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2.2.1 Physikalisch-chemische Gesetzmässigkeiten
Verbrennungsvorgang
Kohlenstoff C + O2 → CO2
Wasserstoff 2H + 1/2 O2 → H2O
Schwefel S + O2 → SO2
Eine stöchiometrische Verbrennung ist eine vollständige Verbrennung gemäss obigen Gleichungen. Dazu wird eine bestimmte Menge Luft benötigt. Der O2-Gehalt des Abgases ist null, der CO2-Gehalt hingegen maximal.
Um mit Sicherheit im Dauerbetrieb eine vollständige Verbrennung zu erhalten, wird meistens mit einem Luftüberschuss in der Grössenordnung von 20 % bzw. einem Luftverhältnis λ = 1,2 gearbeitet. Unter diesen Bedingungen finden sich im Abgas noch O2 und ein entsprechend geringerer Anteil an CO2. Diese Anteile werden deshalb zur Ermittlung des Luftverhältnisses gemessen. Es gilt näherungsweise:
Heizöl EL
Erdgas
Dichte ρ
kg/m3*
840
0.71
Brennwert Hs
kWh/kg
12,5
14,0
Heizwert Hi
kWh/kg
11,8
12,6
Hs/Hi
1,06
1,11
[CO2]max
V%
15,3
11,8
Wassertaupunkt
°C
λ = 1
50
58
λ = 1,5
43
50
* bei Gas Betriebskubikmeter (0,98 bar, 10 °C)
Der Brennwert Hs (früher: oberer Heizwert) ist die Wärmemenge, welche bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf kondensiert. Der Heizwert Hi (früher: unterer Heizwert) ist die Wärmemenge, welche bei vollständiger Verbrennung frei wird, wenn der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf entweicht. Brennstoffdaten sind Bild 2.4 zu entnehmen, weitere [SIA 380, Rec1]. Bei vollständiger Kondensation des Wasserdampfs ist also die Energieausbeute für Erdgas 11 % und für Öl 6 % höher als bei konventioneller Verbrennung ohne Abgas-Kondensation.
Vorsicht: In den Normen besteht die physikalisch sinnvolle Tendenz, alle Kenngrössen, wie Leistungen, Energien, Wirkungs- und Nutzungsgrade auf den Brennwert zu beziehen. In den Normen ist dies aber noch nicht konsequent und der Praxis noch wenig umgesetzt. Dies ist bei der Interpretation von Zahlenwerten zu beachten.
Bei der Abkühlung der Abgase beginnt der als Verbrennungsprodukt entstandene Wasserdampf bei einer bestimmten Temperatur zu kondensieren. Diese Wassertaupunkt-Temperatur hängt vom Wasserstoffgehalt des Brennstoffs ab. Sie sinkt mit wachsendem Luftverhältnis (Bild 2.4).
Die beim Unterschreiten des Taupunkts an der abgasseitigen Oberfläche entstehenden Kondensate korrodieren Stahl und Gusseisen. Eine wirksame Korrosionsbremse stellt die Hochhaltung der Rücklauftemperatur auf etwa 60 °C dar. Durch geregeltes Beimischen von heissem Vorlaufwasser in den Rücklauf kann am Kesseleintritt die Minimaltemperatur erreicht werden (Bild 2.48).
2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade
Zugeführter Energiestrom
Die im Brennstoff enthaltene chemische Energie, die Feuerungswärmeenergie, beträgt
Egen,in Feuerungswärmeenergie bezüglich Brennwert in kWh
m Masse des Brennstoffs in kg
V Volumen des Brennstoffs in m3
ρ Dichte des Brennstoffs in kg/m3
Hs Brennwert in kWh/kg
Pgen,in Feuerungsleistung bezüglich Brennwert in kW
qm Massenstrom bei Brennerbetrieb in kg/h
qv Volumenstrom bei Brennerbetrieb in m3/h
Als Hilfsenergie wird bei der Umwandlung der chemischen in thermische Energie meist noch elektrische Energie benötigt (Ventilator, Brennstoffpumpe, Ölvorwärmung). Der Bedarf an elektrischer Energie beträgt einige Promille bis wenige Prozente der Brennstoffenergie. Bei der üblichen Festlegung der Bilanz- oder Systemgrenze für den Kessel fällt sie allerdings nicht in Betracht (Bild 2.5).
Da das aus dem Kessel austretende Abgas eine höhere Temperatur (und Enthalpie) aufweist als die eintretende Verbrennungsluft, entsteht ein Abgasverlust. Er tritt bei Brennerbetrieb auf. Die von den Verbrennungsgasen an den Kessel übertragene Wärmeleistung ist um die Abgasverlustleistung ΦA geringer als die Feuerungsleistung Pgen,in.
