IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 11/1996, Seite 23 ff.

HEIZUNG

Wärmeerzeuger für flüssige und gasförmige Brennstoffe

Dipl.-Ing. Rolf Egger

Die Entwicklung neuer innovativer Heizungstechniken wurde im wesentlichen geprägt von politischen, wirtschaftlichen oder neuerdings ökologischen Problemen. So war einer der gravierendsten Folgen der Energiekrise Mitte der siebziger Jahre der drastische Anstieg der Energiepreise, was in allen Bereichen der Industrie und Wirtschaft zwangsläufig zu Energieeinsparungsmaßnahmen führte. Für die Gebäudeheizung wurden "Niedertemperaturwärmeerzeuger" entwickelt, die gegenüber den bis dahin gebräuchlichen "Konstanttemperaturkesseln" bis zu 30% Brennstoff weniger verbrauchten. Dennoch schätzt man, daß auch heute noch schätzungsweise fünf Millionen dieser energiefressenden Heizwärmeerzeuger im Einsatz sind.

Das Anfang der achtziger Jahre im größeren Umfang fortschreitende Waldsterben war eine Folge zunehmender Luftverschmutzung und des "sauren Regens". Hauptverursacher hierfür sind die bei der Verbrennung aller fossilen Primärenergieträger als Nebenreaktion gebildeten Stickoxide (NOx). In der höheren Atmosphäre zerfallen die Stickoxide unter der Einwirkung von Sonnenstrahlung zu Ozon und bilden zusammen mit der Luftfeuchtigkeit Salpetersäure. Seit etwa Mitte der achtziger Jahre diese Zusammenhänge nachgewiesen waren, wurden Maßnahmen zur Stickoxidreduzierung entwickelt. Sie entstehen als thermisches NOx in verstärktem Maße bei Temperaturen über 1600°C und können nachträglich nur schwer reduziert werden.

Neben den Stickoxiden gewinnt in den letzten Jahren die CO2-Emission zunehmend an Bedeutung. Der Grund sind die Warnungen der Klimaforscher vor einem weiteren antrophogenen CO2-Anstieg in der Atmosphäre. Sie befürchten, daß der hieraus resultierende Treibhauseffekt mit einem Temperaturanstieg auf der Erde verbunden ist, der die klimatischen Verhältnisse so aus dem Gleichgewicht geraten läßt, daß hieraus ökologische Katastrophen unüberschaubaren Ausmaßes drohen. Deshalb hat die Bundesregierung das Ziel gesetzt, innerhalb der BRD die CO2-Emission bis zum Jahre 2005 um 25% zu reduzieren.

Bild 1: Verbrennungsprozeß.

Alle natürlichen fossilen Energieträger bestehen fast ausschließlich aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H). Deshalb entstehen bei der Verbrennung unvermeidlich Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Es gibt somit keine Chancen, Kohlendioxid völlig zu vermeiden, solange man bei der Verbrennung und Energieumwandlung auf fossile Energieträger angewiesen ist. Die Anteile an Kohlenstoff und Wasserstoff sind jedoch in den verschiedenen Primärenergieträgern unterschiedlich verteilt. Kohlenstoffreiche und wasserstoffarme Brennstoffe verursachen eine höhere CO2-Emission als Brennstoffe mit niedrigem Kohlenstoff- und höherem Wasserstoffgehalt (Bild 1). Die Konsequenz ist, daß beim Einsatz von Primärenergieträgern eine CO2-Reduzierung nur durch die Wahl der Brennstoffe und Energieeinsparung möglich ist. Auf Heizwärmeerzeuger angewandt bedeutet dies eine bessere Energieausnutzung der Brennstoffe und damit einen höheren Nutzungsgrad.

