HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

2.2 Öl- und Gasfeuerung

Ausgewählte Firmen der Wärmeerzeugung

2.1 Bemessungsfragen
2.2 Öl- und Gasfeuerung
2.3 Holzfeuerung
2.4 Wärmepumpen
2.5 Aktive Solarsysteme
2.6 Wärme-Kraft-Kopplung
2.7 Heizzentrale
2.8 Systemvergleich

2.2.1 Physikalisch­chemische Gesetz­mässigkeiten

2.2.1 Physikalisch­chemische Gesetz­mässigkeiten – 2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade – 2.2.3 Bauarten Kesselanlagen

Verbrennungsvorgang

Verbrennung ist die chemische Verbindung (Oxi­da­ti­on) der brennbaren Elemente von Brennstoffen mit Sauerstoff unter Bildung von Wärme:

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:

[CO2], [O2]   Volumenanteile im trockenen Abgas
[CO2]max    stöchiometrischer Kohlendioxidanteil (Bild 2.4)
 
Brennstoffdaten
Bild 2.4 Brennstoffdaten
Brennwert und Heizwert

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 384/1] [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 Euro-Normen und insbesondere in den SIA-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.

Taupunkt

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).

Da Heizöl Schwefel enthält, entsteht bei der Ver­bren­nung Schwefeldioxid (SO2). Dieses verbindet sich mit Wasser zu schwefliger Säure (H2SO3) und Schwefelsäure (H2SO4). Der Taupunkt wird dadurch jedoch kaum beeinflusst.

Abgasseitige Kesselkorrosion

Die beim Unterschreiten des Taupunkts an der ab­gas­sei­ti­gen Oberfläche entstehenden Kondensate kor­ro­die­ren die üblichen Kesselwerkstoffe. Liegt die Ober­flä­chentem­pe­ra­tur unter dem Wassertaupunkt, so trägt die Sauerstoffkorrosion Stahl und Gusseisen unzulässig schnell ab. 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 2.12).

2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade

2.2.1 Physikalisch­chemische Gesetz­mässigkeiten – 2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade – 2.2.3 Bauarten Kesselanlagen

Die Begriffe «Wirkungsgrad» und «Nutzungsgrad» stellen beide ein Verhältnis von Nutzen zu Aufwand dar, der Wirkungsgrad ein Verhältnis von Leistungen (Φ), der Nutzungsgrad ein Verhältnis von Energien (Q).

Zugeführter Energiestrom

Die im Brennstoff enthaltene chemische Energie, die Feuerungswärmeenergie, be­trägt

QF   Feuerungswärmeenergie bezüglich Brennwert in kJ
m   Masse des Brennstoffs in kg
V    Volumen des Brennstoffs in m3
ρ    Dichte des Brennstoffs in kg/m3
Hs   Brennwert in kJ/kg
 

Die Feuerungsleistung ist ent­spre­chend

ΦF   Feuerungsleistung bezüglich Brennwert in kW
qm   Massenstrom bei Brennerbetrieb in kg/s
qv   Volumenstrom bei Brennerbetrieb in m3/s
 

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).

Bilanzgrenze des Kessels und Energieströme bei Brennerbetrieb
Bild 2.5 Bilanzgrenze des Kessels und Energieströme bei Brennerbetrieb
Abgasverlust

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 ΦF.

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:

ηF,Hi   amtlicher, feuerungstechnischer Wirkungsgrad (bezüglich Heizwert)
 
Feuerungstechnischer Wirkungsgrad (bezüglich Heizwert) für Gas- und Ölkondensationskessel
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.

Strahlungsverlust

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. Der dimensionslose Strahlungsverlust qS gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung durch Strahlung, Konvektion und Leitung verloren geht. Der dimensionslose Strahlungsverlust qS während des Brennerbetriebs ist etwa gleich gross wie der weiter unten beschriebene Bereitschaftsverlust qB bei Brennerstillstand.

Kesselwirkungsgrad

Es wird nun die Energiestrombilanz des Kessels bei Brennerbetrieb betrachtet (Bild 2.5). Die Kesselleistung ΦK ist um die Abgasverlustleistung ΦA und die Strahlungsverlustleistung ΦS geringer als die Feuerungsleistung ΦF. Andererseits wird die Kesselleistung vom Heizwasser aufgenommen:

ΦK   Kesselleistung in kW
qm,w   Massenstrom Heizwasser in kg/s
cw   spezifische Wärmekapazität Wasser, 4,19 kJ/kgK
θV, θVor- bzw. Rücklauftemperatur Heizwasser in °C
 

Der Kesselwirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Feuerungsleistung bei Brennerbetrieb an das Heiz­was­ser abgegeben wird:

Die Feuerungsleistung, und damit auch die Kes­sel­lei­stung, ist am Brenner einstellbar. Die Kesselleistung ist oft kleiner als die auf dem Typenschild angegebene Kessel-Nennleistung. Der Kesselwirkungsgrad eines modernen Kessels ist bei reduzierter Kesselleistung, infolge der tieferen Abgastemperatur, meist besser als bei Nennleistung.

