IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 3/2004, Seite 22 ff.

Konstanter Zug für sauberen Abbrand

Studie unterstreicht die Erfordernis von Zugbegrenzern bei Holzpellet-Feuerstätten

Zugbegrenzer – oder wie sie offiziell heißen – selbsttätige Nebenluftvorrichtungen nach DIN 4795 geben in Abhängigkeit von der Druckdifferenz am Kesselstutzen eine Öffnung in der Abgasanlage frei. Durch die so kontrolliert einströmende Nebenluft wird der Auftrieb in der Abgasanlage unabhängig von Witterungseinflüssen konstant gehalten. Eine wesentliche Voraussetzung, um optimale Verbrennungsergebnisse zu erzielen. Die Fachhochschule Gelsenkirchen hat die wirtschaftlichen Auswirkungen der Nebenluftvorrichtungen beim Einsatz an Feuerstätten zur Verbrennung von Holzpellets untersucht.

Abgasanlagen müssen so beschaffen sein, dass die Rauchgase sicher abgeführt werden. Andererseits muss genügend Verbrennungsluft zur Feuerstätte nachströmen. Das wird bei Wärmeerzeugern mit Zugbedarf mit einem bestimmten, für das Gerät charakteristischen Unterdruck am Abgasstutzen erreicht – dem notwendigen Förderdruck. Erhöht sich dieser Auftrieb allerdings über Gebühr (z.B. an kalten Tagen), steigen damit auch die Abgas- und Bereitschaftsverluste an. Der Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad der Feuerung verschlechtert sich, der Energieverbrauch steigt. Diese witterungsbedingte Erhöhung des Unter- bzw. Differenzdrucks am Kesselstutzen kann durch Zugbegrenzer vermieden werden.

Ihr Einfluss ist für Erdgas- und Heizölfeuerungen in den zurückliegenden Jahren, insbesondere bei Erdgasbrennern ohne Gebläse, intensiv erforscht worden. Wirkungsweise und Wirtschaftlichkeitsdaten der Nebenluftvorrichtungen sind daher für diese Heizkessel-Gruppe bekannt. Da Feuerstätten zur Verbrennung von Holzpellets erst in den letzten Jahren vermehrt auf den Markt gekommen sind, wurden nun auch Zugbegrenzer für diese Variante untersucht. Den Auftrag hierzu erhielt das Labor für Immissionsschutz an der Fachhochschule Gelsenkirchen von Kutzner + Weber, einem renommierten Hersteller von abgastechnischen Produkten.

Unterschiedliche Varianten untersucht

Genau wie andere Feuerstätten besteht ein Pelletkessel aus einem Brenner, einer Brennkammer, einem Wärmetauscher und der Steuerung. Zusätzlich ist ein Fördersystem und eventuell ein Zwischenbehälter für den Brennstoff nötig. Je nach Hersteller können die Holzpresslinge auf unterschiedlichen Wegen in das Glutbett des Kessel-Brennraums gelangen. Zum einen kommen sie bedarfsgesteuert mittels Förderschnecke in einen Füllschacht, durch den die Holzpellets über eine Rutsche oder ein Rohr in den Brennertopf fallen. (Abwurf- bzw. Fallstufensystem). Zum anderen setzen einige Hersteller auch auf die Quereinschub- oder Unterschubfeuerung. Bei ihr wird der Brennstoff mit einer Schnecke von der Seite oder von unten in die Feuermulde transportiert. Da sich beide Systeme im praktischen Betrieb bewährt haben, wurde für den Versuchsaufbau ein Wärmeerzeuger mit Abwurf- bzw. Fallstufensystem (Kessel I genannt) und ein zweiter Kessel mit Unterschubfeuerung installiert. Darüber hinaus besitzt Kessel II neben dem drehzahlregelbaren Verbrennungsluftgebläse zusätzlich ein konstant arbeitendes Abgassaugzuggebläse, wohingegen Kessel I nur ein drehzahlregelbares Abgassaugzuggebläse aufweist. Die Feuerstätten hatten nach Herstellerangaben eine Nennleistung von 14,9 und 15 kW. Außerdem verfügten sie über eine vollautomatische Brennerschalenentaschung sowie Heizflächenreinigung. Die hydraulische Einbindung, das Solltemperaturniveau und der Modulationsbereich von 100 – 30% war bei beiden Kesseln identisch. Die Feuerstätten wurden an eine Edelstahl-Abgasanlage angeschlossen, die mit einem externen Abgasventilator versehen war. So konnten Differenzdrücke in der Abgasstrecke von 5 bis etwa 100 Pa simuliert werden.

