125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 17/1997, Seite 62 ff.

Auf die Konstruktion kommt es an

Dipl.-Ing. (TU) Hans-Jürgen Lotze

Mit dem Begriff "Brennwert" bezeichnet man bei Brenngasen die gesamte, in einem Kubikmeter Gas enthaltene chemisch gebundene Energie. Chemisch gebundene Energie bedeutet, daß diese Energie nur durch eine chemische Reaktion (Oxidation beziehungsweise Verbrennung) freigesetzt werden kann. Bei der chemischen Reaktion "Verbrennung" entsteht Wasser in dampfförmigem Zustand - und in diesem Wasserdampf ist ein Teil der Energie in Form von latenter (versteckter) Wärme enthalten.

Brennwerttechnik bedeutet nichts anderes, als die zusätzliche Nutzung dieser, im Wasserdampf enthaltenen Energie. Durch die planmäßige Abkühlung des Abgases unter den Taupunkt - das heißt die Temperatur, bei der der Wasserdampf kondensiert - können der Heizungsanlage pro Kilogramm entstehendes Kondenswasser 0,63 kWh Energie als zusätzlicher Nutzen zugeführt werden, die sonst mit dem Abgas den Kessel verlassen würden. Außerdem wird durch die weitere Absenkung der Abgastemperatur noch ein weiterer zusätzlicher Energiebetrag als Nutzen gewonnen (sensible Wärme).

Ein Brennwertgerät hat deshalb die Aufgabe, das Brenngas vollständig und sauber zu verbrennen und die Abgastemperatur im Gerät möglichst weit unter den Taupunkt abzusenken, damit viel Wasserdampf kondensiert und so ein maximaler Nutzungsgrad entsteht.

Bild 1: Brennwertkessel nach dem Prinzip der Pulsationsverbrennung.

Der Gedanke, die gesamte im Brenngas enthaltene Energie - also den ganzen Brennwert - zu nutzen, ist nicht neu. Da aber wegen der Gefahr der Korrosion der Taupunkt in "normalen" Kesseln nicht unterschritten werden konnte, versuchte man anfangs, durch nachgeschaltete, korrosionsbeständige Abgas-Wärmeübertrager den heißen Abgasen sowohl zusätzliche sensible (fühlbare) Wärme durch Abkühlung als auch latente Wärme durch Kondensation des Wasserdampfes zu entziehen - eine Bauweise, die heute nur noch bei großen Leistungen üblich ist.

Im Bereich kleiner Leistungen gab es in den letzten Jahren - bedingt durch den Fortschritt in der Werkstofftechnik und der Elektronik - beachtliche Verbesserungen in der Technik der Brennwertgeräte.

Seit dem ersten in Deutschland bereits 1983 DIN-/DVGW-zugelassenen Gas-Brennwertkessel ,Hydro Pulse’ der Firma Hydrotherm (Bild 1) - der bis 1994 gebaut wurde und der als einziger Brennwertkessel nach dem Prinzip der Pulsationsverbrennung arbeitete - hat sich viel getan, und es gibt heute auf dem deutschen Markt rund 30 Anbieter von Gas-Brennwertgeräten.

Einfluß der Gerätetechnik auf die Brennwertnutzung

Bevor wir uns dem aktuellen Stand der Technik moderner Gas-Brennwertgeräte zuwenden, soll der Einfluß der Gerätetechnik auf den gewünschten Effekt der Energieeinsparung durch Brennwerttechnik näher betrachtet werden.

1. Verbrennung

Der Einfluß der Gerätetechnik auf den Grad der Brennwertnutzung beginnt bereits bei der Verbrennung, denn die Höhe der durch Kondensation zusätzlich nutzbaren latenten Wärme wird durch den Wasserdampf-Taupunkt des Abgases bestimmt. Dieser ist nicht nur von der Abgastemperatur sondern auch von der Luftzahl der Verbrennung, also dem Gas-Luft-Verhältnis, abhängig.

