IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 22/2004, Seite 30 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
CO-geführte Verbrennungsregelung
Dipl.-Ing. Walter Bornscheuer*, Dipl.-Ing. Klaus Richter*
Nahezu alle mit den heute üblichen Brennstoffen betriebenen Wärmeerzeuger im kleinen und mittleren Leistungsbereich haben Verbrennungssysteme, bei denen das Brennstoff-Luftverhältnis fest eingestellt ist. Mit einer Neuentwicklung, die Vaillant vorstellt, wird eine echte Verbrennungsregelung erreicht. Es handelt sich um einen direkt im Abgasweg platzierten CO-Sensor, der permanent auf die aktuellen Betriebsbedingungen reagiert. Aktuell hat Vaillant dafür den Innovationspreis der deutschen Gaswirtschaft erhalten.
Das Brennstoff-Luft-Verhältnis bei Heizgeräten im kleinen und mittleren Heizbereich wird in der Regel werksseitig voreingestellt und soll von den Fachhandwerkern bei der Inbetriebnahme bzw. im Servicefall überprüft und ggf. nachjustiert werden. Viele der rund 15 Mio. Heizungsanlagen in Deutschland sind jedoch nicht optimal und oft mit einem sehr hohen Luftüberschuss eingestellt. Dadurch benötigen die meisten Heizungsanlagen 1 - 2% mehr Primärenergie. Ein erhöhter Energieverbrauch und damit unnötige CO2-Emissionen sowie ein erhöhter Ausstoß an Schadstoffen wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, CO und Ruß sind die Folgen.
Heutige Brennwert-Heizgeräte haben üblicherweise einen modulierenden Gasbrenner mit einem pneumatischen Gas-Luft-Verbund. Hierbei wird mit dem Gebläse an einer Drosselstelle (Blende) ein Differenzdruck erzeugt, der auf eine Membran im Gas-Magnetventil wirkt. Bei Veränderung der Gebläsedrehzahl verändert sich der Druck auf die Membran, sodass mehr oder weniger Gas zudosiert wird. Das Gas-Luftverhältnis stellt sich dabei nach einer fest vorgegebenen Kennlinie ein, die nur für eine Gasart ausgelegt und unter Auslegungsbedingungen optimal ist.
Preis der deutschen Gaswirtschaft |
Die ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.) lobt seit 1980 im zweijährigen Rhythmus den Preis der deutschen Gaswirtschaft aus. Damit sollen Anlagenkonzepte und -planungen herausgestellt werden, die Möglichkeiten zur Energieeinsparung sowie der Emissionsminderung durch rationellen Erdgaseinsatz in beispielgebender Weise nutzen. |
Elektronische Gas-Luft-Verbundregelung
Bei großen Kesselanlagen werden schon seit Jahrzehnten teure und aufwendige Sauerstoffsensoren zur Verbrennungsregelung eingesetzt. Diese Systeme sind meist Teil einer Steuerung der Kesselanlage, die stets individuell konfiguriert werden muss.
Als Ende der 80er-Jahre die Lambda-Sonden zur Verbrennungsregelung in Otto-Motoren Einzug hielten, entwickelten einige SHK-Hersteller analog elektronische Brennstoff-Luftregelungen mit Lambda-Sensoren für Öl- und Gasverbrennungssysteme im kleineren Leistungsbereich. Keines dieser Geräte gelangte allerdings zur Marktreife, da die Sauerstoffsensoren weder die erforderliche Genauigkeit noch eine angemessene Lebensdauer hatten. Auch wenn Sauerstoff bei Abgas-Messgeräten zur Brennereinstellung an Heizungsanlagen eine wichtige Messgröße für den Luftüberschuss ist, so ist der Rest-Sauerstoff als Regelgröße für eine Verbrennungsregelung ungünstig, da die relativen Änderungen in dem relevanten Bereich sehr gering sind (Bild 1).