Niedertemperatur-Heizkessel

Durch den Wasserstoffanteil aller fossilen Primärenergieträger entsteht bei der Verbrennung unvermeidlich Wasserdampf im Heizgas als Reaktionsprodukt. Konventionelle Heizkessel sind konstruktiv so ausgelegt, daß eine Kondensation des Wasserdampfes (Schwitzen) innerhalb des Kessels und der angeschlossenen Abgasanlage weitgehend vermieden wird. Die einfachste und kostengünstigste Methode ist die Anhebung der Kesselwassertemperatur über den Wasserdampftaupunkt der Heizgase. Je nach Luftüberschuß (CO2-Einstellung) der Verbrennung, liegt dieser bei Erdgas bei ca. 58°C und bei Heizöl ca. 48°C. Bis Ende der siebziger Jahre baute man "Konstanttemperaturkessel", bei denen eine Taupunktunterschreitung durch die ständige Aufrechterhaltung einer Kesselwassertemperatur über 65°C verhindert wird. Aufgrund der Diskrepanz zwischen angehobener Kesselwassertemperatur und witterungsgeführter, gleitender Vorlauftemperatur, entstehen erheblich Energieverluste, so daß der Nutzungsgrad nur bei ca. 70 bis 80% liegt. D.h. 20 bis 30% der Primärenergie gehen für die Gebäudebeheizung durch Bereitschaftsenergieverbrauch, hohe Abgas- und Abstrahlverluste, verloren.

Das Protokoll der Schornsteinfeger erfaßt hierbei nur eine Verlustgröße, den Abgasverlust bei Nennlast. Weder Abgasverlust noch feuerungstechnischer Wirkungsgrad sind geeignet, eine Heizungsanlage nach ihrer Wirtschaftlichkeit zu beurteilen. Selbst wenn der Abgasverlust weit unter den gesetzlichen Anforderungen liegt, kann die Energieausnutzung (Nutzungsgrad) eines alten "Konstanttemperatur-Heizkessels" nur bei 70 bis 80% liegen.

Bild 2: Heizkennlinie: Konstant-Niedertemperaturkessel.

Eine Steigerung des Nutzungsgrades ist nur durch eine Reduzierung sämtlicher Verluste möglich. Neben dem Abgasverlust, als eine der größten Verlustquelle, wird der Nutzungsgrad durch den Betriebsbereitschafts- und die Abstrahl- bzw. Oberflächenverluste bestimmt.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen wurden Niedertemperaturkessel entwickelt. Sie ermöglichen einen gleitenden, abgesenkten Betrieb der Kesselwassertemperatur je nach Außentemperatur und Wärmebedarf. Dabei kann die Kesselwassertemperatur bis auf Raumtemperatur abgesenkt werden, ohne daß es an den Heizflächen zum gefürchteten "Schwitzen" und zu Korrosionsschäden kommt. Einen besonderen Schutz gegenüber Schwitzwasserbildung und Taupunktkorrosion bieten zweischalige "biferrale" Heizflächen.

Wärmeübertragung an Konvektionsheizflächen

Die grundsätzliche Funktionsweise soll an Hand eines modernen 3-Zug-Niedertemperaturkessels erläutert werden. 3-Zug-Kessel erzeugen wegen der kürzeren Verweilzeit der heißen Verbrennungsgase innerhalb der Brennkammer weniger NOx als 2-Zug-Umkehrflammkessel (Bild 3).

Bild 3: Vitola-biferral.

Die bei der Verbrennung entstehende Wärme wird zu ca. 1/3 in der Brennkammer als Wärmestrahlung übertragen. Danach strömen die Heizgase mit ca. 600 bis 700°C aus der hinten offenen Brennkammer in den zweiten Zug. Der dritte Zug sind die Konvektionsheizflächen in denen die Heizgase auf ca. 140 bis 160°C Abgastemperatur abgekühlt werden. Über den Abgassammelkanal und Abgasstutzen strömen die Abgase in die Abgasanlage.

Der konvektive Wärmedurchgangskoeffizient k vom Heizgas an das Kesselwasser ergibt sich aus der Summe der einzelnen Wärmeübergangswiderstände.

Es bedeuten:

aH2O [W/m2K] Wärmeübergangskoeffizient Wasser

aHG [W/m2K] Wärmeübergangskoeffizient Heizgas

l [W/m K] Wärmeleitwiderstand Wandmaterial

d [m] Wanddicke

Bei der Wärmeübertragung ist die Wärmestromdichte:

 

Die Temperaturdifferenzen verhalten sich demnach umgekehrt proportional zu den Wärmeübergangskoeffizienten.