Da es sich bei dem Abgas nicht um reinen Wasserdampf handelt, dessen Taupunkt bekanntlich 100°C beträgt, sondern um ein Gas-Luft-Gemisch, beträgt der Wasserdampf-Taupunkt im Abgas bei Erdgas H bei der Luftzahl 1 nur 58°C. Je höher die Luftzahl über den Wert 1 steigt, desto geringer wird der Taupunkt und entsprechend weniger Wasserdampf kann bei einer bestimmten Abgastemperatur kondensieren.

2. Wärmeübertrager

Den wesentlichsten Einfluß auf die gewünschte Nutzung des Brennwerts hat natürlich der Wärmeübertrager des Brennwertgerätes. Er bestimmt durch seine Fläche, seine Gestaltung, sein Material und seine Form sowohl die Wärmeübertragungs-Verhältnisse und damit die Abgastemperatur beziehungsweise die Rücklauftemperatur des Heizwassers, als auch die Geräteabmessungen und das Gewicht.

3. Elektronik

Als weiteren Einfluß der Gerätetechnik auf die Brennwertnutzung ist unbedingt noch das elektronische Gerätemanagement zu nennen, also die Überwachung, Steuerung und Regelung aller internen Gerätefunktionen einschließlich der Zusammenarbeit mit der externen Regelung.

Durch diese, in der Regel auf der Basis von Mikrocomputern arbeitende, komplexe Elektronik, wird ein effizienter und wirtschaftlicher Betrieb des Gerätes erreicht. Bedingt durch die nach wie vor dynamische Entwicklung der Hard- und Software wird das zukünftige Potential der weiteren Verbesserung der Brennwertgeräte auf dem Gebiet der Elektronik liegen, während die Brennerentwicklung inzwischen einen so hohen Stand erreicht hat, der höchstens noch auf dem Gebiet der katalytischen Verbrennung Fortschritte erwarten läßt.

4. Ausblick: SCOT

Bild 2: Prinzip der Gasartenerkennung durch die System COntrol Technology.

Die neue Technologie SCOT, die System COntrol Technology, die aus wenigen Bauteilen besteht (Bild 2), ermöglicht es, die jeweilige Gasart zu erkennen und den Kessel automatisch auf eine optimale Verbrennung einzustellen - und damit möglichst nah an den Idealwert von 1 für die Luftzahl zu kommen. Diese neue Technologie wird ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung der Verbrennungstechnik sein. Für 1998 ist bei Hydrotherm die Integration dieser Technologie in das wandhängende Brennwertgerät ,Nimbus‘ geplant, nachdem bereits in diesem Jahr die ersten bodenstehenden Geräte damit ausgerüstet werden.

Stand der Technik

Moderne Gas-Brennwertgeräte arbeiten mindestens zweistufig, meist jedoch modulierend. Das heißt, sie passen sich dem erforderlichen Wärmebedarf der Heizungsanlage weitgehend an, wobei bereits Modulationsbereiche von 30 bis 100% möglich sind. Diese Geräte sind in der Regel mit einem Verbrennungsluft-Gebläse versehen, wodurch sie die strengen sicherheitstechnischen Anforderungen für Gebläsebrenner erfüllen, und sie haben einen geschlossenen Verbrennungsraum.

Die Verbrennung wird meist dadurch geregelt, daß die Drehzahl des Verbrennungsluft-Gebläses elektronisch in Abhängigkeit der Leistungsanforderung verändert wird und dadurch die Gasmenge pneumatisch über eine modulierende beziehungsweise zweistufige Gas-Regelarmatur bei konstanter Luftzahl der entsprechenden Luftmenge angepaßt und dem Brenner zugeführt wird (Bild 3).

Bild 3: Prinzipdarstellung Gas-Luft-Verbund.

