IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 2/1998, Seite 30 ff.

HEIZUNGSTECHNIK

Ölfeuerungsanlagen mit raumluftunabhängiger Verbrennungsluftversorgung

Der Einsatz von Wärmetauscherschornsteinen

Dipl.-Ing. Stefan Böttcher *
Dr. Christian Küchen **

Beim Neubau und bei der Modernisierung von Heizungsanlagen werden heute meist hocheffiziente Heizgeräte eingesetzt. Dennoch bleiben in vielen Fällen Energieeinsparpotentiale unerschlossen, deren Größe nicht unterschätzt werden sollte. Ein Beispiel hierfür ist die Frage der Verbrennungsluftversorgung.

1. Ausgangssituation

Durch die Installation einer raumluftunabhängigen Verbrennungsluftversorgung im Gegenstrom zur Abgasabführung kann nicht nur der Nutzungsgrad der Heizanlage gesteigert, sondern zusätzlich in erheblichem Maße die Auskühlung des Heizraums verringert werden. Auch für den Energieträger Heizöl EL sollte diese Technologie zukünftig eine größere Bedeutung erhalten.

Die Energiepreiskrisen der siebziger Jahre hatten erhebliche Weiterentwicklungen der Feuerungstechnik zur Folge. Aufgrund der besseren Energieausnutzung der Heizkessel und deutlich reduzierter Abgastemperaturen wurden auch zusätzliche Anforderungen an die Schornsteintechnik gestellt. Neben der Brandbeständigkeit und der Rauchgasdichtheit müssen moderne Abgassysteme feuchteunempfindlich und gut wärmegedämmt sein. Diese sind als hinterlüftete Schornsteine im Unterdruckbetrieb und Abgasleitungen im Überdruckbetrieb heute Stand der Technik. Schornsteine und Abgasleitungen werden nach der neuen Musterfeuerungsverordnung zu den Abgasanlagen zusammengefaßt.

Die Verbrennungsluftversorgung konventioneller Heizgeräte erfolgt heute überwiegend mit Raumluft. Brennwertkessel für den Energieträger Erdgas werden dagegen zum großen Teil raumluftunabhängig betrieben. Öl-Niedertemperatur- und Brennwertkessel sind heute fast ausschließlich mit Gebläsebrennern ausgestattet. Das Gebläse erlaubt bei entsprechender Auslegung die Überwindung von Strömungswiderständen im Kessel und im Luft-Abgas-System, so daß prinzipiell auch für den Energieträger Heizöl EL eine raumluftunabhängige Verbrennungsluftversorgung erfolgen kann.

Hierbei könnten als Weiterentwicklung der Schornsteintechnik sogenannte WTS-Systeme (Wärmetauscherschornstein) zum Einsatz kommen. Allerdings sind Ölgebläsebrenner in den auf dem Markt erhältlichen Ausführungen in den meisten Fällen noch nicht für den raumluftunabhängigen Betrieb vorgesehen.

2. Ziele der Messungen

Die Vorteile der raumluftunabhängigen Verbrennungsluftzuführung sind in vielen Berichten in der Fachpresse [1 bis 5] dargestellt worden. Dennoch kommt diese Technologie bei Ölfeuerungsanlagen bisher fast überhaupt nicht zum Einsatz. Um über die theoretischen Überlegungen hinaus in der Praxis Erfahrungen zu sammeln, ist über einen Zeitraum von 15 Monaten ein WTS-System mit angeschlossenem Ölheizkessel auf dem Prüfstand getestet worden.

Ziel war die Überprüfung der Betriebssicherheit und die Ermittlung des Energieeinsparpotentials einer modernen Ölheizungsanlage mit Wärmetauscherschornstein im Vergleich zu einer konventionell (mit raumluftabhängiger Verbrennungsluftversorgung) installierten Anlage. Der folgende Bericht beschreibt die praktischen Erfahrungen bei verschiedenen Betriebsbedingungen.