Aufgrund dessen, daß der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient, aH2O 1000 W/m2K, ca. 25 bis 40fach höher liegt als der heizgasseitige, aHG 40 W/m2K wird die Oberflächentemperatur auf der heizgasbeaufschlagten Heizfläche im wesentlichen durch die Wassertemperatur bestimmt. Liegt diese unter dem Wasserdampftaupunkt, kondensiert der Wasserdampf auf der Heizfläche auch bei Heizgastemperatur weit über dem Taupunkt. Aus diesem Grunde schwitzen Kessel bei Kesselwassertemperatur, die nur geringfügig unterhalb des Wasserdampftaupunktes liegen. Praktischer Beweis, das Schwitzen von Konstanttemperaturkesseln auch noch bei Abgastemperaturen im Bereich 200°C und höher.

Wirkungsweise zweischaliger Verbundheizflächen mit dosiertem Wärmedurchgang

Mit zweischaligen, biferralen Verbundheizflächen, wie sie für Niedertemperaturkessel entwickelt wurden, kann das "Schwitzen der Heizflächen" verhindert werden. Der physikalische Effekt ist vergleichbar dem einfacher oder doppelt verglaster Fensterscheiben. Nasse, beschlagene Fenster sind bei einfacher Verglasung eine bekannte Erscheinung. Warme Raumluft kühlt an kalten Fensterscheiben ab und die Luftfeuchtigkeit kondensiert. Die Scheiben beschlagen. Doppelt verglaste Fenster dagegen beschlagen so gut wie nie. Der Luftspalt zwischen den beiden Scheiben wirkt als zusätzlicher Wärmeleitwiderstand. Damit wird verhindert, daß die Luft an der raumseitigen Scheibe soweit abkühlen kann, daß Luftfeuchtigkeit auskondensiert.

Beim Durchströmen des Kessels nimmt die Heizgastemperatur zum Kesselende hin kontinuierlich ab. Die Temperaturdifferenz zwischen Heizgas und Kesselwasser verringert sich. Sobald die Wassertemperatur geringfügig unter dem Wasserdampftaupunkt liegt, nimmt die Gefahr der Wasserdampfkondensation auf der heizgasbeaufschlagten Heizfläche zu. Dieser Tendenz wird durch eine kontinuierliche Verringerung des k-Wertes mit zweischaligen (biferralen) Heizflächen entgegengewirkt. Sie bestehen aus einem äußeren (wasserseitigen) Stahlzylinder, in dem heizgasseitig Gußelemente mit axialen Rippen eingeschrumpft sind (Bild 4). Zum Ende der Heizflächen, wo die Heizgastemperaturen am niedrigsten sind, ist die Kondensationsgefahr am größten. In diesem Bereich wird zwischen den Gußrippensegmenten und Stahlzylinder ein definierter Spalt vorgesehen, der den Wärmeleitwiderstand so dosiert, daß auch bei niedrigsten Kesselwassertemperaturen eine Taupunktunterschreitung wirkungsvoll verhindert wird.

Damit können die Kesselwassertemperaturen entsprechend der Witterung gleitend angepaßt werden. Dies bewirkt nicht nur eine entscheidende Verringerung des Bereitschaftsenergieverbrauches und der Abstrahlverluste, sondern auch eine im Jahresmittel deutlich reduzierte Abgastemperatur und damit der Abgasverluste. Moderne Niedertemperaturkessel erreichen Normnutzungsgrade hN bis 95%.

Kesselwasserinhalt und Schalthäufigkeit

Neben dem Nutzungsgrad eines Kessels ist die Schalthäufigkeit des Brenners für die Anfahremissionen und dem Regelverhalten der gesamten Heizungsanlage von ausschlaggebender Bedeutung. Die Schalthäufigkeit ist einmal von der Heizlast, zum anderen von der Kesselkonstruktion, dem Kesselwasserinhalt und der Schalthysterese abhängig. Untersuchungen haben ergeben, daß das Maximum der Schalthäufigkeit bei 50% Kesselauslastung liegt. Sowohl bei größerem als auch bei kleinerem Wärmebedarf nimmt die Schalthäufigkeit ab. Kessel mit größerem Wasserinhalt haben eine um 25 bis 90% geringere Schalthäufigkeit als Wärmeerzeuger mit geringem Wasserinhalt.

Die elektrische Leistungsaufnahme der Umwälzpumpen ist auch abhängig von den hydraulischen Widerständen der Kessel Pel = f(Dp)2. Kessel mit größerem Wasserinhalt haben weite Wasserwände und demzufolge geringere wasserseitige Widerstände. Es ergeben sich somit für die Umwälzpumpen geringere Stromverbräuche. Auf eine Zwangsdurchströmung kann in der Regel verzichtet werden.