Diese Gas-Luft-Verhältnisregelung sichert über den gesamten Modulationsbereich eine konstante Luftzahl und ermöglicht damit eine schadstoffarme Verbrennung. Es gibt am Markt auch einige wenige Gas-Brennwertgeräte, die mit einer direkten Luftzahl-Überwachung und -steuerung durch eine Lambdasonde arbeiten. Das oben kurz angesprochene System SCOT wird diese Technik sicherlich über kurz oder lang ablösen.

Als Werkstoffe für die mittels Verbrennungsluft-Gebläse vollständig vormischenden Brenner kommen verschiedene Materialien zum Einsatz, wie beispielsweise Edelstähle oder Keramik. Durch Verwendung druckstabiler Luftgebläse und den Einsatz der elektronisch überwachten Gas-Luft-Verhältnisregelungen garantieren diese Brennerkonstruktionen eine hohe Konstanz der Verbrennungsgüte über lange Zeit.

In bezug auf die Schadstoff-Emissionen erfüllen moderne Gas-Brennwertgeräte mit diesen Verbrennungssystemen grundsätzlich die Anforderungen des Umweltzeichens UZ 61 (Blauer Engel) für besonders schadstoffarme Gas-Brennwertkessel (NOx 65 mg/kWh und CO 50 mg/kWh). Die besten Gas-Brennwertgeräte unterschreiten sogar die weltweit schärfsten Anforderungen des Hamburger Fördermodells (NOx 25 mg/kWh und CO 33 mg/kWh).

Wärmeübertrager

Das Herzstück eines jeden Heizgerätes ist der Wärmeübertrager - und dies gilt in ganz besonderem Maß für Gas-Brennwertgeräte. Er muß korrosionsfest und so dimensioniert, beziehungsweise konstruiert sein, daß ein hoher Wärmeübergang stattfindet - also bei minimaler Fläche maximale Energie vom Verbrennungsgas auf das Heizungswasser übertragen wird, er dabei aber möglichst wenig Platz benötigt, ein geringes Gewicht hat und wenig kostet.

Zur Realisierung dieser zum Teil gegensätzlichen Anforderungen werden die Wärmeübertrager moderner Gas-Brennwertgeräte mit Hilfe sehr komplexer Berechnungsprogramme auf Hochleistungscomputern vorausberechnet und in aufwendigen Abstimmversuchen optimiert, so daß sie Temperaturdifferenzen zwischen Abgas und Heizwasserrücklauf von 5 bis 10 K erreichen.

Als Werkstoffe für Wärmeübertrager kleiner Leistungen hat sich in großem Umfang Aluminium-Silizium-Guß durchgesetzt, da durch die Gußtechnologie auch sehr komplizierte, aber platzsparende Formen realisierbar sind. Außerdem gibt es eine Reihe von Gas-Brennwertgeräten, die mit Wärmeübertragern aus Edelstahl ausgerüstet sind. Diese Wärmetauscher erfordern jedoch ein hohes Niveau der Fertigung, da sie grundsätzlich als Schweißkonstruktionen ausgeführt sind. Der wesentliche Vorteil eines Edelstahl-Wärmetauschers ist sein geringeres Gewicht durch die Verwendung dünner Bleche.

Einige wenige Hersteller von Gas-Brennwertgeräten verwenden als Werkstoff auch emaillierten Grauguß oder auch stranggepreßte Aluminiumprofile, welche mittels Schweißverbindungen zum Wärmeübertrager verarbeitet werden.

Maßgeblich wird der Stand der Technik moderner Gas-Brennwertgeräte durch die Entwicklung im Bereich der Elektronik bestimmt. Die heutigen Gas-Brennwertgeräte verfügen in der Regel über ein hochentwickeltes, komplexes internes und externes elektronisches Gerätemanagement auf der Basis eines Mikrocomputers (Mikroprozessorsteuerung).