Seit ca. sechs Jahren werden Heizgeräte mit einem Verfahren zur Verbrennungsregelung auf dem Markt angeboten, die eine Abhängigkeit des Ionisationsstroms vom Luftüberschuss ausnutzen. Der Vorteil dieses sehr einfachen Messprinzips ist, dass der erforderliche Sensor, nämlich die Ionisationselektrode zur Flammenüberwachung, zumindest bei allen Gas-Geräten bereits vorhanden ist. Nachteilig ist hingegen, dass der Ionisationsstrom neben dem Luftüberschuss noch von einer Vielzahl weiterer Einflussgrößen (Alterung der Elektrode, ihre Position, die Qualität der Erdung u.v.a.m.) abhängt. Außerdem liefert der Ionisationsstrom kein eindeutiges Signal, da er in Richtung Luftmangel genauso abfällt wie in Richtung Luftüberschuss (Bild 1).
| Bild 1: O2-Gehalt im Abgas und Ionisationsstrom abhängig von Lambda. |
Elektronische Verbrennungsregelung mit CO-Sensor
Es ist naheliegend, zur Regelung eines Verbrennungssystems eine Referenzgröße im Abgas zu verwenden, die unmittelbar eine Indikation für die Verbrennungsqualität liefert. Der CO-Gehalt im Abgas ist hierfür ideal. Die besonderen Vorteile des Systems sind:
- Die Sensoren müssen keinen exakten Messwert liefern. Eventuelle Querempfindlichkeiten oder eine Alterung der Sensoren bleiben ohne negative Auswirkungen.
- Der optimale Betriebspunkt eines Brenners liegt nicht immer beim gleichen Luftüberschuss. Bei manchen Brennern setzt der CO-Anstieg bei l = 1,2 ein, bei anderen erst unterhalb von l = 1,1. Das Optimum kann sich darüber hinaus während der Lebensdauer eines Verbrennungssystems ändern.
- Eine Verbrennungsregelung mittels eines CO-Sensors kann immer einen Betriebspunkt einjustieren, der hinsichtlich Betriebssicherheit und Emissionsarmut optimal ist, da er sich relativ zum steilen CO-Anstieg einstellt.
- Das Verfahren ist über die gesamte Lebensdauer des Systems robust, da äußere Störungen wie zum Beispiel Fremdluft oder Verschleiß keine Auswirkungen auf die Regelgüte haben.
Regelverfahren
Herkömmliche modulierende Gasbrenner kontrollieren das Gas-Luftverhältnis üblicherweise über einen pneumatischen Gas-Luft-Verbundregler. Durch Veränderung der Gebläsedrehzahl wird gleichzeitig die Gasmenge und damit auch die Leistung verändert.
Bei einem elektronischen Gas-Luft-Verbundregler hingegen wird die pneumatische Kopplung von Gas und Luft aufgehoben. Die vom Modulationsregler des Heizgeräts angeforderte Leistung wird im Brennersteuergerät in ein Drehzahlsignal für das Gebläse und gleichzeitig in einen Befehl für den Schrittmotor auf dem Gas-Ventil übertragen. Da bei diesem Verfahren keine Referenz für den tatsächlichen Luftvolumenstrom vorhanden ist muss die Abgasqualität überwacht werden.
| Bild 2: Brennwert-Wandheizgerät mit elektronischem Gas-Luftverbund. |
CO-Halbleiter-Sensoren
Bild 2 zeigt ein Brennwert-Wandgerät mit elektronischem Gas-Luftverbund und CO-Sensor. Das Sensorelement, das beim Vaillant-System zum Einsatz kommt, hat eine Größe von 1,6 x 2,1 mm und eine Dicke von weniger als 1 mm (Bild 3). Wenn der Sensor mit Umgebungsluft oder CO-freiem Abgas beaufschlagt wird, stellt sich der Referenz-Widerstand ein. Sobald CO in der Umgebung des Sensors vorhanden ist, sinkt der elektrische Widerstand proportional ab.
Gebläse
Bei pneumatischen Gas-Luft-Verbundsystemen wird der Steuerdruck für die Gasarmatur über eine Drosselstelle meistens im Luftansaugbereich, z.B. durch einen Venturi, erzeugt. Dabei muss je nach Modulationsfähigkeit des Systems das Gebläse mit relativ hohen Druckverlusten belastet werden. Ein elektronischer Gas-Luft-Verbund mit CO-Sensor kommt mit weniger Druck aus, sodass deutlich kleinere Gebläse mit entsprechend geringeren elektrischen Leistungen und niedrigeren Geräuschpegeln verwendet werden können (Bild 4). Die Reduzierung der elektrischen Leistungsaufnahme liegt dabei in einer Größenordnung von 30%.
| Bild 3: CO-Sensor. |
Vorteile
Mit der Messung des CO-Gehalts wird es möglich, bei Störungen oder Defekten in das Verbrennungssystem korrigierend einzugreifen. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei sich ändernden Anlagenbedingungen wie unterschiedlichen Gasqualitäten, Verschmutzung, Beschädigungen der Abgasanlage usw. zum Tragen.