Bild 1: Schematische Darstellung des Aufbaus eines Wärmetauscher-Schornsteins mit den installierten Temperaturmeßstellen für die Versuchsdurchführung.
1. Mantelstein außen
2. Mantelstein innen
3. Verbrennungsluft Kernstrom
4. Innenrohr außen
5. Innenrohr innen
6. Abgas Kernstrom

3. Versuchsaufbau

Das untersuchte WTS-System bestand aus einem quadratischen Leichtbeton-Mantelstein und einem darin freistehenden keramischen Schornsteininnenrohr mit Profilierung (feuchteunempfindlich und säurebeständig). Das Innenrohr wurde durch Abstandshalter so zentriert und geführt, daß zwischen Innenrohr und Mantelstein ein gleichmäßiger Strömungsquerschnitt für den Transport der Verbrennungsluft vom Schornsteinkopf zum Brenner vorhanden war (Bild 1).

Bild 2: Versuchsaufbau einer Feuerstätte mit WTS-System.

Auf dem Prüfstand wurde eine Feuerstätte, bestehend aus einem Niedertemperaturkessel (Leistungsbereich 17 - 21 kW) mit Brenner und dem beschriebenen WTS-System, installiert (Bild 2). Die wirksame Schornsteinhöhe betrug ca. 9 m. Der eingesetzte Brenner war mit einem Stutzen am Gebläsegehäuse für eine raumluftunabhängige Verbrennungsluftzuführung ausgestattet. Dadurch war eine realistische Höhe des senkrechten Schornsteinabschnittes (Durchschnittshöhe im Bundesgebiet für den Wohnungsbereich: 10,15 m, [6]) gegeben.

Der Kessel war über ein ca. 0,7 m langes Verbindungsstück mit dem WTS-System verbunden. Das Verbindungsstück für die Verbrennungsluftzuführung zum Brenner bestand aus HT-Rohr (Innendurchmesser: 45 mm) mit einer Gesamtlänge zwischen Schornsteinaustritt und Brenner von ca. 1,7 m. Für die Erfassung aller wesentlichen Temperaturen wurden Pt 100 Meßfühler installiert. Neben verschiedenen Meßebenen (1 bis 4) für die komplette Erfassung des Temperaturprofils im senkrechten Schornsteinabschnitt wurden zusätzlich die Abgastemperatur am Kesselaustritt sowie die Temperatur der vorgewärmten Verbrennungsluft im Verbindungsstück direkt am Schornsteinaustritt gemessen und aufgezeichnet.

Beim raumluftunabhängigen Betrieb erfolgte die Verbrennungsluftzuführung über den Ringspalt im Schornstein. Der raumluftabhängige Betrieb wurde durch Ansaugung von Verbrennungsluft aus der umgebenden Raumluft realisiert. In dieser Betriebsweise wurde der Ringspalt im Schornstein durch den geöffneten Stutzen für die Verbrennungsluftzuführung als Hinterlüftungseinrichtung "umfunktioniert".

Das im Innenrohr anfallende Kondensat wurde über einen Ablauf einer Neutralisationseinheit zugeführt und anschließend über das Abwassernetz entsorgt. Die pH-Anhebung erfolgte durch handelsübliche Neutralisationsmittel auf Magnesium- bzw. Calciumbasis.

4. Versuchsdurchführung

Die Versuche wurden unter annähernd konstanten Betriebsbedingungen durchgeführt. Dazu waren die Kesselwassertemperaturen konstant auf 60°C im Vorlauf und 40°C im Rücklauf eingestellt. Der Brenner wurde mit einem CO2-Gehalt im Bereich von 12,5 bis 13% bei Rußzahl 0 betrieben.

Es erfolgte eine Aufteilung der Versuche in drei Abschnitte:

1. Für die Ermittlung des Energieeinsparpotentials wurde die Feuerstätte im raumluftabhängigen und raumluftunabhängigen Betrieb verglichen. Dazu wurden der Einfluß der Verbrennungsluftvorwärmung auf den Abgasverlust und die elektrische Leistungsaufnahme des Brenners ermittelt. Zusätzlich wurde überprüft, inwieweit die Verbrennungsluftvorwärmung die NOx-Emissionen beeinflußt. Die Versuche wurden bei im Winter typischen Außentemperaturen von - 5°C und 0°C mit einem Betriebszyklus 4 min. "Betrieb" und 6 min. "Stillstand" durchgeführt.