Weite Wasserwände bieten auch im Hinblick auf Einschwemmungen von Rost und Schlamm aus
der Heizungsanlage ein Höchstmaß an Betriebssicherheit. Dies ist vor allem bei der Modernisierung ein wichtiges Kriterium.

Grenzen der Energieausnutzung konventioneller Niedertemperaturkessel

Die maximalen Nutzungsgrade von Niedertemperaturkesseln werden bestimmt durch die minimale Abgastemperatur, bei der Kessel im Beharrungszustand gerade noch trocken bleiben. Die Zusammenhänge werden deutlich, wenn man die Haupteinflußgrößen für den Kesselwirkungsgrad betrachtet. Aus dem Kesselwirkungsgrad über die Heizzeit geht der Normnutzungsgrad hervor.

Sowohl der Kesselwirkungsgrad, als auch der Nutzungsgrad werden im wesentlichen durch den Abgasverlust "qA" bestimmt. Neben den brennstoffspezifischen Konstanten A1 und B sind die variablen Größen für den Abgasverlust, die Abgastemperatur JA und der Luftüberschuß bei dem die Verbrennung stattfindet, unten ausgedrückt im CO2-Wert. Während der maximal stabil einstellbare CO2-Wert die Güte der Verbrennung (Brenner) repräsentiert, hängt die minimale Abgastemperatur von der Kesselkonstruktion ab. Bei Niedertemperaturkesseln liegt die minimale Abgastemperatur aus korrosionstechnischen Gründen (trockenen Heizflächen) im Bereich JA min = 140 bis 160°C.

 

Hierfür folgendes Beispiel:

Niedertemperaturkessel betrieben mit Erdgas L:
CO2 = 10,5%
JA min =160°C

qA = (160 - 20) ·

qA = 6,2%

Schlußfolgerung

Die besondere Eigenschaft moderner Niedertemperatur-Heizwärmeerzeuger ist, daß bei niedrigen Kesselwassertemperaturen der bei der Verbrennung als Reaktionsprodukt entstehende Wasserdampf nicht kondensiert und die Heizflächen "trocken" bleiben. Die im Wasserdampf enthaltene latente Wärme wird aus korrosionstechnischen Gründen als "unvermeidlicher Verlust" hingenommen. Aus diesem Grunde beziehen sich auch heute noch, traditionell bedingt, alle Wirkungs- und Nutzungsgrade auf den unteren Heizwert der Brennstoffe, der die im Wasserdampf enthaltene latente Wärme nicht berücksichtigt. Die physikalische Grenze des Energieinhaltes eines Brennstoffes ist jedoch sein oberer Heizwert (Brennwert), der die volle Kondensationswärme bei Abkühlung der Heizgase bis auf Umgebungstemperatur mit einschließt.

Grundlagen der Brennwerttechnik und CO2-Minderung

Der Energiegewinn eines Brennwert- gegenüber einem Niedertemperatur-Wärmeerzeugers resultiert nicht, wie vielfach angenommen wird, nur aus dem Kondensationswärmegewinn, sondern auch zu einem wesentlichen Teil aus einem geringeren Abgasverlust.

Bild 5: Formel Kesselwirkungsgrad Brennwertkessel.

Eine grundsätzliche, energetische Bewertung der Zusammenhänge läßt sich, wie bereits angeführt, an Hand des Kesselwirkungsgrades durchführen. Gegenüber einem konventionellen Kessel wird die Wirkungsgradformel um den Summanden für den Kondensationswärmeanteil erweitert (Bild 5). Dieser ergibt sich aus den brennstoffspezifischen Konstanten des oberen und unteren Heizwertes Ho und Hu, multipliziert mit der variablen Kondensatzahl "a". Sie gibt das Verhältnis der in einem Brennwertkessel tatsächlich anfallenden Kondenswassermenge zu der als Reaktionsprodukt entstehenden Wasserdampfmenge an. Je größer die Kondenswassermenge, desto näher a -> 1, um so effektiver ist eine Brennwertanlage. Die Einflußgrößen hierfür hängen zum einen von der Güte des Brennwertkessels, zum anderen von der Auslegung des Wärmeverteilungssystems ab. Als wichtigste Punkte sind hierzu zu nennen:

