IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 1/1996, Seite 42 ff.

HEIZUNG

Thermostream-Technologie

Neue Konzepte für die Gesamt-System-Optimierung und den sicheren Niedertemperatur-Betrieb

Dipl.-Ing. Wolfgang Diebel

Mit neuen optimierten Kesselkonstruktionen können Anlagentechnik, Planungsaufwand, Betriebs- und Investitionskosten und die Betriebssicherheit noch weiter optimiert werden. In der folgenden Veröffentlichung wird dieser Sachverhalt am Beispiel der Thermostream-Technologie dargestellt.

Energiesparendes Heizen

Die Niedertemperatur-Betriebsweise ist heute Stand der Technik und nicht mehr aus der modernen Heiztechnik wegzudenken. Sie führt dazu, daß die Strahlungs- und Betriebsbereitschaftsverluste sowie die Abgasverluste wesentlich verringert werden. Durch die bedarfsabhängige Abschaltung des Heizkessels wird zusätzlich Energie eingespart. Zum Beispiel wird während der Nachtstunden und an Wochenenden der Wärmetransport zu den Heizflächen regeltechnisch reduziert oder gestoppt und der Niedertemperatur-Heizkessel automatisch ausgeschaltet.

Bild 1: Taupunktverlauf bei Heizöl und bei Erdgas.

Diese energiesparende Betriebsweise eines Niedertemperatur-Heizkessels mit der Möglichkeit der bedarfsabhängigen Totalabschaltung erfordert jedoch optimierte Kesselkonstruktionen, die auch in Grenzfällen, etwa bei Heizungsanlagen mit großem Wasserinhalt oder niedrigen Heizsystem-Temperaturen, die Lebenserwartung und die Betriebssicherheit durch die erreichbare Energieeinsparung nicht in Frage stellt.

Vermeidung von Kondensatbildung

Entscheidender Faktor für die sichere Betriebsweise eines Niedertemperatur-Heizkessels ist der trokkene, schwitzwasserfreie Dauerbetrieb. Hierbei ist besonders der Wasserdampf-Taupunkt des Heizgases zu beachten. Bei Heizflächen-Oberflächentemperaturen unterhalb des Taupunktes der Heizgase besteht die Gefahr der Kondensation (Bild 1). Insbesondere bei dem Brennstoff Heizöl kann dann in Verbindung mit dem im Brennstoff enthaltenen Schwefel Säure entstehen, die zu einem Korrosionsangriff auf den Heizflächen führt.

Um diese Kondensation auf den Heizflächen zu verhindern bzw. zu minimieren, sind bei Stahlheizkesseln spezielle Rippen- oder mehrschalige Heizflächenkonstruktionen entwickelt worden. Bei Gußheizkesseln ist der erforderliche Heizflächen-Aufwand geringer, da der Werkstoff Guß durch die beständigere Oberfläche einer geringeren Korrosionsgefahr als der Werkstoff Stahl ausgesetzt ist. Neben der angepaßten Kesselkonstruktion wird die Vermeidung von Kondensatbildung meist auch durch regeltechnische Funktionen unterstützt.

Diese so optimierten Kesselkonstruktionen in Verbindung mit einer abgestimmten Regeltechnik führen dazu, daß Niedertemperatur-Heizkessel z.B. im Leistungsbereich < 70 kW keine besonderen anlagentechnischen Anforderungen stellen. Besonders energiesparende Niedertemperatur-Heizkessel sind in der Lage, die Kesselwassertemperatur gleitend in Abhängigkeit von der Außentemperatur bis auf Raumtemperatur zu reduzieren.

Bild 2: Heizungsanlage mit Rücklauftemperatur-
anhebung

Was im Leistungsbereich < 70 kW die Regel ist, gilt aber nicht gleichermaßen für Heizkessel im Leistungsbereich über 70 kW. Denn je größer die Kessel-Nennleistung, um so kritischer wird die Menge des gegebenenfalls anfallenden Kondensates. Entsprechend der Heizungsanlagen-Verordnung kommen zusätzlich zweistufige oder modulierende Brenner zum Einsatz, wodurch die Kondensationsgefahr steigt. Darüber hinaus sind die Anlagenverhältnisse wesentlich verzweigter und damit kritischer für die Heizkesselanlage.

