Grundlagen der Wärme- und Heizungstechnik für jedermann.

Innenleben und Funktion von Heizungsanlagen.

Wärmeerzeugung durch Verbrennung

Verbrennungsgrundlagen - Chemie

Die wesentlichsten Energieträger von Heizöl, Erdgas, Holz etc. sind Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H2), bzw. Kohlenwasserstoffe (CxHy).

Die Verbrennungsluft enthält als wichtigste Elemente Stickstoff (N2) Und Sauerstoff (O2).

Vollständige Verbrennung

Bei der Verbrennung reagieren die die einzelnen Bestandteile vollständig miteinander:

Der Kohlenstoff C reagiert unter Energiefreisetzung mit dem Luftsauerstoff O2 zu Kohlendioxyd CO2 und der Wasserstoff H2 mit dem Luftsauerstoff zu Wasser oder Wasserdampf H2O (=Verbrennungswasser).

(stark vereinfachte Darstellung)

Die Verbrennungsprodukte giftiges Kohlenmonoxyds (CO) und Russ entstehen in d. R. bei einer unvollständige Verbrennung.

Bei Luftmangel oder zu viel Verbrennungsluft kann der Kohlenstoff nicht vollständig mit dem Luftsauerstoff O2 reagieren.

Ruß ist reiner Kohlenstoff, bei Kohlenmonoxyd fehlt das zweite Sauerstoffatom.

Zusätzlich kann der Stickstoff aus der Verbrennungsluft bei hohen Flammtemperaturen zu umweltschädlichen Stickoxyden (NOx) oxydieren.

(Quelle: Weishaupt-compact-Reihe)

Wärmeerzeuger

Die Wärme entsteht durch die Verbrennung des Brennstoffes (Öl, Gas, Holz etc.) im Brenner. Verbrannt wird hauptsächlich der im Brennstoff enthaltenen Kohlenstoff und Wasserstoff.

Die Heizgase durchlaufen die Wärmetauscherflächen des Kessels und geben dabei über die inneren Flächen die Wärmeenergie an das Heizungswasser ab.

Damit die Eigenverluste gering sind, werden die Kesseleinheiten sehr gut wärmegedämmt.

Das Warmwasser für Küche und Bad wird in d. R. über einen separaten Wassererwärmer (Boiler/ Speicher) indirekt erwärmt.

Für Gebäude mit geringen Platzangebot gibt es wandhängende Kesseleinheiten. Sie können sowohl als Dachheizzentrale wie auch in bewohnten Räumen installiert werden.

Niedertemperaturkessel

arbeiten mit einer Vorlauftemperatur des Heizungswassers von max. 75°C. Aus konstruktiven Gründen ist die Rücklauftemperatur auf ca. >40°C begrenzt.

Anwendung für Öl, Gas und feste Biomasse.

Tieftemperaturkessel

analog Niedertemperaturkessel, aber durch bessere Korrosionsschutzmaßnahmen können diese Kessel total abschalten und auskühlen (Energieeinsparung).

Anwendung in d. R. für Öl und Gas.

Brennwertkessel

arbeiten mit einer Vorlauftemperatur von max. 55°C. Sie haben einen Hochleistungswärmetauscher aus Edelstahl oder Aluminium-Silizium-Guss, so dass sie auch dem im Abgas enthaltenen Wasserdampf kondensieren können. Das spart zusätzlich Brennstoff.

Anwendung für Öl und Gas.

Schadstoffe und Emissionen

Abhängig von der Art des Brennstoffes und den daraus resultierende Anteilen an Kohlenstoff und Wasserstoff sowie den Luftstickstoff, entstehen in den Abgasen für die Atmosphäre unterschiedliche Mengen von Kohlendioxyd, Stickoxyden und Wasserdampf.

Kohlendioxyd ist nicht giftig, aber mitverantwortlich für den so genannten Treibhauseffekt (Erwärmung der Erdatmosphäre). Dieses Problem verursachen nur die fossilen Brennstoffe (ÖL, Gas, etc.)

