Beheizung mit Öl effizient gelöst – Produktneuheit soll für niedrige Abgaswerte bei kompakter Bauform sorgen

Die langjährigen Bestrebungen der deutschen Heizungsbranche zur Einführung von effizienten und umweltfreundlichen Technologien werden in der BDH-Statistik zur Entwicklung der Wärmeerzeugerstruktur in Deutschland ersichtlich (Bild 1). Die Synergie des heutigen technologischen Stands der Technik und der politischen Förderung von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit haben u.a. bei den fossil befeuerten Wärmeerzeugern den Trend zur Brennwerttechnik gefördert. In den letzten vier Jahren scheint der Anteil der regenerativen Wärmeerzeuger bei ca. 12% Marktanteil zu stagnieren, sodass der Weiterentwicklung der fossil befeuerten Wärmeerzeuger eine besondere Bedeutung zukommt.

Brennwerttechnik stark im Kommen
Neben einer weiterhin wünschenswerten stärkeren Förderung der Brennwerttechnik durch die Politik stellt sich die Frage, ob der Trend zur Brennwerttechnik – speziell für den Brennstoff Heizöl – durch innovative Produkte und den damit erzeugten Kundennutzen stärker unterstützt werden kann. Analysiert man die Produktmerkmale der heute verfügbaren Öl-Brennwertgeräte und vergleicht diese mit denen der Gas-Brennwertgeräte, ergeben sich u.a. folgende Anforderungen:

• effizient,
• kompakt,
• leise,
• modulierend,
• emissionsarm.

Produktkonzept
Die Zielsetzung des neuen Produktkonzepts „Logano Plus GB145“ bestand bei konstant hoher Energieausnutzung darin, die Leistungsdichte zu verbessern, das Gewicht des Geräts zu reduzieren und einen modulierenden Betrieb mit einer Minimal-Leistung von 5kW zu realisieren. Gelöst wurde das durch Kombination eines Wärmeübertragers aus Aluminium-Guss mit einem neu entwickelten modulierenden Ölbrenner und einem Regelungskonzept mit serienmäßiger IP-Schnittstelle zur Anbindung an das Internet.

Gewichtsreduktion durch Plattform-Wärmeübertrager
Der Plattform-Wärmeübertrager besteht aus einem modularen Glieder-Konzept, das für 15 bis 40 kW ausgelegt wurde. Der verwendete Werkstoff Aluminium führt in Verbindung mit der Wärmeübertragertechnologie zu einer Gewichtseinsparung auf 65 kg.
Das Konzept des Wärmeübertragers ist schematisch in Bild 2 dargestellt. Die Verbrennungsgase strömen aus dem zylindrischen Feuerraum durch die Spalten zwischen den einzelnen Gliedern in den äußeren Umlenkraum und dann über die mit Rücklaufwasser durchströmten Kondensationsglieder in den Abgasstutzen. Das System wurde 2011 bereits in Verbindung mit einem modulierenden Gasbrenner im Markt eingeführt. Beim „Logano plus GB145“ wird er nun mit einem modulierenden Öl-Verdampfungsbrenner kombiniert. Das ermöglicht einen späteren Wechsel von Öl- zum Gas-Brenner.