2. Für eine Aussage über die Betriebssicherheit wurde die Feuerstätte über einen Versuchszeitraum von 15 Monaten mit unterschiedlichen Takt- und Stillstandszeiten des Brenners betrieben. Dafür wurden Brennerbetriebsstunden und Einschalthäufigkeiten aufgezeichnet. Die Ermittlung der maximalen Vorwärmtemperatur der Verbrennungsluft wurde bei Außentemperaturen von ca. 23°C über einen Zeitraum von 150 min. unter stationären Bedingungen durchgeführt.

3. In einem weiteren Versuchsschritt wurden die Energieeinsparpotentiale durch das WTS-System im Vergleich zu einem hinterlüfteten Schornstein ermittelt. Dazu wurden die Luftauftriebsgeschwindigkeiten im Ringspalt bei raumluftabhängigem Betrieb gemessen. Über eine Erfassung der Oberflächentemperaturen konnte eine Abschätzung der abgegebenen Wärme durch freie Konvektion und Wärmestrahlung an die Raumluft vorgenommen werden.

5. Auswertung

Von entscheidender Bedeutung ist bei der energetischen Betrachtung die Wahl der Bilanzgrenze. Definitionsgemäß wird für die Ermittlung des Abgasverlustes die Bilanz ohne Berücksichtigung des Schornsteines gezogen. Einflüsse wie Luftvorwärmung im Schornstein und Wärmeentzug aus der umgebenden Raumluft werden nicht berücksichtigt. Dabei sind gerade die letztgenannten Punkte wesentlich für eine genauere Abschätzung von Energieeinsparpotentialen.

5.1 Energieeinsparpotentiale am Brenner/Kessel

Im Vergleich zwischen raumluftabhängigem und raumluftunabhängigem Betrieb mit taktender Fahrweise 4 min. "ein", 6 min. "aus" konnte unabhängig von den vorherrschenden Außentemperaturen eine Vorwärmung der Verbrennungsluft um 31 bis 35 K erzielt werden. Bei einer Erhöhung der Verbrennungslufttemperatur in dieser Größenordnung sind keine signifikanten Erhöhungen der NOx-Emissionen zu erwarten und konnten auch im Versuchsbetrieb nicht festgestellt werden.

Berechnet man den Abgasverlust im Vergleich zwischen Raumluft (18°C) und vorgewärmter Verbrennungsluft, ergeben sich abhängig von der Außentemperatur Energieeinsparungen von 0,5% bei - 5°C bzw. 0,85% bei 0°C Außentemperatur (Tabelle 1). Bei einer physikalisch korrekten Betrachtung sollte jedoch auch bei der raumluftabhängigen Betriebsweise die Außenlufttemperatur als Verbrennungslufttemperatur angesetzt werden (Veränderung der Bilanzgrenze). Bei dieser Betrachtungsweise errechnet sich eine Reduzierung des Abgasverlustes unabhängig von der Außentemperatur von 1,6%. Diese Werte bestätigen in Ihrer Größenordnung jährliche Einsparungen von 1,2%, die in [5] angegeben werden.

Tabelle 1: Energieeinsparung durch Verbrennungsluftvorwärmung

Bezugstemperatur = Heizraumtemperatur
(18°C)

Bezugstemperatur = Außentemperatur

Außentemperatur 0°C

0,85%

1,6%

Außentemperatur - 5°C

0,5%

1,6%

Von untergeordneter Bedeutung ist die Reduzierung des elektrischen Energiebedarfs des Brenners durch die Verbrennungsluftvorwärmung. Ein geringfügig geringerer Leistungsbedarf des Ölvorwärmers ergab eine Einsparung des gesamten elektrischen Energiebedarfs im untersuchten Fall von 1,1%.

5.2 Energieeinsparpotentiale durch das WTS-System

Von wesentlichem Einfluß für den Vergleich von raumluftunabhängigem und raumluftabhängigem Betrieb sind Wärmeverluste, die bei Abgasleitungen im Gleichstrombetrieb durch die vorgeschriebene Belüftung des Ringspalts entstehen. Heizraumtemperaturen von 20°C sind auch bei modernen sehr gut gedämmten Kesseln und Rohrleitungen üblich. Abhängig von den Außentemperaturen und Druckverhältnissen (Wind) können sich im Ringspalt nicht zu vernachlässigende Luft- und damit Energieströme einstellen.