Um Störungen an der Heizkesselanlage zu vermeiden, ist die sorgfältige Beachtung der Betriebsbedingungen erforderlich. Sie sind aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten formuliert und müssen je nach Kesselausführung und Hersteller variiert werden [1].

Betriebsbedingungen

Um bei der Anlagenplanung die Randbedingungen für den Betrieb eines Heizkessels insbesondere im größeren Leistungsbereich zu definieren, haben die Heizkesselhersteller ihre produktspezifischen Betriebsbedingungen im Regelfall dokumentiert. Folgende Parameter zählen im Regelfall zu den Betriebsbedingungen:

Mindest-Heizwasser-Volumenstrom,
Mindest-Kesselrücklauftemperatur (z.B. bei Anlagen mit großem Wasserinhalt),
Mindest-Kesseltemperatur,
Mindest-Leistung bei zweistufigen und modulierenden Brennern,
Mindest-Kesseltemperatur im abgesenkten Heizbetrieb bzw. bei der Wochenendabsenkung.

Ein Beispiel für geforderte Betriebsbedingungen ist in der unten stehenden Tabelle 1 dargestellt:

In vielen Fällen sind weitere produktspezifische Anforderungen zu beachten, z.B. höhere Kessel-Rücklauftemperatur bei Heizungsanlagen mit großem Wasserinhalt (Gärtnereien). Diese Betriebsbedingungen haben im Regelfall zur Folge, daß angepaßte Anlagenkonzepte mit entsprechenden hydraulischen und regeltechnischen Maßnahmen ergänzt werden müssen.

Tabelle 1: Betriebsbedingungen für einen beliebig gewählten Heizkessel [1]

Fabrikat: XYZ	Typ: 1234 Forderungen	Nennleistung: 190 kW wird erfüllt durch
1. Heizwasservolumenstrom	10 K < D < 30 K	Kesselkreispumpe
2. Kesselrücklauftemperatur (Mindestwert)	_Rmin = 40°C	Rücklauftemperaturanhebung über bauseitige Regelung
3. Untere Kesselwassertemperatur	erfüllt durch Forderung nach Punkt 2	entfällt
4. Zweistufiger Brennerbetrieb	Mindest-Kesselleistung 1. Stufe: 60%	Brennereinstellung
5. Modulierender Brennerbetrieb	entfällt jedoch _Rmin = 50°C	siehe Punkt 2
6. Nachtabsenkbetrieb	keine Forderung Totalabschaltung	über Zeitschaltuhr
7. Wochenendabsenkbetrieb	keine Forderung Totalabschaltung	über Zeitschaltuhr

In Bild 2 ist ein solches Hydraulikkonzept als Beispiel aufgeführt, wo Mindest-Rücklauftemperaturen als spezielle Betriebsbedingung eingehalten werden können.

Diese Betriebsbedingungen führen dazu, daß zusätzliche Bauteile wie Kesselkreis- oder Beimischpumpe und spezielle Stellglieder eingebaut werden müssen. Für den Anlagenplaner stellt sich aber oft die Frage, wann muß welche Maßnahme eingesetzt werden. Beispielsweise ist die Frage, wann habe ich eine Anlage mit großem Wasserinhalt, nicht immer eindeutig zu beantworten. Daraus resultiert dann auch die Unsicherheit, ob die eingesetzten und geplanten Maßnahmen für den sicheren Heizkesselbetrieb ausreichend sind.

Aufgabe und Ziel moderner Kesselkonstruktionen sollte es sein, werkseitig Heizkessel so auszustatten, daß eine hohe Sicherheit mit möglichst niedrigem Aufwand schon in der Phase der Anlagenplanung erzielt wird. Weiterhin haben vereinfachte Rahmenbedingungen für die Heizkesselanlage den Vorteil, daß auch der Anlagenersteller weniger Fehlerquellen bei der Installation und bei der Einstellung hat.

Neue Wege in der Kesseltechnik

Bei modernen Niedertemperatur-Heizkesseln ist das Ziel der maximalen Brennstoffeinsparung so gut wie erreicht. Insbesondere im mittleren und größeren Leistungsbereich muß es Ziel sein, die Kesselkonstruktion so auszulegen, daß eine Gesamt-System-Optimierung möglich ist. Das heißt, neben dem Brennstoffverbrauch ist auch die Hilfsenergie für anlagentechnische Komponenten zu berücksichtigen. Somit ist z.B. die Kesselkreis- oder Beimischpumpe (für die Einhaltung der Mindest-Rücklauftemperatur) bezüglich ihrer elektrischen Hilfsenergie zu berücksichtigen. Häufig werden die Heizkreis-Umwälzpumpen überdimensioniert, so daß ein höherer Stromverbrauch mit einer höheren Umweltbelastung auftritt.