Dieser Mikrocomputer überwacht, steuert und regelt mit Hilfe verschiedener Sensoren alle Gerätefunktionen, wie beispielsweise die oben beschriebene Gas-Luft-Verhältnisregelung zur Sicherung einer konstanten, schadstoffarmen Verbrennung.

Selbstverständlich ist heute bei Gas-Brennwertgeräten im häuslichen Bereich, daß der Mikrocomputer auch die Überwachung der Sicherheit, das heißt die Aufgaben des Gasfeuerungsautomaten, übernommen hat und daß diese Geräte über ein intelligentes Fehlerdiagnosesystem verfügen, welches zum Teil noch eine Ebene hat, die nur dem Kundendienst zugänglich ist und die dem Techniker ermöglicht, aus einer Vielzahl gespeicherter Daten die Fehlerursachen zu erkennen.

Bedingt durch die hohe Rechengeschwindigkeit und Speicherkapazität ist die Elektronik auch in der Lage, aus der Verarbeitung zeitversetzter Informationen Prognosen zu erstellen und so eine optimale Betriebsweise zu ,erlernen‘ (beispielsweise selbstadaptierende Heizkurven).

Eine beachtliche Verbesserung des Brennwerteffektes kann mit Hilfe der Elektronik dadurch erreicht werden, daß der Mikrocomputer aus den Daten der Temperaturen des Heizwasser-Vor- und -Rücklaufes und der programmierten Pumpenkennlinie einer modulierenden internen (oder auch externen) Heizungsumwälzpumpe die für eine maximale Temperaturdifferenz (Spreizung) erforderliche Pumpendrehzahl berechnet und einstellt, so daß durch diese direkte D-Regelung eine minimale Rücklauftemperatur im Gas-Brennwertgerät erreicht wird.

Gerätebeispiel

Als konkretes Beispiel für moderne Technik wird hier das bereits erwähnte Gas-Brennwertgerät Nimbus, das wahlweise als Heizgerät und als Kombigerät mit integrierter Warmwasserbereitung, erhältlich ist, vorgestellt. (Bild 4)

Die Besonderheit des Kombigerätes liegt darin, daß in einem Energiespeicher mit acht Litern Inhalt warmes Heizungswasser vorgehalten wird, so daß bei Brauchwasserzapfung auch im Sommerbetrieb sofort genügend Energie zur Brauchwassererwärmung vorhanden ist und so die Warmwasser-Auslauftemperatur sehr schnell ansteigt und über den gesamten Zapfvorgang konstant bleibt.

Bild 4: Gas-Brennwertgerät Nimbus BB 25.

Durch den konstruktiven Aufbau des Brauchwasser-Wärmeübertragers und dessen Lage im Energiespeicher arbeitet dieses Gas-Brennwertgerät auch bei der Brauchwasserbereitung im kondensierenden Bereich.

Der Aufbau dieses Gas-Brennwertgerätes ist aufgrund des komplexen Wärmeübertragers sehr einfach. Dieser Wärmeübertrager besteht aus einer gegossenen Aluminium-Silizium-Legierung mit strömungstechnisch optimierter Berippung auf der Brennkammerseite und den Wasserkanälen auf der Rückseite, wobei die Wasserführung im Kreuzstrom zum Abgas erfolgt.

Erstmals wurden bei diesem Wärmeübertrager auch die Anschlüsse für die Heizungsumwälzpumpe und die Brauchwasser- beziehungsweise Speicherladepumpe im Guß integriert, so daß hier die beiden Pumpen ohne zusätzliche Verrohrung direkt auf den Wärmeübertrager geflanscht werden, was durch eine neu entwickelte Umwälzpumpe mit "hydraulischer Schnittstelle" ermöglicht wird.

Da auch die Abgasführung im Gerät und der Abgasstutzen gegossen sind, entfällt bei diesem Gerät eine interne Verrohrung, wodurch trotz des großen Energiespeichers für die Brauchwasserbereitung sehr geringe Geräteabmessungen realisiert werden konnten.