Die Abgastemperatur eines nicht kondensierenden Kessels hängt stark von der eingestellten oder durch die Regelung veränderlichen Feuerungsleistung ab. Die Abgastemperatur steigt mit zunehmender Verschmutzung der Wärmeübertragungsflächen an.
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung auf den Kessel übertragen wird. Er hängt ab von der Abgastemperatur, dem Luftverhältnis und dem Brennstoff. Er wird von der amtlichen Feuerungskontrolle gemessen. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad nicht kondensierender Kessel (bezogen auf den Heizwert) kann nach einer amtlichen Formel ermittelt werden [BAFU1]. Diese Formel ist in Bild 2.6 rechts des Knicks (Wassertaupunkt) dargestellt. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad im Kondensationsbetrieb ist dem Bild links des Taupunkts zu entnehmen. Da die amtliche Formel sich auf den Heizwert bezieht, ergeben sich im Kondensationsbetrieb Werte über eins. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad bezogen auf den Brennwert ergibt sich nun:
Bild 2.6 Feuerungstechnischer Wirkungsgrad (bezüglich Heizwert) für Gas- und Ölkondensationskessel [Koe]
Beispiel:
Ölkessel mit Abgastemperatur 120 °C und CO2-Gehalt 9 %
Gemäss Bild 2.6 ist ηF,Hi = 0,94.
Dieser feuerungstechnische Wirkungsgrad ist gemäss [LRV] zulässig (Grenzwert einstufige Brenner 0,93).
Der feuerungstechnische Wirkungsgrad bezüglich Brennwert beträgt ηF = 0,94/1,06 = 0,89.
Der Verlust des Kessels an den Heizraum erfolgt durch Strahlung, Konvektion und Leitung (kurz Strahlungsverlust genannt). Er tritt während der ganzen Kesselbetriebsdauer (Brennerstillstand und Brennerbetrieb) auf. Der Strahlungsverlust hängt ab von Kesselgrösse und Kesselisolation sowie der Kesselwassertemperatur. Die Strahlungsverlustleistung ΦS während des Brennerbetriebs ist etwa gleich gross wie die weiter unten beschriebene Bereitschaftsverlustleistung bei Brennerstillstand.
Es wird nun die Energiestrombilanz des Kessels bei Brennerbetrieb betrachtet (Bild 2.5). Die Kesselleistung Φgen,out ist um die Abgasverlustleistung ΦA und die Strahlungsverlustleistung ΦS geringer als die Feuerungsleistung Pgen,in. Andererseits wird die Kesselleistung vom Heizwasser aufgenommen:
Der Kesselwirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung bei Brennerbetrieb an das Heizwasser abgegeben wird:
Die Kesselleistung wird meistens über die Brennstoffzufuhr bedarfsabhängig geregelt. Der Kesselwirkungsgrad ist bei reduzierter Kesselleistung, infolge der tieferen Abgastemperatur, meist besser als bei Nennleistung.
Auch ohne Nutzwärmeabgabe hat der Kessel Verluste, solange die Kesseltemperatur über der Umgebungstemperatur liegt. Die Ursachen dieses Verlusts in Bereitschaft sind:
- Strahlungsverlust und
- innerer Auskühlverlust (Wärmeabgabe an die durch den Kessel strömende Luft infolge von Kaminzug und Brennerundichtheit).
Moderne Kessel weisen bei 50 K Temperaturdifferenz zum Aufstellungsraum eine Bereitschaftsverlustleistung von 0,2 % bis 1 % der Feuerungsleistung auf.
2.2.3 Nutzungsgrad des Kessels
Die für den Betrieb massgebliche Periode ist normalerweise ein Jahr. Bei kombinierter Wassererwärmung steht der Kessel das ganze Jahr in Betrieb, sonst nur während der Heizperiode. Während der Kesselbetriebszeit wechseln Brennerbetrieb und -stillstand ab. Nun wird die Jahres-Energiebilanz des Kessels in den Bilanzgrenzen gemäss Bild 2.5 betrachtet. Die vom Kessel während eines Jahres ans Heizwasser abgegebene Energie ergibt sich aus der Feuerungswärmeenergie abzüglich der Abgas-, Strahlungs- und Bereitschaftsverluste (Bild 2.7).
Der Jahresnutzungsgrad ηa eines Kessels gibt an, welcher Anteil der Jahres-Brennstoffenergie ans Heizwasser abgegeben wird. Er ist für Energienutzung und Wirtschaftlichkeit massgebend.
