets sind einfach viel grobkörniger als Gasmoleküle oder Ölnebel.

Pelletsfeuerstätten können laut Herstellerangaben bis minimal ca. 2 Kilowatt heruntermodulieren, spricht man aber mit Besitzern derartiger Anlagen, aber auch mit einzelnen Händlern, wird dieses Leistungsminimum nur eher schlecht als recht erreicht. Es ist vor allem die Qualität der Verbrennung selbst, die man bei der Minimalleistung nicht mehr als optimal bezeichnen kann, was Wirkungsgrad und Emissionen betrifft.

Selbst aber, wenn man mit einem Ofen bis auf die anvisierten 2 Kilowatt herunterkommt, kratzt man mit dieser unteren Grenze des Wärmererzeugers erst an der oberen Heizleistungsgrenze, also bei der Heizlast eines durchschnittlichen Einfamilien-Passivhauses. In der Übergangszeit müsste man aber noch weiter herunterkommen. Die beiden Leistungsbereiche, der Heizleistungsbereich eines Einfamilien-Passivhauses und jener eines Pelletsofens können einander also "mit ausgestreckten Armen gerade noch berühren", von einer Überdeckung kann keine Rede sein.

Biomasseheizungen in Niedrigenergiehäusern haben also vor allem eines als Voraussetzung: Sie müssen mit möglichst geringer Leistung Wärme abgeben zu können, ohne bezüglich Emissionen oder Wirkungsgrad in Schwierigkeiten zu geraten. Gemeint ist hier eine dauerhafte Wärmeabgabe bei geringer Leistung; Takten, also Ein- und Ausschalten, gilt hier nicht und ist bei Scheitholz auch gar nicht möglich.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei heutiger Bauweise ist die Verbrennungsluftzufuhr von Biomassefeuerungen. Heutzutage wird die Luftdichtheit der Gebäudehülle nicht mehr nur am Papier gefordert, sondern auch baulich bereits intensiv umgesetzt und mit einem Luftdichtheitstest überprüft. Eine im Gebäudeinneren aufgestellte Biomasseheizung kann daher nur mehr mit externer Verbrennungsluftzufuhr betrieben werden.

Wir wollen in diesem Audiofile vor allem auf diese beiden wesentlichen kritischen Aspekte beim Betrieb einer Biomasseheizung im Niedrigenergiehaus eingehen, nämlich:
1. auf die geforderte niedrige Heizleistung sowie auf
2. die externe Verbrennungsluftzufuhr.

Planungsmöglichkeiten zu diesen beiden Aspekten hängen von der Art der Biomasseheizung ab und sind vielfältig. Wir greifen hier einen Typ der Biomasseheizung heraus, an dem beide Aspekte für den Bereich Niedrigenergiehaus erläutert werden.
Es ist dies ein Typ Wärmeerzeuger, an den heute ggf. noch eher wenige denken, wenn Bedarf nach einer Heizung mit niedriger Leistung herrscht - der Kachelofen. Manche mag es überraschen, aber er ist sehr gut für ein Niedrigenergiehaus geeignet und kann ggf. sogar im Passivhaus zum Einsatz kommen, obwohl bisweilen von Hafnern selbst etwas anderes behauptet wird.

Alle Zitate in diesem File stammen aus einer Tonaufzeichnung eines Seminars zu Kachelöfen, das 2014 vom Österreichischen Kachelofenverband für Energieberater und Energieberaterinnen gehalten wurde. Der Vortragende war Rudolf Haselböck vom Österreichischen Kachelofenverband.

Teil 2: Funktionsweise und Besonderheiten des Kachelofens

Kurzbeschreibung: Ein wesentlicher Planungsparameter für einen Kachelofen ist die Speicherzeit ("in welchen Maximalintervallen muss ich nachlegen?") und damit die Speichermasse. Das Typische an der Betriebsweise des Kachelgrundofens ist die im Vergleich mit Zimmeröfen ("Dauerbrandöfen") kurze Abbrandzeit, nach der die Verbrennungsluftzufuhr praktisch auf Null gedrosselt wird und die daran anschließende lange Zeit der Wärmeabgabe. Ein typischer Kachelgrundofen gibt beispielsweise die Wärmeenergie, die beim Verbrennen von ca. 6 kg Holz frei wird - dies entspricht ca. 6 Scheitern Holz - , über 12 Stunden verteilt ab. Der Kachelofen im Niedrigenergie- und Passivhaus
Teil 2: Funktionsweise und Besonderheiten des Kachelofens

Viele kennen den Kachelofen als Inbegriff der Gemütlichkeit, vom Erleben im eigenen Haus oder bei anderen.
Vor Jahrzehnten war der Begriff "Kachelofen" noch eindeutig, jedem war klar, was gemeint ist. Man hat darunter das verstanden, was heute als Kachelgrundofen bezeichnet wird, einen komplett aus keramischer Masse gesetzten Ofen mit großer Speichermasse. Diese letztere Typbezeichnung "Grundofen" wurde daher erst in den letzten Jahrzehnten erforderlich, seit es neben dem klassischen weitere Kachelofentypen und -systeme am Markt gibt.