Gegenüber Niedertemperaturkesseln, wo, wie bereits oben erwähnt, die minimale Abgastemperatur aus korrosionstechnischen Gründen nach unten begrenzt ist, gibt es bei Brennwertkesseln keine untere Begrenzung der Abgastemperatur. Im Gegenteil, je niedriger die Abgastemperatur, um so größer ist die Kondenswassermenge und damit die Kondensatzahl "a-> 1". Gleichzeitig bewirkt eine niedrigere Abgastemperatur einen geringeren Abgasverlust. Dies bedeutet, daß bei Brennwertkesseln neben dem Energieanteil aus der Wasserdampfkondensation die bessere Energieausnutzung auch aus einem geringen Abgasverlust resultiert. Die Unterschiede der Brennstoff-Energieausnutzung eines Niedertemperatur- gegenüber eines Brennwertkessels sind in Bild 6 dargestellt.
Fazit: Der resultierende Kesselwirkungsgrad eines Brennwert-Wärmeerzeugers setzt sich somit zusammen aus einem sensiblen und einem latenten Anteil.

Bild 6: Graphik. Vergleich Brennstoffausnutzung Niedertemperatur-Brennwertkessel.

Konstruktive Anforderungen an Brennwert-Wärmeerzeuger

Die Anforderungen an die Funktionsweise der Heizflächen sind bei Brennwertkesseln, verglichen mit Niedertemperaturkesseln, gegenläufig. Während Niedertemperaturkessel trocken bleiben sollen, ist das Bestreben bei Brennwertkesseln, möglichst viel Wasserdampf zu kondensieren. Dabei können beim Durchströmen der Heizgase durch den Kessel, je nach der Konstruktionsart der Heizflächen, zwei Kondensationsformen auftreten. Eine Kondensation entsteht als Nebel im Heizgasstrom, sobald die Heizgastemperatur unter den Taupunkt absinkt. Die andere Kondensationsform findet bei einschaligen Heizflächen als "Beschlagen" der Heizfläche statt, sobald die wasserseitige Temperatur nur wenige Grade unter dem Wasserdampf-Taupunkt liegt. Der Vorteil der Kondensation auf der Heizfläche liegt in der niedrigeren Außentemperaturgrenze, bei der Kondensation noch aufrecht erhalten werden kann. Dies wirkt sich besonders in Verbindung mit konventionellen Wärmeverteilungssystemen aus, die nicht als Niedertemperaturheizflächen ausgelegt sind, z.B. tV/tR = 75/60°C, (Bild 7).

Bild 7: Jährlicher Heizarbeitsanteil "Brennwertnutzung" mit normalem Wärmeverteilungssystem 75/60°C.

 

Hierfür müssen die Heizflächen optimiert werden. Einerseits sollte die Abgastemperatur möglichst niedrig liegen, (ca. 10 bis 15 K über der Rücklauftemperatur), andererseits eine intensive Kondensation (Beschlagen) auf den Heizflächen stattfinden. Besonders geeignet hierfür sind senkrecht angeordnete, einschalige Plattenheizflächen aus Edelstahl. Heizgase und Kondenswasser werden im Gleichstrom mit der Schwerkraft von oben nach unten geführt. Damit werden die Heizflächen kontinuierlich mit dem leicht sauren Kondenswasser gespült, was für einen Selbstreinigungseffekt sorgt (Bild 8).

Bild 8: Schnitt Condensola-Brennwertkessel.
 

Alle Faktoren zusammengenommen, hohe Kondensationsraten und niedrige Abgastemperaturen bewirken, daß Brennwertkessel, je nach Wärmeverteilungssystem, Nutzungsgrade bis 108% erreichen. Eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Kesselkonstruktionen zeigt (Bild 9).

Bild 9: Nutzungsgrade verschiedener Kesselbauarten.
 

Moderne Brennwert-Wärmeerzeuger erreichen somit eine Primärenergieausnutzung bis nahe an die physikalische Grenze. Damit sind die Möglichkeiten des rationellen Energieeinsatzes und der
CO2-Minderung konventioneller Wärmeerzeuger ausgeschöpft. Eine über diese Grenzen hinausgehende Energieumwandlung und die Substitution fossiler Primärenergieträger ist nur noch über regenerative Energiesysteme möglich.

B i l d e r :   Viessmann Werke

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