Eine Rußschicht von nur 1mm Dicke auf der inneren Kesseloberfläche würde die Abgastemperatur um ca. 55°C erhöhen und gleichzeitig den Wirkungsgrad um 3 bis 4% absenken.

Kohlenmonoxyds ist giftig und für Menschen und Tiere gefährlich.

Ein weiteres Verbrennungsprodukt sind die Stickoxyde (NOx), die sich als saurer Regen schädlich auf die Umwelt auswirken.

Diese Schadstoffemissionen können durch moderne Brennertechnik und optimale Luftmengeneinstellung vermieden werden. Nur Spuren dieser Schadstoffe sind zulässig.

Die Brennereinstellung erfolgt deshalb mit einem sicheren Luftüberschuss, bei dem praktisch nur geringste Emissionen entstehen und gleichzeitig eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet wird.

Energieverluste, Wirkungsgrad, Nutzungsgrad

Energieverluste

Bei der Gewinnung von Wärme im Heizkessel treten aus technischen Gründen unvermeidbare Energieverluste auf:

Feuerungstechnischer Wirkungsgrad

Der feuerungstechnischer Wirkungsgrad wird z. B. bei der Emissionsmessung durch den Schornsteinfeger ermittelt. Wesentlich realistischer ist aber der Kesselwirkungsgrad.

Kesselwirkungsgrad

Energieausbeute aus dem Heizwert des Brennstoffs (= 100%) bei Nennlast abzüglich der Abgasverluste sowie Auskühl- und Stillstandsverluste.

Beim feuerungstechnischen und Kesselwirkungsgrad wird nur der Nennlastfall berücksichtigt.

Eine Heizungsanlage arbeitet jedoch nur wenige Tage im Jahr mit voller Leistung (=Nennlast).

Bei wärmeren Außentemperaturen geht die Heizungsanlage in einen Betrieb mit längeren Brennerstillstandsphasen oder niedriger Leistung über.

Der Kesselwirkungsgrad kann also nicht ausschließlich als Betrachtungsweise für die Energiesituation verwendet werden.

Um die entsprechenden Zeiten, die eine Heizungsanlage im Stillstand und im Brennerbetrieb verbringt, besser berücksichtigen zu können, wird der Nutzungsgrad als Bewertungskriterium ermittelt.

Nutzungsgrad (Jahresnutzungsgrad)

beschreibt die energetische Situation - die für den Brennstoffverbrauch über ein Jahr entscheidende Größe - deutlich besser.

Auf Grund vieler Einflussfaktoren ist eine exakte Ermittlung des Jahresnutzungsgrad sehr schwierig (nur optimierte Annäherung).

Normnutzungsgrad

Um verschiedene Kesseltypen vergleichen zu können, werden 5 typische Teillast-Wirkungsgrade ermittelt und daraus ein Mittelwert gebildet.

Der Normnutzungsgrad wird in d. R. in den Druckschriften der Hersteller angegeben und gibt recht gut den tatsächlichen Wirkungsgrad bei optimaler Auslegung während einer Heizperiode wieder.

Heizungsregelung

1. Zentralregelung

Grundlage ist in d. R. eine außentemperaturgeführte (witterungsgeführte) Regelung der Heizungsanlage.

Anforderungen an eine moderne digitale Regeltechnik sind einfache Bedienung, klar verständliche Funktionen und Erweiterbarkeit für Nachrüstungen.

Über ein Display am Kessel wird der Anwender im Klartext über den aktuellen Betriebszustand der Heizungsanlage informiert. Neben Kesseltemperatur, Warmwassertemperatur oder Außentemperatur, können auch aktuelle Heizzeitenprogramme abgefragt und angepasst werden.  Bild > Regelungen am Kessel

Zentraleinheit

Kernstück eines Regelsystems ist die Zentraleinheit (CPU). Dort werden alle Temperaturfühler angeschlossen, alle Daten verarbeitet und entsprechende Ausgänge für die Heizungsanlage gesteuert.

Kesselschaltfeld

Das Kesselschaltfeld beinhaltet alle wichtigen Elemente, die zu einem sicheren Betrieb eine Heizkessels notwendig sind.