Bereitschaftsverlust

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).

Der dimensionslose Bereitschaftsverlust qB ist:

ΦB   Bereitschaftsverlustleistung (Leistung zur Aufrechterhaltung der Kesseltemperatur)
 

Der Be­reit­schafts­ver­lust ist näherungsweise proportional der Tem­pe­ra­tur­dif­fe­renz zwischen Kessel und Aufstellungsraum. Moderne Kessel weisen di­men­sions­lo­se Bereitschaftsverluste (bei 50 K Temperaturdifferenz) in der Grös­se­n­ord­nung von qB = 0,002 bis 0,01 auf.

Jahresnutzungsgrad 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).

Energieflussbild eines Kessels
Bild 2.7 Energieflussbild eines Kessels

Der Jahresnutzungsgrad eines Kessels gibt an, wel­cher An­teil der Jahres-Brennstof­fener­gie ans Heiz­was­ser ab­ge­ge­ben wird (Bild 2.7):

QF,a   jährliche Feuerungswärmeenergie
QK,a   jährliche Nutzwärme des Kessels
QA,a   jährliche Abgasverlustwärme
QS,a   jährliche Strahlungsverlustwärme
QB,a   jährliche Bereitschaftsverlustwärme
 

Für Energienutzung und Wirtschaftlichkeit eines Kessels ist der Jahresnutzungsgrad massgebend. Bei einstufigen, nicht kondensierenden Kesseln und konstanter Kes­sel­tem­pe­ra­tur kann der Jahresnutzungsgrad einfach er­mit­telt werden [Wei]:

αa   Verhältnis Brennzeit / Kesselbetriebsdauer
 

Vermehrt werden weiter entwickelte Kesseltypen eingesetzt. Die Gleichung erlaubt in diesen Fällen immerhin eine untere Grenze des Jahresnutzungsgrads abzustecken.

Der Normnutzungsgrad [DIN 4702] ist ein in der Prüfanstalt ermittelter Jahresnutzungsgrad. Die Was­­sertemperaturen bei Volllast sind auf 75/60 °C (bei Kondensationskesseln 40/30 °C) festgelegt. Der Betrieb erfolgt gleitend bis zu einer allfälligen Minimaltemperatur.

Beträgt die betrachtete Periode nicht ein Jahr, sondern beispielsweise einen Tag, so wird von Teillastnutzungsgrad gesprochen. Die massgeblichen Einflüsse auf den Teillastnutzungsgrad sind:

  • 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. Eine solche Berechnung wird bei [SIA 384/3] und [SIA 382/2] durchgeführt.

Teillastnutzungsgrad (bezüglich Brennwert) von Gaskesseln in Funktion der Auslastung bei Prüftemperaturen
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]
Abgastemperatur nicht kondensierender Kessel

Abgastemperaturdiagramm: Für jeden Heizkessel existiert ein Diagramm mit der Abgastemperatur in Abhängigkeit von der Kessel��leistung (Beispiel Bild 2.9). Dieses ist unentbehrlich für die Ab­stim­mung der effektiven Kesselleistung auf Kamin und Anlage. Das Diagramm gilt unter bestimmten Randbedingungen:

  • Kesselwassertemperatur (z.B. 70 °C)
  • Luftverhältnis (z.B. bei Nennlast 1,2; Halblast 1,3)
Abgastemperaturdiagramm einer Kesselreihe
Bild 2.9 Abgastemperaturdiagramm einer Kesselreihe (Kurvenparameter = Kesselnennleistung ΦK,n, d.h. max. Kesselleistung gemäss Typenschild)

Turbulatoren: Bei gewissen Kesseln kann durch Einbau von Schi­ka­nen der Wär­me­über­gang vom Verbrennungsgas auf den Kessel ver­bes­sert wer­den. Damit entsteht eine tiefer liegende Abgastemperatur-Kenn­li­nie.

Verschmutzung: Ein Belag auf den Wärmeübertragungsflächen bewirkt eine Abgastemperatur-Zunahme. Die Abgastemperatur sollte periodisch kontrolliert werden. Bei einem An­stieg wird die Kesselreinigung veranlasst.

2.2.3 Bauarten Kesselanlagen

2.2.1 Physikalisch­chemische Gesetz­mässigkeiten – 2.2.2 Leistungen und Wirkungsgrade – 2.2.3 Bauarten Kesselanlagen

Kesselbauarten

Der Kesselbau hat sich stark entwickelt (Bild 2.10). 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.