Bild 2.7 Energieflussbild eines Kessels
- die Auslastung (Verhältnis der mittleren, ans Heizwasser abgegebenen Leistung zur Kesselnennleistung)
- die Kesselwirkungsgrade für Volllast und ggf. für Minimallast bei Brennerbetrieb
- die Bereitschaftsverlustleistung bei Brennerstillstand
Bild 2.8 zeigt Teillastnutzungsgrade verschiedener Kesselgenerationen. Bei kleiner Auslastung fällt der Teillastnutzungsgrad sehr stark ab. Bei Kesseln mit grossen Verlusten ohne Modulation erfolgt der Steilabfall bereits bei vergleichsweise hohen Auslastungen. Die Gefahr, den Kessel in diesem Bereich zu betreiben, ist am grössten bei der Wassererwärmung im Sommer oder bei starker Überdimensionierung. Der Jahresnutzungsgrad setzt sich zusammen aus verschiedenen Zeitperioden mit den entsprechenden Teillastnutzungsgraden.
Bild 2.8 Teillastnutzungsgrad (bezüglich Brennwert) von Gaskesseln in Funktion der Auslastung bei Prüftemperaturen (Volllast: 70 °C, Teillast: gemäss Typ), nach [EN 15316-4-1 Anhang B]
2.2.4 Bauarten Kesselanlagen
Kesselbauarten
Der Kesselbau hat sich stark entwickelt (Bild 2.9). Der Begriff «gleitend» bedeutet, dass der Kessel ohne Mischventil direkt auf die Heizflächen wirken kann, er hat somit immer die tiefstmögliche Wassertemperatur (Bild 3.10a). Korrosionsgefährdete Kessel können nur oberhalb einer bestimmten Minimaltemperatur gleitend betrieben werden.
Bild 2.9 Arbeitsbereiche von Kesseln
Bauart A: Gusskessel, gleitend, für hohe Abgastemperatur. Ursprünglich Kohlekessel. Veraltet.
Bauart B: Stahlkessel für hohe Wassertemperatur und hohe Abgastemperatur. Veraltet.
Bauart C: Kessel mit nach unten begrenzter Wassertemperatur und tiefer Abgastemperatur. Evtl. Einstellung der Abgastemperatur mit Schikanen.
Bauart D: Kessel, gleitend, für relativ hohe Abgastemperatur, deshalb keine Kaminprobleme.
Bauart E: Kondensationskessel für gleitenden Betrieb mit Abgastemperaturen unter dem Wassertaupunkt. Das Abgas wird möglichst stark abgekühlt durch Wärmeabgabe an das Rücklaufwasser oder an die Verbrennungsluft. Das Kondensat kann in der Regel unbehandelt in die Kanalisation eingeleitet werden.
Brennerbauarten
Beim Öl-Zerstäuberbrenner wird das Öl unter hohem Druck in feine Tröpfchen zerstäubt und mit der Verbrennungsluft vermischt. Die Düsenkanäle für Leistungen bis hinunter auf etwa 15 kW sind derart fein, dass nur mit elektrischer Ölvorwärmung ein störungsfreier Betrieb möglich ist. Ölbrenner für noch kleinere Leistungen werden nach dem Druckluftzerstäubungs- oder dem Ölvergasungsprinzip gebaut.
Gasgebläsebrenner sind ähnlich aufgebaut wie Öl-Druckzerstäuberbrenner, jedoch ohne das anspruchsvolle Ölfördersystem.
Zweistoffbrenner für die Verbrennung von Gas und Öl erlauben dem Energieversorgungsunternehmen, bei Gas-Spitzenverbrauch ferngesteuert auf Öl umzuschalten. Dafür wird ein günstigerer Gaspreis gewährt. In Anbetracht der Verstopfungsgefahr der Öldüsen bei Gasbetrieb sind Zweistoffbrenner empfehlenswert ab etwa 200 kW.
Leistungsregelungen
Die einstufige Leistungsregelung erfolgt nur durch Ein- und Ausschalten des Wärmeerzeugers (Bild 2.10).
Die zweistufige Leistungsregelung schaltet bedarfsabhängig zwischen zwei fest eingestellten Leistungen und der Nullleistung um.
Die modulierende Leistungsregelung arbeitet stetig zwischen der Grundlast und der Volllast. Bei einem Leistungsbedarf unterhalb der Grundlast arbeitet auch dieser Brenner im Ein-Aus-Betrieb.
Bild 2.10 Brennerregelungen und typische Lastverhältnisse