Öl-Verdampfungsbrenner für eine „saubere“ Verbrennung
Der eingesetzte Ölbrenner ist ein Verdampfungsbrenner, bei dem die Verdampfung des Heizöls und die Vermischung mit der Verbrennungsluft räumlich getrennt von der Verbrennung stattfinden (Bild 3). Das zentrale Bauteil dieser Funktionen ist die Brennstaboberfläche, die gleichzeitig zur Gemischverteilung und Flammenstabilisierung dient. Die Zufuhr des Brennstoffs wird über eine Standard-Ölpumpe realisiert. Gegenüber herkömmlichen Ölbrennern wurde der Öldruck jedoch reduziert. Zur Zerstäubung wird ein für die Anwendung optimiertes Einspritzventil verwendet, welches auch bei niedrigem Öldruck Sprüheigenschaften wie eine herkömmliche Ölbrennerdüse aufweist.
Das Vorwärmen der Luft erfolgt im stationären Betrieb mittels eines Luftwärmeübertragers, der durch die Flamme des Oberflächenbrenners beheizt wird (Bild 4). Die Auslegung wurde so gewählt, dass über den gesamten Modulationsbereich die korrekte Lufttemperatur zur vollständigen Verdampfung des Brennstoffs erreicht wird. Beim Brennerstart wird die Luft mit einer Heizpatrone elektrisch aufgeheizt. Zur Umschaltung der Luftströmung von der Startphase auf die stationäre Phase wurde eine Luftklappe verwendet.
In der Gemisch-Aufbereitung finden die Verdampfung des Kohlenwasserstoffs und gleichzeitig die Vormischung mit der Verbrennungsluft statt. Die Verdampfung des zerstäubten Brennstoffs erfolgt in einem Polster aus vorgewärmter Luft, um einen ablagerungsfreien Betrieb sicherzustellen. Die optimale Vermischung von Luft und Öl sowie die anschließende Verteilung über der Brenneroberfläche werden mittels einer neu entwickelten Mischeinrichtung umgesetzt. Dabei ist die Balance aus Temperatur und Aufenthaltszeit des Gemisches entscheidend, um das Fenster zwischen vollständiger Verdampfung und Vermeidung der Selbstzündung betriebssicher in allen Betriebszuständen einhalten zu können.
Auf der Oberfläche des Brennstabs finden die vollständige Oxidation und die Hauptenergieumsetzung der verdampften und mit Luft vorgemischten Kohlenwasserstoffe statt. Die gewählte Oberflächenbelastung verhindert einerseits die Überhitzung des Brennstabmaterials und gleichzeitig die Einhaltung der geforderten Emissionen von NOX und CO über den gesamten Modulationsbereich von 5 bis 15kW.

Modulares Regelungskonzept
Zur Regelung und Steuerung des Brennwertgeräts wird das in Bild 5 gezeigte modulare Konzept umgesetzt. Der Feuerungsautomat „SAFe 50“ bildet dabei die „Intelligenz“ zur Brennersteuerung und Überwachung der Sicherheitsfunktionen. Neben den üblichen Abläufen eines digitalen Feuerungsautomaten verfügt das System zusätzlich über eine Verbrennungsregelung mittels Sauerstoffsonde. Der Einsatz einer Lambdasonde ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung des Luftverhältnisses an unterschiedliche Bedingungen der Anlage. So wird sichergestellt, dass der Kessel immer mit dem optimalen Luftverhältnis betrieben wird. Die Brennereinstellung durch den Fachhandwerker kann somit entfallen und die Überwachungsintervalle durch den Schornsteinfeger verlängern sich für den Endkunden.
Als weiteres Feature wird das Öl-Brennwertgerät serienmäßig mit einer IP-Schnittstelle ausgerüstet, sodass der Kessel über ein Smartphone mit Internetverbindung bedient und eingestellt werden kann.

Verbrennungswerte und Leistungsaufnahme
Die Emissionswerte (Bild 6) liegen im gesamten Modulationsbereich unterhalb der Grenzen nach DIN EN 267. Die Norm­emissionsfaktoren nach DIN 4702-8 betragen für Kohlenmonoxid 16 kW/kWh und für Stickoxide 18 mg/kWh.
Ein weiteres Entwicklungsziel war die Verringerung der elektrischen Leistungsaufnahme im Betrieb. Durch Einsatz stromsparender Komponenten und durch die Optimierung des Systems auf niedrige Druckverluste konnte der Stromverbrauch gegenüber bisherigen Systemen um 60 bis 75% abgesenkt werden (Bild 7). Die höhere Stromaufnahme beim Start fällt bei korrekter Anlagenauslegung kaum ins Gewicht, da der wesentliche Anteil der Jahresheizarbeit durch den Modulationsbereich abgedeckt werden sollte. Außerdem wurde die Kesselregelung auch für den Wärmebedarf unterhalb der Minimallast auf möglichst lange Brennerlaufzeiten optimiert.
 
Autoren: Dr. Ing. Detlev Gerling, Entwick­lungsleitung Produktbereich Heizen Boden, Buderus Deutschland und Till Wodraschka, Produktmanager, Buderus Deutschland

Bilder, wenn nicht anders angegeben: Bosch Thermotechnik GmbH

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