Bild 3: Der Ecostream-Gußheizkessel.

Am Beispiel des in Bild 3 dargestellten neuen Ecostream-Gußheizkessels mit der speziell für die Niedertemperatur-Betriebsweise entwickelten Thermostream-Technologie soll deutlich gemacht werden, wie durch eine optimierte Kesselkonstruktion ohne Mindest-Rücklauftemperaturen im Leistungsbereich über 100 kW eine Anlagenoptimierung bei einfacher Anlagenplanung möglich ist. Voraussetzung für die Anlagenoptimierung ist, daß dieser Ecostream-Heizkessel keine Anforderungen an die Mindest-Rücklauftemperatur, keine Anforderungen an den Mindest-Volumenstrom und keine Anforderungen an die Mindest-Brennerleistung stellt. Damit ergibt sich für die Anlagenplanung das Ergebnis eines vereinfachten Anlagenkonzeptes wie es bei Kleinanlagen die Regel ist. Die Thermostream-Technologie des Ecostream-Heizkessels stellt hierfür die Technologie-Basis.

Diese Technologie bedeutet, daß durch die gezielte schwerkraftunterstützte Wasserzirkulation im Heizkessel das Rücklaufwasser mit dem erwärmten Vorlaufwasser vermischt wird. Damit wird sichergestellt, daß im stationären Bereich kaltes Rücklaufwasser nicht mit heizgasberührten Wärmeübertragungsflächen in Berührung kommt. Dadurch wird verhindert, daß das Abgas an den Heizflächen kondensiert.

Funktion Thermostream-Technologie

Der im Bild 3 dargestellte Ecostream-Heizkessel nutzt die Thermostream-Technologie. Mittels Simulationsprogrammen konnte das Strömungs- und Auftriebsverhalten sowie die Temperaturen im Heizkessel berechnet und einfach optimiert werden. Wassermenge, Zirkulation, Wärmezufuhr und andere sich ständig verändernde Einflußgrößen sind bei dieser Simulationsrechnung berücksichtigt worden.

Die Gußglieder des Kessels werden im Gegensatz zu herkömmlichen Gußheizkesseln durch die obere Nabe wasserseitig miteinander verbunden (Bild 4). In diese nun größer dimensionierte Vorlaufnabe ist das Rücklauf-Einspeiserohr integriert. Im Einspeiserohr sind für jedes Kesselglied zwei symmetrisch gegenüberliegende Bohrungen angebracht. Sie dosieren den Zufluß des Rücklaufwassers, so daß alle Kesselglieder gleichmäßig mit Wasser versorgt werden. Die groß dimensionierte Vorlaufnabe mit dem integrierten Einspeiserohr sind die zentralen Bauteile der Thermostream-Technologie.

Das Wasser in den Heizkesselgliedern zirkuliert durch die starke Erwärmung im direkt um den Feuerraum liegenden Wasserbereich. Wärmeres Wasser steigt von unten nach oben auf und läßt kälteres Wasser im äußeren Bereich von oben nach unten nachströmen. Ohne besondere Maßnahmen würden die äußeren Heizflächen mit kaltem Rücklaufwasser beaufschlagt. An diesen Stellen entsteht die Gefahr der Heizgas-Kondensation mit zu erwartenden Korrosionserscheinungen.

Bild 4: Funktion Thermostream-Technologie

Um dieses Gefahrenpotential auszuschließen, wurde für die Ecostream-Heizkessel die große Vorlaufnabe mit dem Einspeiserohr erfunden. Diese Bauteile bewirken, daß kaltes Rücklaufwasser über die Bohrungen des Einspeiserohres mit hoher Geschwindigkeit in die Vorlaufnabe in Richtung des äußeren Kesselgliedes eingespritzt wird.