Aber nur bei dem klassischen Typ des Kachelgrundofens kommt das Hauptmerkmal des Kachelofens, die enorme thermische Speichermasse, voll zum Tragen:

Ein entscheidendes Planungsmerkmal eines Kachelofens ist also die Wahl der Speichermasse. Bzw. ist die erforderliche Speichermasse eines Ofens eigentlich ein Berechnungsergebnis während der Planungsphase.

Ein für den täglichen Betrieb noch wichtigerer bzw. anschaulicherer Planungsparameter ist aber die Speicherzeit. Die Speicherzeit ist jene Zeitspanne im Heizlastfall, also dann im Jahr, wenn der Ofen am meisten leisten muss, zwischen zwei Einheizvorgängen. Also die Zeit zwischen der letzten Holzauflage und dem Zeitpunkt, ab der erneut Holz aufgelegt werden muss.
Typischerweise werden Kachelöfen auf 12 Stunden Speicherzeit ausgelegt, man legt also Holz in der Früh und am Abend nach und kann so die erforderliche Wärmeabgabeleistung im Mittel sicherstellen.
Ein Ofen kann aber auch für eine längere Speicherdauer ausgelegt werden, z. B. so, dass auch in der Kernheizzeit nur einmal pro Tag nachgelegt werden muss.

Wie wird ein Kachelofen betrieben?

Welches ist das Grundprinzip des Kachelgrundofens in bezug auf die Verbrennung des Holzes und die Wärmeabgabe?
Zunächst fängt das im Brennraum aufgelegte Holz Feuer. Entweder wird das Holz vom noch vom früheren Abbrand vorhandenen Glutstock entzündet, oder aber der Nutzer zündet das aufgelegte Holz an. Das Holz muss jetzt rasch abbrennen, ein kleines Lagerfeuer also im Kachelofen, genauso wie in Kaminöfen.
Dazu muss die Verbrennungsluftzufuhr ungehindert einströmen können. Ungehinderte Verbrennungsluftzufuhr bedeutet in der Praxis, dass die Türe der Brennkammer während dieser Phase keinesfalls geschlossen werden darf. Bzw. muss bei neueren Öfen, die bereits eine externe Verbrennungsluftzufuhr besitzen, diese voll geöffnet sein.
Das Holz brennt jetzt also rasch ab, die freiwerdende Wärmemenge wird vom Rauchgas aufgenommen, das durch die Züge des Kachelofens zieht. Dort wird die Wärme zu einem großen Teil an die Speichermasse des Kachelofens abgegeben. Der Rest der Verbrennungswärme gelangt über das heiße Abgas in das Freie.
Rudolf Haselböck vom Österreichischen Kachelofenverband erklärt, wie er seinen eigenen Ofen betreibt:

Nur ein sehr geringer Teil der Wärme wird bereits unmittelbar beim Abbrand an den Aufstellraum selbst abgegeben. Wichtig ist, dass nach dem Abbrand, also nach ca. 1 bis 1,5 Stunden nach dem Anzünden die Verbrennungsluftzufuhr gedrosselt werden muss, dass also die Tür zur Brennkammer geschlossen werden muss.
Andernfalls strömt die Raumluft weiterhin durch den Ofen und kühlt die aufgeheizten Züge über die nachströmende Luft wieder aus. Diese Wärme würde auch nach der Verbrennung über den Kamin über die erwärmte Luft ins Freie gelangen.

Verteilung der Wärmeabgabe über die Zeit

Ein typischer Kachelgrundofen gibt die Wärmeenergie, die beim Verbrennen von ca. 6 kg Holz frei wird - dies entspricht ca. 6 Scheitern Holz - , über 12 Stunden verteilt ab. Diese lange Wärmeabgabeperiode ist der große Unterschied zu Kaminöfen bzw. klassischen Zimmerholzöfen, bei denen ebenfalls ca. 6 kg Holz aufgelegt werden können, bei denen aber dieselbe Wärmemenge in nur ca. einer Stunde an den Raum abgegeben wird.
Beim Kaminofen wird also zu jener Zeit, in der das Holz verbrennt, Wärme abgegeben, und nachher fast nichts mehr. Die große Speichermasse des Kachelgrundofens bietet hingegen die Möglichkeit, mit der durchschnittlichen Wärmeabgabeleistung tief herunterzukommen. Dennoch ist die Wärmeabgabe des Kachelofens nicht konstant, sondern zeigt ein langsames Anschwellen auf eine Maximalleistung und dann wieder ein langsames Abfallen.