Abgasverluste abhängig vom Unterdruck

Bei beiden Feuerstätten wurde ein deutlicher Anstieg des Abgasverlustes bei zunehmendem Unterdruck in der Abgasstrecke ermittelt. Bei Kessel I beispielsweise stieg der Abgasverlust von ca. 8% bei 10 Pa auf ca.12% bei 90 Pa Unterdruck im Volllastbetrieb. Bei Teillast und einem Unterdruck von 90 Pa betrug der Abgasverlust sogar 19%. Die starke Zugabhängigkeit konnte nahezu vollständig durch den Einsatz einer Nebenluftvorrichtung ausgeglichen werden.

Für die Bestimmung der Bereitschaftsverluste beider Kessel wurden je sechs Versuche gefahren. Dabei konnten durchschnittliche Unterdrücke von 12 Pa bis 67 Pa am Abgasstutzen gemessen werden. Die durchschnittliche Kesselwassertemperatur betrug dabei 79°C.

Zur Bestimmung des Normnutzungsgrades bei unterschiedlichen Förderdrücken mussten vier Teillastnutzungsgrade in modulierender Betriebsweise (bei 30,3%, 38,8%, 47,6% und 62,6% Teillast) sowie ein Teillastnutzungsgrad in taktender Betriebsweise (Ein-Aus-Betrieb bei 12,8% Teillast) ermittelt werden. Der Strahlungsverlust sowie der Verlust durch unvollständige Verbrennung konnten dem Prüfbericht des TÜV entnommen werden. Mit den gewonnenen Daten ließ sich für jeden Unterdruck der entsprechende Normnutzungsgrad und daraus die prozentuale Brennstoffeinsparung berechnen. Ergebnis: Bis zu 8,9% Brennstoff können durch den Einsatz eines Zugbegrenzers eingespart werden. Allein durch Änderung der Zugbegrenzereinstellung von 10 auf 5 Pa könnte eine zusätzliche Brennstoffersparnis von ca. 0,8% erreicht werden*. Kessel II wies beim planmäßigen Förderdruck von 12 Pa einen Nutzungsgrad von 82,8% auf. Aufgrund der geringeren Zugabhängigkeit nimmt der Nutzungsgrad mit steigendem Förderdruck weniger stark ab als bei Kessel I und erreicht bei 60 Pa noch 79%. Das entspricht beim Einsatz eines Zugbegrenzers immerhin einer Brennstoffeinsparung von 4,3%.

Einbau von Zugbegrenzern lohnt

Die Amortisationsdauer TA – also die Zeit von der Anschaffung bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Einsparung an Kosten die Anschaffungskosten und die Kosten für die Kapitalbeschaffung erreicht hat – wurde im Rahmen der Untersuchung ebenfalls ermittelt. Ergebnis: Bei jährlichen Brennstoffkosten von 2.000 € und einem Differenzdruck von ca. 30 Pa im Jahresdurchschnitt hat sich das eingesetzte Kapital für einen Zugbegrenzer (Berechnungsgrundlage: 120 € inkl. Einbau und Mehrwertsteuer) bei Kessel I nach ca. 2,0 Jahren bezahlt gemacht. Die Zeit lässt sich auf 1,7 Jahre reduzieren, wenn die Nebenluftvorrichtung auf 5 Pa eingestellt werden könnte. Bei Kessel II beträgt die Amortisationszeit bei den o.g. Rahmenbedingungen ca. 4,2 Jahre. Ein Zeitraum, der angesichts der Lebensdauer von Zugbegrenzern (Kutzner + Weber gibt 15 Jahre an) durchaus akzeptabel ist.