Das kalte Rücklaufwasser zieht nun durch Injektion einen Teilstrom des erwärmten Kesselwassers mit in den äußeren Kesselgliedbereich, wodurch das kalte Rücklaufwasser sehr schnell erwärmt wird. Um diesen Temperaturanhebungs-Effekt zu verstärken, haben Ecostream-Heizkessel im oberen Nabenbereich noch ein Wasserleitelement. Dieses verstärkt den Injektions-Effekt, indem das erwärmte Kesselwasser über das Wasserleitelement in den Injektionsbereich des kalten Rücklaufwassers gelenkt wird. Das erwärmte Kesselwasser, das nicht an dem Injektionsprozeß teilnimmt, strömt im Bereich der Vorlaufnabe nach oben und fließt zum Vorlaufanschluß.

Die Thermostream-Technologie funktioniert bei allen Wasserdurchsätzen. Kaltes Rücklaufwasser vermischt sich mit dem warmen Kesselwasser unmittelbar nach dem Austritt aus dem Einspeiserohr. Fließen große Wassermengen im Heizungsanlagen-Kreislauf, so verstärkt das schnell einströmende Rücklaufwasser die Wasserzirkulation im Heizkessel. Die Temperatur zwischen warmem Kesselwasser und kaltem Rücklaufwasser gleichen sich sehr schnell aus, so daß im Wasserraum des Heizkessels Temperaturdifferenzen von nur wenigen Kelvin auftreten.

Das Prinzip der Thermostream-Technologie ist funktionell einer Anlage mit hydraulischer Weiche gleichzusetzen. Auch hier ist eine Entkopplung zwischen Kessel- und Heizkreis erreicht. Im Gegensatz zur hydraulischen Weiche wird jedoch die Heizwasser-Umwälzung nicht durch eine Pumpe, sondern durch Schwerkraftwirkung hergestellt.

Bild 5: Temperaturverteilung im Heizkessel.

Der Vorteil dieser natürlichen Wasserzirkulation ist die gleichmäßige Temperaturverteilung im Wasserbereich des Ecostream-Heizkessels (Bild 5). Weiterhin wird deutlich, daß das kalte Rücklaufwasser, in diesem Beispiel 15°C, auf sehr kurzem Wege temperaturmäßig angehoben wird. Wenn das Rücklaufwasser die ersten Heizflächen erreicht, ist die Temperatur bereits so weit angehoben, daß keine Unterkühlung der Heizflächen durch kaltes Rücklaufwasser auftreten kann. Damit wird die Abkühlung der Heizgase unter den Taupunkt wirkungsvoll verhindert; es kann sich kein korrosiv wirkendes Kondensat bilden. Die Thermostream-Technologie ermöglicht den trockenen Betrieb des Heizkessels ohne besondere anlagentechnische Maßnahmen und ohne Maßnahmen zur Rücklauftemperatur-Anhebung. Beimischpumpen können entfallen. Besondere energetisch nicht sinnvolle Maßnahmen wie Sockeltemperatur im abgesenkten Heizbetrieb oder am Wochenende sind nicht erforderlich. Dadurch vereinfacht sich der Anlagenaufbau erheblich.

Beispiel einer vereinfachten Anlagentechnik

Bild 6: Einkesselanlage mit Ecostream-Heizkessel, Nennleistung 500 kW, ohne Mindest-Rücklauftemperatur.
Vorteile der Ecostream-Heizkessel mit Thermostream-Technologie:

keine bauseitigen Maßnahmen zur Rücklauftemperaturanhebung erforderlich,
eine Beimischpumpe wird nicht benötigt,
hydraulische Entkopplung von Vor- und Rücklauf durch große Vorlaufnabe und Einspeiserohr,
keine Thermoschockgefahr bei plötzlich eintretendem kaltem Rücklaufwasser, kompakte Bauweise durch wärmetechnisch optimierte Direktheizfläche,
einfache hydraulische Einbindung in die Heizungsanlage.

Auswirkungen auf den praktischen Betrieb

Bei den Ecostream-Heizkesseln sind die Voraussetzungen gegeben, um unter Berücksichtigung des gesamten Heizsystems neue Einsparmöglichkeiten bei Energie- und Investitionskosten zu erschließen. Durch den Betrieb ohne besondere Betriebsbedingungen kann der Anlagenplaner mit dem Anlagenersteller auch noch in der Installationsphase Optimierungen realisieren. So kann etwa in dieser Phase die Brennereinstellung der Kleinstlast optimiert werden, da der Ecostream-Heizkessel keine besonderen Anforderungen an eine Mindest-Brennerleistung stellt.