Fernbedienung

Wenn eine Fernbedienung in einem Wohnraum installiert worden ist, wird auch der evtl. integrierte Raumfühler genutzt.

Steigt die Raumtemperatur z. B. durch solare Wärmegewinne an, erkennt dies der Raumregler und korrigiert die Vorlauftemperatur nach unten.

Betriebsarten

Über den Auswahlschalter Betriebsarten, kann direkt die Betriebsart geändert werden.

Für jeden Heizkreis stehen stehen unterschiedliche Heizzeiten-Programme zur Verfügung.

Zusätzlich können dauernd abgesenktes Temperaturniveau sowie Stand-By-Betrieb (Heizung und Warmwasser ausgeschaltet) oder Sommerbetrieb (Heizung ausgeschaltet, Warmwasser eingeschaltet) angewählt werden.

Der Heizungsregler schaltet nach Anwahl sofort in den gewünschten Heizungsbetrieb um.

Heizkennlinienfeld > Bild

In Abhängigkeit der Außentemperatur wird die Vorlauftemperatur des Heizkreises gesteuert.

Wird z. B. die Heizkennlinie 15 eingestellt, bekommt der Heizkreis bei einer Außentemperatur von -15°C eine Vorlauftemperatur von 70°C  oder bei einer Außentemperatur von 0°C eine Vorlauftemperatur von nur 50°C.

Über diese Einstellung wird eine Raumtemperatur von 20°C erreicht.

Ist eine andere Raumtemperatur gewünscht, wird einfach die Solltemperatur für den Raum geändert. Im Hintergrund wird über den digitalen Heizungsregler die Vorlauftemperatur so verändert, dass die eingestellte Raumtemperatur erreicht wird.

Konstante Betriebsweise

Eine Regelung der Raumtemperatur ist nur am Heizkörper über Regulier- oder Thermostatvenile möglich.

Durch ganzjährige Einschaltzeiten der Heizung, auch wegen der Warmwasserbereitung im Sommer, und damit verbundene kurze Brennerlaufzeiten in der Übergangszeit ergeben sich relativ hohe Energieverluste.

In einigen Ländern ist dies Betriebsweise allerdings immer noch Standart und die einfache Technik demzufolge auch wesentlich billiger!

Dabei wird mit einem Temperaturfühler die Außentemperatur erfasst und bei der Regelung berücksichtigt > Grafik.

Bei wärmeren Außentemperaturen wird von der Regelelektronik eine niedrigere Kesseltemperatur bestimmt.

(Quelle: Weishaupt-compact-Reihe)

2. Dezentrale Regelung über Thermostventile an den Heizflächen

Die Regelung am Heizkessel als Zentralregelung stellt natürlich je nach Außentemperatur für alle Heizflächen (Heizkörper, Fußbodenheizung etc.) in den einzelnen Räumen die gleiche Vorlauftemperatur (Wärme) zur Verfügung.

Der Zusammenhang zwischen Raum-, Vorlauf- und Außentemperatur ist in der Steilheit Heizkurve dargestellt und wählbar.

In d. R. wird die gewünschte Temperatur für den wärmsten Raum eingestellt (z. B. Bad). Diese Einstellung ist in d. R. nur einmal erforderlich.

Thermostatventile

Die individuelle Anpassung der Raumtemperatur der einzelnen Räume, z. B. im Wohnzimmer 22 °C, im Schlafzimmer 15 °C etc., erfolgt wiederum nur einmal am Thermostatventil (= raumtemperaturgesteuertes Regelventil) des entsprechenden Raumes. Der Temperaturfühler ist im Ventilkopf eingebaut oder auch als Fernfühler separat zu installieren.

Das Thermostatventil korrigiert auch automatisch Raumeinflüsse, z. B. durch einen Ofen, Sonneneinstrahlung etc.

Die Ventil-Voreinstellung (K_v-Werte) sollte nur vom Fachmann vorgenommen werden (wird in der Praxis oft nicht durchgeführt).

Individuelle Einstellung der Raumtemperatur am Thermostatventil

ist in d. R. nach der Inbetriebnahme der Heizungsanlage nur einmal erforderlich und kann auch selbst vorgenommen werden.