Bild 3: Abschätzung des Einflusses von Volumenströmen im belüfteten Schornstein auf den zusätzlichen Energieverbrauch während einer Heizperiode im Vergleich zu einem WTS-System unter folgenden Annahmen: t = 6240 h, DT = 12 K, cp = 1 kJ/(kg · K), r = 1,28 kg/m³, Hu = 36.300 kJ/l, h = 0,9.

Zur Abschätzung der Größenordnung dieser Wärmeverluste wurden in Punktmessungen die Geschwindigkeit der Luft im Eintrittsstutzen in den Belüftungsquerschnitt (Ø 60 mm) gemessen. Es wurden Werte im Bereich von 1 bis 6 m/s ermittelt, die überwiegend von den Windverhältnissen abhängig waren. Die sich daraus ergebenden Volumenströme verursachen bei einer Temperaturdifferenz des Heizraums zur Außenluft einen entsprechenden Energieaustrag aus dem Gebäude. Eine Abschätzung dieser Energiemenge, umgerechnet auf Liter Heizöl EL, die durch das Heizsystem zusätzlich geliefert werden muß, ist in Bild 3 in Abhängigkeit vom Volumenstrom im Schacht unter den dargestellten Voraussetzungen gegeben. Der jährliche Heizölmehrverbrauch läßt sich dabei nach folgender Formel abschätzen:

Hierbei bedeuten:

v =

mittlere Luftgeschwindigkeit in der Belüftung in m/s

A =

freier Querschnitt des Schachtes in m²

t =

Heizperiode in h

DT =

mittlere Temperaturdifferenz in der Heizperiode zwischen Heizraum und Außenluft in K

cp =

Wärmekapazität der Luft (1 kJ/(kg · K))

r =

Dichte der Luft (1,28 kg/m³)

Hu =

Heizwert Heizöl EL (36.300 kJ/l)

h =

Wirkungsgrad der Heizungsanlage

Eine genauere Untersuchung an Anlagen in der Praxis ist sicherlich erforderlich, um eine exaktere Vorstellung zu bekommen, in welcher Größenordnung die hier nur grob abgeschätzten Verluste liegen. Festzustellen bleibt jedoch, daß diese bei Einsatz von WTS-Systemen mit dem damit verbundenen raumluftunabhängigen Betrieb von Feuerstätten nicht mehr auftreten.

5.3 Energieeinsparpotentiale durch Wärmeübergang vom Schornstein an das Gebäude

Darüber hinaus wurde beim untersuchten System der Wärmeübergang vom Schornstein an das Gebäude berücksichtigt. Aufgrund der Messung von Oberflächentemperaturen des Schornsteins auf den Ebenen 3 und 4 (Bild 2) konnte der Wärmeübergang durch Strahlung und freie Konvektion auf Raumluft von 20°C abgeschätzt werden. Aus den Temperaturaufzeichnungen ergibt sich, daß eine realistische Größenordnung für die mittlere Oberflächentemperatur während der Heizperiode bei ca. 24°C liegt. Wesentlich höhere Oberflächentemperaturen wurden nur bei extremen Betriebsbedingungen erreicht, die nur an wenigen Heiztagen auftreten werden.

Folgende Annahmen wurden für die Abschätzung getroffen:

Mit dem aus den Temperaturen und Flächen abgeschätzten Wärmestrom von 285 W ergibt sich eine jährliche Energiemenge von 1186 kWh, die in der Heizperiode über die Schornsteinoberflächen an beheizte Räume abgegeben wird. Berücksichtigt man den Anlagennutzungsgrad von 0,9, entspricht dies einer Heizölmenge von ca. 131 l.

6. Betriebssicherheit

Über den gesamten Versuchszeitraum von 15 Monaten mit 11630 Einschaltungen bei 1880 Betriebsstunden traten keine Störungen im Betrieb der Feuerstätte auf.