Arbeitsbereiche von Kesseln
Bild 2.10 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. Es kann unter Umständen sinnvoll sein, einen Kon­den­sa­ti­ons­kes­sel nicht kondensierend zu betreiben, da er auch dann einen sehr guten feuerungstechnischen Wir­kungs­grad aufweist. Das Abgas wird möglichst stark abgekühlt durch Wärmeabgabe an das Rücklaufwasser. Ande­re Konstruktionen bewerkstelligen die Abkühlung des Abgases durch Wärmeabgabe an die Verbrennungsluft. Da Gas-Kondensat nicht allzu sauer ist, kann es unbehandelt in die Kanalisation eingeleitet werden. Öl-Kondensat muss unter Umständen neutralisiert werden.

Kompakt-Heizzentralen sind werkgefertigte Einheiten von Kessel, Brenner und Regelung. Sie haben Vorteile bezüglich Installation, Service sowie Abstimmung zwischen Brenner und Kessel.

Brennerbauarten

Beim üblichen Öl-Zerstäuberbrenner wird das Öl meist unter einem Druck von 10 bis 15 bar 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.

Einstufige, zweistufige, modulierende Brenner

Die einstufige Leistungsregelung erfolgt nur durch Ein- und Ausschalten des Brenners (Bild 2.11).

Brennerregelungen und typische Lastverhältnisse
Bild 2.11 Brennerregelungen und typische Lastverhältnisse

Zweistufige Brenner weisen zwei Düsen auf oder arbeiten mit zwei Öldrücken. Die Grundlast kann aus konstruktiven Gründen nicht beliebig tief angesetzt werden: bis 125 kW oft nicht tiefer als 70 % der Volllast, darüber nicht tiefer als 50 bis 40 %. Eine Lei­stungs­stu­fung 70/100 nützt allerdings wenig.

Modulierende Brenner regeln stetig zwischen der Grund­last und der Volllast. Bei einem Leistungsbedarf unterhalb der Grund­last arbeitet auch dieser Brenner im Ein-Aus-Betrieb. Bei Gas ist die Modulation selbst im Einfamilienhaus üblich. Sie kann allerdings nur dann etwas nützen, wenn die Grundlast wesentlich unter dem Heizleistungsbedarf liegt.

Low-NOx-Feuerungsanlagen

Darunter werden Brenner und Kessel verstanden, welche die folgenden Emissionsgrenzwerte (an­ge­ge­ben bei 3 % O2 im Abgas) einhalten[LRV]:

NOx, angegeben als NO2:

  • Heizöl EL 120 mg/m3 Abgas ≈ 60 ppm
  • Erdgas 80 mg/m3 Abgas ≈ 40 ppm

CO: 80 mg/m3 Abgas ≈ 64 ppm

Die Stickoxide entstehen bei der Ver­bren­nung aus dem Stickstoff der Luft und des Brenn­stoffs zusammen mit dem Sau­er­stoff. Die NOx-Bil­dung wird begünstigt durch hohe Temperatur (vor allem über 1300 °C) und lange Verweilzeit in der heis­sen Zone. Primär ent­steht vor al­lem Stick­stoff­mo­no­xid (NO), wel­ches später in der At­mo­sphä­re zum gefährlicheren Stick­stoff­di­o­xid (NO2) auf­o­xi­diert.

Ein- oder Mehrkesselanlagen?

Energiesparpotenzial: früher der Hauptgrund für Mehr­kes­se­l­an­la­gen. Bei modernen Heizkesseln mit ihren kleinen Bereitschaftsverlusten fällt dieser Grund dahin. Auch ein kleinerer Sommer-Kessel für die Wassererwärmung ist meist nicht mehr an­ge­zeigt.

Betriebssicherheit: In Wohn- und Ge­schäfts­häu­sern kann ein Betriebsunterbruch von einigen Stunden zur Behebung einer Brenn­er­stö­rung oder für eine Kes­sel­re­pa­ra­tur meist in Kauf ge­nom­men werden. Mehr­kes­se­l­an­la­gen kommen infrage bei­spiels­wei­se für Spi­tä­ler oder andere Gros­san­la­gen.

Verschiedene Ener­giet­rä­ger: Zwecks Erhöhung der Ver­sor­gungs­si­cher­heit oder Nutzung eines gün­sti­gen Energieträgers (ei­ge­nes Holz) werden oft 2-Kes­sel-Anlagen gebaut. Bild 2.12 zeigt eine grössere An­la­ge für Holz und Öl. Der Speicher dient auch der hy­drau­li­schen Entkopplung von Wärmeerzeugern und Ver­brau­chern. Die Kessel sind mit einer Rück­lauf­tem­pe­ra­tur-Hochhaltung aus­ge­rü­stet. Rechts oben das Misch­ven­til der Bei­misch­schal­tung des Ver­brau­chers.

2-Kessel-Anlage für Öl und Holz
Bild 2.12 2-Kessel-Anlage für Öl und Holz