Eine in allen Betriebszuständen optimal eingestellte Verbrennung ist jedoch nicht nur in Bezug auf geringe Schadstoffemissionen vorteilhaft, sondern hält auch den Wirkungsgrad des Gerätes immer auf höchstem Niveau. Den Zusammenhang zwischen der Luftzahl Lambda und dem Wirkungsgrad des Verbrennungssystems zeigt qualitativ das Bild 5. Dabei sind zwei Effekte zu unterscheiden. Zum einen muss die kalte Verbrennungsluft angesaugt und als erwärmtes Abgas wieder aus dem Kamin geführt werden. Zum anderen sinkt mit steigender Luftzahl der Taupunkt des Abgases, d.h. die Kondensationsrate ist geringer als bei einer optimalen Einstellung möglich wäre.
Die Fähigkeit sich auf unterschiedliche Gasqualitäten einzustellen hat darüber hinaus einen weiteren praktischen Vorteil für Großhandel und Fachhandwerk: Es ist nicht mehr erforderlich pro Gerätegröße wie bislang drei Produkte (je eines für H, L und Flüssiggas) vorzuhalten, sondern nur noch eines. Denn durch den Einbau einer mitgelieferten Gasblende und die Aktivierung des entsprechenden Modus im Diagnosesystem stellt sich das System auch auf Propanbetrieb ein. Erdgase der Gruppe H und L sind ohne Maßnahmen einsetzbar. Selbst der Einfluss unterschiedlicher Luftdrücke - ob an der Nordsee oder im Harz - kann automatisch kompensiert werden.
| Bild 4: Kleine Gebläse dank geringeren Druckverlustes. |
Verfahren zur vorzeitigen Fehlererkennung
Stark verschmutzte Wärmetauscher oder Brenner, Risse in Brennern oder defekte Abgasanlagen sind typische Fehlermerkmale an Geräten, die nicht regelmäßig gewartet werden. Oftmals wird der Schaden erst dann bemerkt, wenn die Heizungsanlage ausfällt oder bei der Überprüfung durch den Schornsteinfeger die Schadstoffemissionen bemängelt werden. Das CO-Sensorsystem eröffnet dagegen die Möglichkeit, einen sich anbahnenden Defekt zu erkennen bevor es zum Ausfall kommt.
Denn alle o.g. Fehlerfälle führen zu erhöhten CO-Emissionen, die der CO-Sensor erkennt und zu kompensieren versucht. Die Anzahl der Nachregulierungen werden vom System gezählt und ausgewertet. Bei Überschreitung eines Schwellenwertes ertönt ein Wartungssignal, das entweder direkt am Heizgerät, am externen Regelgerät im Wohnraum oder ganz komfortabel über eine Internetverbindung direkt als E-Mail, SMS oder Fax beim Fachhandwerker angezeigt wird, bevor es zu einer Störung kommt.
| Bild 5: Wirkungsgrad eines Brennwertgerätes abhängig von der Luftzahl Lambda. |
Fazit
Eine CO-geführte Verbrennungsregelung mit einem Diagnosesystem für gasbefeuerte Heizgeräte weist nicht nur in puncto Wirtschaftlichkeit und Effizienz klare Vorteile gegenüber alternativen Methoden aus. Auch im Hinblick auf den Komfort des Nutzers oder den Einsatz als Frühdiagnose für eine erforderliche Wartung werden klare Vorzüge deutlich. Selbst Großhandel und Fachhandwerk profitieren durch die vereinfachte Lagerhaltung im Hinblick auf die automatische Anpassung an Gasarten und die schnellere Inbetriebnahme vor Ort.
Lieferbare Geräte
Derzeit sind die Geräte der Vaillant-Serie "ecoTEC exclusiv" in den Leistungsgrößen 13, 20 und 27 kW mit dem CO-Sensor lieferbar. In diesen Produkten ist die Technik serienmäßig ohne Aufpreis enthalten. Zur ISH 2005 sollen nahezu alle exclusiv-Geräte aus allen Baureihen mit dieser Technik ausgerüstet werden.
Internetinformationen: |
* Dipl.-Ing. Walter Bornscheuer, Dipl.-Ing. Klaus Richter, Vaillant Deutschland GmbH, Remscheid
B i l d e r : Vaillant Deutschland GmbH, Remscheid
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