Insgesamt bleibt festzuhalten, dass der Einbau einer Nebenluftvorrichtung für den schadstoffarmen und wirtschaftlichen Betrieb eines Wärmeerzeugers zur Verbrennung von Holzpellets durchweg empfehlenswert ist.

IKZ-HAUSTECHNIK-Chefredakteur Markus Sironi im Gespräch mit Günter Fischer, Verkaufsleiter und Produktmanager von Kutzner + Weber. Das in Maisach ansässige Unternehmen ist spezialisiert auf die Herstellung abgastechnischer Produkte wie Abgasschalldämpfer, Zugregler sowie Abgasklappen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Dass der Einsatz von Zugbegrenzern für Öl-, Gas- und auch Biomasse-Kessel nicht nur wirtschaftlich begründet, sondern in vielen Fällen technisch durchaus notwendig ist, scheint sich in der Fachwelt weitgehend herumgesprochen zu haben. Dennoch finden sich tausende von Anlagen, die ohne Zugregler betrieben werden und trotzdem störungsfrei und mit durchaus guten Verbrennungswerten arbeiten. Wieso sind manche Wärmeerzeuger scheinbar unempfindlicher gegen schwankenden Schornsteinzug oder anders gefragt, welche Faktoren spielen bei dieser Thematik eine wesentliche Rolle?

Günter Fischer: Vielen Heizungsfachleuten ist bekannt, dass durch die Einflüsse von unterschiedlichen Außentemperaturen, Windanströmungen am Gebäude sowie natürlichen Druckschwankungen im Gebäude praktisch das ganze Jahr über Schwankungen des Förderdrucks am Kesselstutzen auftreten. Steigt der Förderdruck nur geringfügig über den vom Hersteller der Feuerstätte angegebenen "Zugbedarf" an, so wirkt sich der Einfluss nur geringfügig auf die Verbrennung bzw. das Abbrandverhalten aus. Bei einem Anstieg > 10 Pa über den geforderten Wert verschlechtert sich die Verbrennungsqualität dagegen zusehends. Das kann zu massiven Störungen bis hin zum Ausfall der Feuerstätte führen. Eine schlechte Verbrennung hat außerdem einen überhöhten Schadstoffausstoß, einen höheren Brennstoffverbrauch sowie eine verstärkte Emission von Verbrennungsrückständen in den Abgasweg zur Folge. Interessant in dem Zusammenhang: In der Praxis stabilisieren einige Heizungsfachleute den Förderdruck im Abgassystem zwecks Einstellung des Brenners mit einem simplen Trick: für die Zeit der Einstellarbeiten wird die Reinigungstüre an der Sohle des Abgassystems geöffnet. Was natürlich wenig sinnvoll ist, denn nach erfolgter Einstellung wird die Türe wieder geschlossen und der Kessel unterliegt den natürlichen, permanenten Zugschwankungen des Abgassystems.

IKZ-HAUSTECHNIK: Der Einbau von Zugbegrenzern führt nicht selten zu Reklamationen seitens der Kunden. Der Grund liegt im störenden Klappern beim Brennerstart durch den Anfahrstoß oder auch bei der Abschaltung des Brenners. Zur Störungsbeseitigung wird nicht selten lediglich eine Wäscheklammer oder ein Kunststoffpolster in die Klappe eingelegt, mit der Folge, dass der Zug nicht mehr Konstant gehalten werden kann. In der Übergangszeit kann es dadurch beispielsweise zu einem Abgasstau aufgrund des nicht ausreichenden Schornsteinzuges kommen, was sich durch unangenehmen Geruch bemerkbar macht. Welche Lösung bieten Sie dem Fachhandwerk für die Lösung dieses Problems?