Teil 3: Die kleine Heizleistung des Kachelofens, Externe Verbrennungsluftzufuhr

Kurzbeschreibung: Kachelöfen mit entsprechend großer Speichermasse können eine Minimalwärmeabgabeleistung von 0,8 kW erreichen. Sie können daher auch – ggf. vielen nicht bekannt – in Passivhäusern eingesetzt werden. Die Verbrennungsluftzufuhr muss heute als "externe" geplant werden, bei neueren Öfen kann die Absperrklappe auch automatisch betrieben werden. Der Kachelofen im Niedrigenergie- und Passivhaus
Teil 3: Die kleine Heizleistung des Kachelofens, Externe Verbrennungsluftzufuhr

Wie ist das jetzt mit der minimalen Heizleistung von Kachelöfen im Zusammenhang mit Niedrigenergiehäusern?
Gehen wir zunächst von den praktischen Rahmenbedingungen des Ofens im Betrieb aus. Eine davon ist sogenannte minimale Holzauflagemenge. Erst ab einer minimalen Menge erfolgt ein nennenswerter Übergang von Wärme über den Ofen an den Raum.
Nur ein paar Späne anzuzünden, wäre also reine Verschwendung. Üblicherweise geht man davon aus, dass mindestens 6 kg Holz aufgelegt werden, das entspricht ca. 6 Holzscheitern:
Aus dieser Bedingung der Mindestauflage und maximaler Speichermasse ergibt sich eine derzeit mit einem Kachelofen erreichbare Minimalwärmeabgabeleistung von 0,8 kW.

Man könnte den Leistungsbereich sogar noch weiter auf 0,4 kW herunterbringen, indem man nur mehr die Hälfte der Minimalmenge, also 3 kg Holz auflegt, empfehlenswert sind aber eher die 6 kg Mindestauflage:

Externe Verbrennungsluftzufuhr

Ein wesentlicher Punkt beim Betrieb von Biomasseheizungen ist die Verbrennungsluftzufuhr. Aufgrund der luftdichten Bauweise ist seit 2015 bei Kachelöfen nichts mehr anderes möglich, als sie extern mit Verbrennungsluft zu versorgen, also mit Luft, die von außerhalb der Gebäudehülle angesaugt wird.

Die neue Vorschrift bringt aber auch vermehrten Komfort mit sich, überdies erfolgt die Verbrennung durch die externe Luftzufuhr deutlich besser.

Wie groß ist der Luftkanalquerschnitt für die externe Luftzufuhr zu dimensionieren?

Die externe Luftzufuhr ändert aber nichts am beschriebenen Grundvorgang des Kachelofenbetriebs. Die Luftzufuhr muss nach dem Abbrand abgesperrt werden. Dies übernimmt bei neuen Geräten fast ausnahmslos eine Absperrautomatik:
Eine Absperrautomatik folgt im Grunde einer sehr einfachen Auf-Zu-Logik, es gibt nur zwei zulässige Klappenstellungen. Wie bereits erwähnt, wird die Wärmeabgabeleistung des Kachelofens also nicht über die Luftzufuhr geregelt:
Die elektronische Regelung ist ausgeklügelt, in den meisten Fällen kann sogar die Werksvoreinstellung belassen werden:

Sprecher 1 / 2:
Einige Kachelofenbesitzer sind stolz darauf, einen krisenfesten Wärmeerzeuger zu besitzen, den Ofen also auch bei Stromausfall betreiben zu können. Wie sieht das mit der neuen Absperrautomatik aus, die ja strombetrieben ist: Kann der Kachelofen auch bei Stromausfall noch betrieben werden?

Hilfreiche Quellen

1. Österreichischer Kachelofenverband. url: http://www.kachelofenverband.at
2. Jürgen Kollmann. Hafnerprodukte im Niedrigenergie- und Passivhaus. Eine Frage der Kompetenz. 2009. url: http://www.kachelofenverband.at/wp-content/uploads/2009/03/hp_publikationen_neh_passivhaus2.pdf (besucht am 02. 04. 2016)