Alle Thermostate werden bei laufender Heizungsanlage zunächst voll geöffnet und dabei mit einem Raumthermometer in ca. 1,50 m Höhe im vorwiegenden Aufenthaltsbereich solange die Temperatur gemessen, bis diese sich nicht mehr verändert.

Wenn die Raumtemperatur zu hoch empfunden wird, ist das Ventil danach mit einer angemessenen Wartezeit (bis die Temperatur sich nicht mehr verändert) jeweils um einen Teilstrich zu schließen.

Der Einstellvorgang ist in jedem Raum solange zu wiederholen, bis die gewünschte Raumtemperatur erreicht ist.

Sofern danach die Raumtemperatur immer noch zu hoch/zu niedrig ist (Ventilregelbereich ist ausgeschöpft), muss am Zentralregler eine flachere/steilere Heizkurve gewählt und die ganze Prozedur wiederholt werden.

Die unterschiedlichen Außentemperaturen werden generell automatisch über den Zentralregler in Verbindung mit der eingestellten Heizkurve angepasst, so dass immer die gleiche Raumtemperatur erreicht wird.

Niedertemperaturtechnik

Steuerung der Kesseltemperatur über die Heizkurve

Ein wesentliches Kriterium zur Energieeinsparung ist der Betrieb mit möglichst niedrigen Temperaturen.

Allerdings darf die Kesseltemperatur nicht unter ein bestimmtes Niveau fallen, damit keine unerwünschten Korrosionserscheinungen im Inneren des Wärmetauschers entstehen.

Die Kesseltemperatur wird bei der Niedertemperaturtechnik in Abhängigkeit von der Außentemperatur dem jeweiligen Wärmebedarf über die so genannte Heizkurve angepasst.

Die Heizkurve wird so eingestellt, dass bei tiefen Außentemperaturen der Kessel nicht über 75°C hochheizt und bei wärmeren Außentemperaturen der Kessel auf das wirklich notwendige niedere Temperaturniveau gleitet (gleitende Betriebsweise).

Durch eine teilweise vollständige Abschaltung wird zusätzlich Energie eingespart. Auch während der Nachtstunden wird durch die Regelung der Wärmetransport reduziert (Nachtabsenkung)

Kondenswasser und Korrosion

Bei der Verbrennung entsteht Wasserdampf (s. Verbrennungsgrundlagen).

Der Anteil des Wasserdampfgehaltes ist abhängig von Luftmengeneinstellung des Brenners.

Bei einem Ölbrenner beträgt, bei einen über den Luftüberschuss eingestellten CO2-Gehalt von 13%, der Wasserdampfgehalt im Heizgas ca. 11%.

Die entsprechende Taupunktemperatur (= Temperatur, bei der das Verbrennungswasser vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand übergeht) liegt bei ca. 47°C.

Beim Brennstoff Erdgas ist das bei gleicher Luftmengeneinstellung und einen CO2-Gehalt von 10,5% eine Taupunkttemperatur

von ca. 55°C.

Unterschreitet die Wandoberfläche des Kessels auf der Verbrennungsseite die Taupunkttemperatur, kann Kondenswasser entstehen. Das sollte wegen der Korrosionsgefahr in jedem Fall vermieden werden.

Ein Reglersystem schützt den Kessel unterhalb der Taupunkttemperatur.

Abhängig von der Temperaturanforderung an den Kessel wird der Brenner mit einer Schaltdifferenz unterhalb des Kesselsollwertes eingeschaltet und oberhalb des Kesselsollwertes ausgeschaltet.

Wird eine kleinere Kesselsolltemperatur gefordert, schaltet der Brenner erst oberhalb der Taupunkttemperatur ab.

Somit wird sichergestellt, dass in keiner Betriebsphase ein kritischer Kesselzustand mit einer unerwünschten Kondenswasser-Bildung entsteht.

Zusätzlich ergibt sich zwischen der Kesselwasserseite und der Verbrennungsseite bei strömenden Verbrennungsgasen ein Temperaturunterschied von 1 bis 4 Grad. Diese Temperatur kann auf die Heizungswasser-Temperatur addiert werden. Damit wird ein sicheres Überschreiten der Taupunktgrenze erreicht.