Günter Fischer: Es ist richtig, dass es bei stoßartigen Bewegungen der Regelscheibe, z.B. beim Anfahren und teilweise auch beim Abschalten des Brennergebläses, aber auch bei starken Druckschwankungen zu Geräuschen durch das Anschlagen der Regelscheibe am Gehäuse kommen kann. Gerade in letzter Zeit sind diese "Klappergeräusche" vermehrt hörbar, da nach dem Wegfall der alten Heizraumverordnung für kleine Kessel die Betreiber dazu übergehen, den Aufstellraum offen zu lassen oder die Feuerstätte gar frei im Keller zu installieren. Aber auch schon früher, vor allem bei größeren Anlagen, kam es immer wieder zu diesen störenden Geräuschen. Ursache ist oft auch ein zu kleiner Zugbegrenzer im Verhältnis zur installierten Abgasanlage. KW hat die Problematik erkannt und liefert seit einigen Jahren speziell für Großanlagen einen hydraulisch gedämpften Zugbegrenzer (ZUK 250 SG), der ebenso präzise arbeitet, wie die ungedämpfte Variante und bei großen Druckschwankungen völlig geräuscharm funktioniert. Aber auch bei den kleineren Baugrößen ist KW dabei, nach und nach alle Zugbegrenzer "leise" zu machen.

Die Wäscheklammer ist also keine Lösung. Es macht weder Sinn, eine Nebenlufteinrichtung dadurch permanent offen zu lassen, und es ist auch nicht zulässig. Der Vorteil eines präzise arbeitenden Zugbegrenzers besteht ja schließlich darin, dass er unter 10 Pa Förderdruck nicht öffnet und so dafür sorgt, dass das Abgassystem immer einen notwendigen "Restzug" behält.

IKZ-HAUSTECHNIK: Bieten Sie auch eine Art Nachrüstsatz für bestehende Zugregler an?

Günter Fischer: Je nach dem ob der alte Zugebgrenzer in einem T-Stück der Verbindungsleitung oder einer Aufnahmebuchse in der Schornsteinwange eingesetzt ist, kann ein KW-Zugbegrenzer direkt im Austausch eingebaut werden, sofern der Anschluss in den Toleranzen der DIN 1298 (Verbindungsleitungsnorm) liegt. Bei anderen Maßen kann mit einem passenden Adapter geholfen werden. Es ist aber auch nicht sehr aufwendig, ein neues Teil als Rohr- oder T-Stück mit einem neuen Zugebgrenzer einzusetzen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Das Thema raumluftunabhängige Betriebsweise spielt in der Praxis eine immer größere Rolle, nicht zuletzt auch aufgrund der hohen Luftdichtheitsanforderungen an Gebäuden durch die Energieeinsparverordnung. Die Notwendigkeit ergibt sich aber auch aus dem vermehrten Einsatz von Anlagen zur kontrollierten Wohnungslüftung, die – locker formuliert – so gar nicht mit raumluftabhängigen Wärmeerzeugern harmonisieren wollen. Einige Hersteller haben reagiert und bieten spezielle Luft-Abgas-Systeme (LAS) etwa für den Einsatz von Kaminöfen in Niedrigenergiehäusern an. Ein Grundproblem indes bleibt: Wie hält man in LA-Systemen den Schornsteinzug konstant?

Günter Fischer: Tatsächlich werden die ersten Anforderungen an eine Lösung für raumluftunabhängige Feuerstätten oder zumindest für Wärmeerzeuger mit kontrollierter Verbrennungsluftzuführung an uns herangetragen. Wir beschäftigen uns derzeit mit diesem Thema und werden in Kürze auch dafür eine spezielle Lösung anbieten können.

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