Die Ermittlung der maximalen Vorwärmtemperaturen der Verbrennungsluft ist insbesondere für Heizungsanlagen mit integriertem Brauchwasserspeicher von Interesse, die abhängig von der Größe des Speichers, 1 bis 3 mal täglich Brennerbetriebszeiten von über 20 min. aufweisen. Dabei ist insbesondere im Sommer bei hohen Außentemperaturen mit hohen Vorwärmtemperaturen der Verbrennungsluft zu rechnen. Eine Beeinträchtigung der Brennerfunktionsfähigkeit durch eine überhöhte Verbrennungslufttemperatur konnte auch nach 2,5 h Dauerbetrieb bei Außentemperaturen von 23°C nicht festgestellt werden. Bei Abgastemperaturen von 190°C am Kesselaustritt lag die maximale Verbrennungsluftvorwärmtemperatur bei 54,1°C. In einer möglichen praktischen Anwendung muß selbstverständlich in jedem Fall sichergestellt sein, daß maximal zulässige Verbrennungslufttemperaturen nicht überschritten werden. Nach Aussage von Brennerherstellern sind Temperaturen von 50 bis 60°C mit am Markt erhältlichen Brennern vereinbar.

Aufgrund der zu vernachlässigenden Metallionenkonzentration im Kondensat, konnte keine Erschöpfung der Neutralisationswirkung der eingesetzten Neutralisationseinrichtung während der gesamten Versuchsdauer beobachtet werden. Dies war aufgrund der korrosionsbeständigen Keramik im kondensierenden Bereich auch nicht zu erwarten [7].

7. Zusammenfassung

Die Einzelkomponenten von Heizungsanlagen erreichen im Hinblick auf die Energieausnutzung in vielen Fällen schon fast das physikalisch mögliche Maximum. Um so größer und berechtigter wird die Forderung nach einer Gesamtbilanzierung einer Heizungsanlage. In diesem Zusammenhang sollten die Vorteile raumluftunabhängiger Systeme mit einer Luft-/Abgasführung im Gegenstrom stärker beachtet werden.

Die Versuche haben gezeigt, daß durch den Einsatz eines WTS-Systems in Kombination mit einer Öl-Niedertemperaturfeuerstätte eine deutliche Energieeinsparung erzielt werden kann. Teilweise kann dabei auch die Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampfes genutzt werden, ohne daß zusätzliche Kosten im Bereich des Kessels entstehen (Brennwertnutzung).

Daraus resultierten direkt eine Reduzierung der Abgasverluste und eine geringfügige Reduzierung der elektrischen Hilfsenergie für die Ölvorwärmung. Dieses Reduzierungspotential ist abhängig von den erzielbaren Vorwärmtemperaturen für die Verbrennungsluft.

Zusätzlich kann der Wärmeentzug aus der Raumluft durch nicht auftretende Belüftungsverluste verhindert werden. Darüber hinaus ist aufgrund der Konstruktion des WTS-Systems bei innenliegenden Schornsteinen eine zusätzliche Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung und freie Konvektion über den Mantelstein an die umgebenden Räume möglich.

Anhand dieser Vorteile im Vergleich zu konventionellen Schornsteinsystemen läßt sich für den praktischen Betrieb mit einem WTS-System ein Energieeinsparpotential von bis zu 200 l Heizöl EL pro Heizperiode abschätzen. Das entspricht einer Nutzungsgradverbesserung von ca. 5%, bezogen auf ein durchschnittliches Einfamilienhaus. Der technische Aufwand zum Ausschöpfen dieses Potentials erscheint dagegen im Vergleich zu anderen Maßnahmen zur Energieeinsparung gering.

* Dipl.-Ing. Stefan Böttcher, Deutsche Shell AG, PAE-Labor, Hamburg

** Dr.-Ing. Christian Küchen, Institut für wirtschaftliche Ölheizung e.V., Hamburg

L i t e r a t u r :

[1] Bokelmann/Schubert: Der Schornstein. gwf-Gas/Erdgas, 6/96.

[2] Münz, W.: Energieeinsparung durch Wärmetauscher-Schornsteine. Heizungsjournal, Ausgabe 3/95.

[3] Münz, W. u. M.: Querschnittsberechnung bei Wärmetauscher-Schornsteinen. HLH, Ausgabe 2/95.

[4] Bokelmann, H.: Empfehlungen für die häusliche Abgasführung. Wärmetechnik, Ausgabe 3/96.

[5] Wirth, C., Kesa, J., Bretschneider, P.: Das konzentrische Aluminium-Abgassystem als nachgeschalteter Wärmetauscher. Wärmetechnik, Ausgabe 8/97.

[6] Werksangabe Schiedel

[7] Küchen, C.: Öl-Brennwerttechnik - Praktische Erfahrungen in Prüfstand und Feld. Wärmetechnik, Ausgabe 11/95.

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