(Quelle: Weishaupt-compact-Reihe)

Moderne Kesselkonstruktionen (Beispiel)

Aufbau eines Niedertemperaturkessels mit Sturzbrenner > Bild

Es werden die verschiedensten Kesselkonstruktionen angeboten. Für die Kaufentscheidung sind weitergehende Informationen notwendig.

Im Mittelpunkt stehen aber immer Wirtschaftlichkeit, lange Nutzungsdauer, umweltfreundlicher Betrieb sowie Service- und Bedienfreundlichkeit.

Jede herstellerspezifische Kesselkonstruktion  bietet immer gewisse Vor- und Nachteile, die im Allgemeinen nicht über zu bewerten sind, im Speziellen aber manchmal Vorteile bringen können.

Vertikaltechnik > Bild

Durch die vertikale Anordnung brennt die Flamme von oben in den Wärmetauscher. Die strömenden Verbrennungsgase werden gleichmäßig und ringförmig innerhalb des Wärmetauschers verteilt. Ein sehr gleichmäßiger Wärmeübergang erhöht die Nutzungsdauer  die Effizienz eines Niedertemperaturkessels.

Durch den Wärmetauscher geben die Verbrennungsgase die Wärme an das Heizungswasser ab und werden in den oberen Bereich des Kessels, den Abgassammler geführt.

Würde durch einen ungünstigen Zustand Kondenswasser an der Kesselinnenseite entstehen, fließt es durch die vertikale Anordnung des Kessels nach unten in den Bereich heißer Verbrennungsgase.

Somit kann es in keiner Betriebssituation zu einer Ansammlung von Kondenswasser kommen.

Wasserführung im Kessel > Bild

Die Wassermenge im Kessel wird in einem inneren und äußeren Wassermantel aufgeteilt.

In den inneren Wassermantel kann kälteres Heizungswasser vom äußeren Wassermantel eintreten und wird gleichmäßig erwärmt.

Die Temperatur im inneren Wassermantel ist immer höher, so dass der Kessel gut gegen Kondenswasserbildung abgesichert ist.

Wenn der Kessel nach einer Nachtabsenkung mit kalten Temperaturen startet, wird zuerst der innere Wassermantel aufgeheizt.

Nach Überschreiten der Taupunktgrenze wird die Heizungsumwälzpumpe eingeschaltet.

Das kalte Heizungs-Rücklaufwasser tritt in den oberen Bereicht des äußeren Wassermantels ein und erwärmt sich gleichmäßig.

Bei ausreichend hoher Temperatur wird es über den Heizungsvorlauf entnommen.

Durch diese interne Rücklaufanhebung erhöht sich die Betriebssicherheit eines Niedertemperaturkessels, da kein Kondensat einstehen kann.

Weiterhin verlängert der vergrößerte Gesamtwasserinhalt durch die zwei Wassermäntel die Brennerlaufzeit.

(Quelle: Weishaupt-compact-Reihe)

LowNOx-Brennertechnik (Beispiel)

Funktion (z. B. Ölbrenner) > Bild

Nach einer Vorbelüftungszeit, bei der die Brennerkammer mit Luft gespült wird, erfolgt die Brennstofffreigabe zur Öldüse. Das Zündgerät zündet das Öl-Luft-Gemisch - die Flamme entsteht.

Der gesamte Funktionsablauf wird vollautomatisch ausgeführt und durch mehrfache Lichtsignale am digitalen Feuerungsmanagers angezeigt.

Dem Servicetechniker stehen auf diese Weise viele Informationen über den Brennerzustand zur Verfügung.

Die Brennstoff-Luft-Mischeinrichtung sorgt im Wesentlichen dafür, dass in Verbindung mit den Rezirkulationsöffnungen des Flammkopf-Aufsatzes ein Teil der Verbrennungsgase zurückgeführt wird, um die Flamme zu kühlen und damit die Emissionswerte (NOx)  zu verkleinern.

Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.

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