Der vollständig vormischende Laminox-Gasbrenner besteht aus einer Kombination von geraden und gewellten Edelstahl-Blechstreifen.

Die dadurch entstehende große Austrittsfläche für das Gas-Luft-Gemisch bewirkt, daß die Flamme kurz ist und direkt über der Brenneroberfläche liegt, was wiederum durch die Masse des Brenners zu einer relativ kühlen Verbrennung mit sehr niedriger NOx-Emission von nur 24 mg/kWh führt.

Die Gas-Luft-Vormischung übernimmt ein elektronisch drehzahlgeregeltes Verbrennungsluftgebläse, in dessen Ansaugtrichter das Brenngas über nur eine Düse direkt eingedüst wird, wodurch eine sehr homogene Vermischung zwischen Brenngas und Verbrennungsluft erreicht wird.

Die Drehzahl dieses Gebläses wird von einer Mikroprozessorsteuerung überwacht und lastabhängig geregelt, so daß in Verbindung mit einer modulierenden Gasregelarmatur eine pneumatische Gas-Luft-Verhältnisregelung realisiert wird, die die Leistung dieses Gas-Brennwertgerätes zwischen 40 und 100% modulieren kann.

Eine weitere Besonderheit des Nimbus besteht im Einsatz einer elektronisch modulierenden Heizkreispumpe im Gerät, die von der Geräteelektronik durch getrennte Messung der Heizwasser-Vor- und -Rücklauftemperatur so geregelt wird, daß eine wählbare Temperaturspreizung von 10 oder 20 K erreicht wird. Damit nimmt die Elektronik direkten Einfluß auf die Abgastemperatur, wodurch der Brennwerteffekt - also der Nutzungsgrad - erhöht wird.

Noch stärker und positiver als die Erhöhung des Nutzungsgrades wirkt sich die Einsparung von Elektroenergie aus. Weil diese modulierende Pumpe nur bei maximalem Wärmebedarf auf voller Drehzahl läuft, können pro Jahr bis zu 300 kWh Elektroenergie eingespart werden - ein Sachverhalt, der bei der energetischen Gesamtbetrachtung einer Anlage beachtet werden sollte.

Die intelligente Elektronik ist in der Lage, Tag und Nacht sowie Sommer und Winter zu erkennen und verfügt über ein umfangreiches Fehlerdiagnosesystem mit zusätzlich abrufbarem speziellen Fehlerspeicher für den Service.

Für die Luft-Abgas-Führung sind verschiedene Systeme der Kategorie C mit dem Gerät geprüft und zugelassen.

Im Bereich mittlerer Leistungen ist der Einsatz von Brennwerttechnik besonders effektiv, so daß hier zunehmend Gas-Brennwertkessel eingesetzt, beziehungsweise im Bereich öffentlicher Bauten sogar vorgeschrieben werden.

Fazit

Wärmeerzeuger, Anlage und Abgasabführung bilden eine Einheit! Daß der Anteil der Brennwertnutzung an der Jahresheizarbeit in hohem Maße von der Heizwasser-Rücklauftemperatur abhängt, ist allgemein bekannt. Weit weniger bekannt und daher häufig unterschätzt sind jedoch die Einflüsse, die direkt auf die konstruktiven Merkmale des Gas-Brennwertgerätes zurückzuführen sind.

Es wurde in diesem Aufsatz dargestellt, daß der technische Stand der Gerätetechnik bei Gas-Brennwertgeräten einen wesentlichen Einfluß auf den gewünschten Effekt der Energieeinsparung durch Brennwertnutzung hat. Durch elektronisch überwachte und geregelte, besonders schadstoffarme Brennersysteme sind moderne Gas-Brennwertgeräte aufgrund ihres hohen technischen Standes nicht nur die sparsamsten, sondern auch die sichersten und umweltfreundlichsten Gasanwendungsanlagen.

B i l d e r : Hydrotherm GmbH, Holzminden

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