Da bei Ecostream-Heizkesseln keine Beimischpumpe erforderlich ist, ergeben sich ein geringer Planungsaufwand und reduzierte Investitions- und Montagekosten. Für eine Heizungsanlage von ca. 500 kW Nennleistung kann hierdurch ein Einsparpotential bei Investitions- und Montagekosten von ca. 1500,- DM erzielt werden.

Bild 6: Heizungsanlage mit Ecostream-Heizkessel (Nennleistung 500 kW) ohne Begrenzung der Mindestrücklauftemperatur.

Die bei Ecostream-Heizkesseln nicht erforderliche Beimischpumpe ergibt weiterhin den Vorteil von reduzierten Stromkosten. Für eine Heizungsanlage mit 500 kW Nennleistung ergibt sich bei einer durchschnittlichen Laufzeit der Beimischpumpe von 3500 h/Jahr mit ca. 300 W Leistungsaufnahme eine Stromeinsparung von ca. 1050 kWh/Jahr. Dies ergibt bei 0,3 DM/kWh Strom Betriebskosteneinsparungen von ca. 315,- DM/Jahr. Weniger Stromverbrauch bedeutet zusätzlich für das o.g. Beispiel eine CO₂-Reduzierung von ca. 600 kg/Jahr.

Moderne Kesselkonstruktionen wie die Ecostream-Heizkessel ermöglichen auch risikolos den Einsatz von drehzahlgeregelten Heizkreis-Umwälzpumpen ohne besondere Maßnahmen. In der Heizungsanlagen-Verordnung heißt es: "Nach dem 01.01.1996 eingebaute Umwälzpumpen müssen bei Kesselleistungen ab 50 kW so ausgestattet oder beschaffen sein, daß die elektrische Leistungsaufnahme dem betriebsbedingten Förderstrom selbsttätig in mindestens drei Stufen angepaßt wird, soweit sicherheitstechnische Belange des Wärmeerzeugers dem nicht entgegenstehen."

Durch die bedarfsabhängige Drehzahlregelung der Heizkreis-Umwälzpumpen wird die Temperaturspreizung von Vor- und Rücklauf automatisch vergrößert. Dies führt zu niedrigeren Rücklauftemperaturen, für die eine moderne Kesselkonstruktion geeignet sein muß. Ist die Kesselkonstruktion hierfür nicht geeignet, muß eine Rücklauftemperaturanhebung eingesetzt werden.

Im Rahmen der Gesamt-System-Optimierung ist in der Planungsphase zu prüfen, ob die Heizflächen mit einer größeren Temperaturspreizung von Vor- und Rücklauf ausgelegt werden können. Zum Beispiel ist statt einem D = 10 K eine Temperaturdifferenz im Bereich von 20 bis 25 K möglich. Dies führt dann zu dem positiven Ergebnis, daß der Heizkreis-Volumenstrom im Auslegungsfall verkleinert wird. Die Heizkreis-Umwälzpumpen und Ventile werden kleiner. Dadurch werden zusätzlich Investitions- und Betriebskosten eingespart. Ein geringerer Heizkreis-Volumenstrom bedeutet weiterhin eine Reduzierung der Stromkosten und niedrigere CO₂-Emissionen. Auch hierfür bieten moderne Kesselkonstruktionen wie die Ecostream-Heizkessel ohne Mindest-Rücklauftemperatur die besten Voraussetzungen, ohne daß zusätzliche anlagentechnische Maßnahmen vorgesehen werden müssen.

Zusammenfassung

Ecostream-Heizkessel beweisen, daß bei konsequent optimierten Kesselkonstruktionen auf periphere Maßnahmen wie Beimischpumpe und aufwendige Regelbausteine verzichtet werden kann. Neben den Vorteilen der geringeren Investitionskosten und Betriebskosten wird durch eine einfachere Installation und Planung die Robustheit der Gesamtanlage erhöht. Ecostream-Heizkessel bieten aber auch die Voraussetzung für eine Gesamt-System-Optimierung. In diesem Fall sind beispielsweise Auslegungstemperaturen, Heizkreis-Umwälzpumpen und Ventile unter dem Aspekt der günstigsten ökonomischen und ökologischen Lösung einzusetzen.

B i l d e r : Buderus Heiztechnik GmbH

L i t e r a t u r :
[1] BDH-Informationsblatt Nr. 2 (März 1989)

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