Der Linie entlang

Vorteile der Modulation bei Gas-Brennwertgeräten

Ralf Krüger*

Die Breite des Modulationsbereiches ist neben anderen ein wichtiges Leistungsmerkmal von Gas-Brennwertkesseln. Die Richtigkeit dieser Aussage soll mit den folgenden Ausführungen belegt werden.

Was bedeutet Modulation?

Der Begriff Modulation bezeichnet beim Kessel die stufenlose Leistungserzeugung innerhalb der minimalen und maximalen Nennleistung. Die Leistungsbandbreite, innerhalb derer der Brenner modulieren kann, bezeichnet man als Modulationsbereich. Ein möglichst großer Modulationsbereich führt dazu, dass die Leistungsabgabe eines Kessels dem Wärmebedarf des zu beheizenden Gebäudes flexibel angepasst werden kann. Denn bedingt durch jahreszeitliche Einflüsse und unterschiedlichste Warmwasser-Anforderungen unterliegt der Wärmebedarf ständigen Veränderungen. Je weiter ein Kessel aufgrund seiner technischen Konzeption in der Lage ist herunterzumodulieren, desto länger kann er sich dem sinkenden Wärmebedarf des Gebäudes anpassen und desto länger wird er im angepassten Modulationspunkt beharren und nicht takten, d.h. abschalten, um dann wieder anzufahren. Bild 1 lässt in etwa auf den Heizwärmebedarf schließen und verdeutlicht, dass die Modulation des Kessels nahezu über die gesamte Heizperiode aktiv ist.

Bild 1: Die Modulation macht es möglich: 98 Prozent der Jahresheizarbeit liegen im Brennwertbereich. Die Jahresheizarbeit (graue Fläche) bei dieser Anlage mit 80/60°C lässt in etwa auf den Heizwärmebedarf schließen und verdeutlicht, dass die Modulation des Kessels nahezu über die gesamte Heizperiode aktiv ist. Der Taupunkt-Grenzbereich liegt bei ca. 53°C.

Zahlreiche Vorteile für Anlagenbetreiber

Geräte mit einem großen Modulationsbereich bieten Anlagenbetreibern eine Vielzahl von Vorteilen:

Bedingt durch die deutlich abgesenkte Anzahl von Starts werden betroffene Bauteile wie Zündtrafo und Zündelektroden weniger belastet und die in den Verbrennungsprozess einbezogenen Bauteile weniger häufig den Temperaturschwankungen zwischen Brennerbetrieb und Ruhestellung ausgesetzt. Die geringere Beanspruchung der Materialien erhöht die mögliche Einsatzdauer sowie die Betriebssicherheit und senkt zugleich die Wartungskosten.

Ein großer Modulationsbereich reduziert die Schwankungen in den Vorlauftemperaturen und erhöht damit gleichzeitig den Komfort. Denn durch die flexible Anpassung der Leistung an den aktuellen Wärmebedarf wird wesentlich häufiger und länger ein Modulationspunkt erreicht, bei dem die Leistungsabgabe des Kessels und damit die Vorlauftemperatur exakt dem Bedarf des Gebäudes entsprechen.

Weniger Brennerstarts infolge eines großen Modulationsbereiches erhöhen den Wirkungsgrad: Bei allen Geräten ist der Wirkungsgrad in der Startphase mit Vorspülung bzw. in der Phase der Nachspülung vor dem nächsten Start am niedrigsten. Eine deutlich reduzierte Anzahl von Starts reduziert somit auch die Energieverluste.

Daraus ergibt sich auch ein positiver Effekt für die Umwelt. Denn da die Verbrennung in der Startphase am wenigsten optimal ist, werden durch eine geringere Anzahl von Starts die anfahrbedingten Emissionen vermindert.

Ein weiterer energetischer Vorteil der Modulation liegt in der verringerten elektrischen Leistungsaufnahme: Durch die Modulation der Gebläse und der Pumpen wird der Stromverbrauch reduziert.

Weiterhin profitieren Anlagenbetreiber von verringerten Geräuschemissionen: Ein Gerät, das nicht ständig an seine maximale Leistungsgrenze gehen muss, verursacht geringere Strömungs- und Betriebsgeräusche.

Auch im Zusammenhang mit Warmwasserspeichern wirkt sich ein großer Modulationsbereich vorteilhaft aus, und zwar bedingt durch eine bessere Energienutzung im Grenzladebereich. Durch die flexible Anpassung der Kesselleistung an die Wärmeabnahme des Speichers wird die Ladezeit besonders zum Ende des Ladevorgangs, in der die Wärmeabnahme der Speicher abnimmt, verkürzt. Könnte der Brenner aber zum Beispiel nur bis 10 kW heruntermodulieren und der Speicher im Gegenzug nur noch 4kW aufnehmen, wären Energie- und Zeitverluste sowie zusätzliche Emissionen durch Takten unvermeidbar.

Bild 2: Das modulierende Gebläse stellt ein homogenes Gas-/Luftgemisch bei unterschiedlichen Gebläsedrehzahlen für die Verbrennung bereit.

Technische Umsetzung

Wie aber lässt sich ein möglichst breiter Modulationsbereich bei Gas-Brennwertkesseln realisieren? Wichtiges Element ist die Aufbereitung eines homogenen** Gas-/Luftgemisches bei unterschiedlichen Gebläsedrehzahlen über einen geeigneten Gas-/Luftverbund (Bild 2). Das Gemisch wird dann einem Vormisch-Strahlungsbrenner (Bild 3) in einem Brennraum mit angepasster Heizfläche (Bild 4) zugeführt. Die optimale Abstimmung der genannten Bauteile führt zum angestrebten möglichst großen Modulationsbereich, wie zum Beispiel beim wandhängenden Gas-Brennwertkessel MICROMAT EC 23/28 von MAN Heiztechnik. Dieser Kessel moduliert ab 3,1kW aufwärts und stellt in der Spitze für die Warmwasserbereitung 28 kW bereit. Ein weiteres Beispiel: Der bodenstehende Gas-Brennwertkessel MIDIMAT HT 330 moduliert zwischen 66 und 331kW.

Bild 3: Das Gas-/Luftgemisch wird bei MAN Heiztechnik über den modulierenden und wartungsfreien ECONOX-Vormisch-Strahlungsbrenner einem Brennraum mit angepasster Heizfläche zugeführt.

Modulierende Pumpen für noch höheren Wirkungsgrad

Eine zusätzliche Möglichkeit, den Wirkungsgrad von Gas-Brennwertkesseln weiter zu erhöhen, bietet sich durch den Einsatz modulierender Pumpen (Bild 5). Mittels einer temperaturabhängigen Regelung (DJ) wird die Spreizung zwischen Vor- und Rücklauf erhöht, umso bei einer möglichst geringen Rücklauftemperatur die Brennwertnutzung und damit den Wirkungsgrad weiter zu optimieren. Der Massenstrom im Heizsystem wird herabgesetzt, und die Verweilzeit des Wassers im System nimmt zu. Konsequenz: Die Rücklauftemperatur sinkt.

Bild 4: In dem spiralförmigen Spalt-Wärmetauscher aus Edelstahl wird eine optimale Wärmeübertragungsleistung auf kleinstem Raum erreicht.

Auch der Einsatz einer hydraulischen Weiche bei Brennwertkesseln ist möglich. Hier können die hydraulischen Vorteile ohne Nachteile für den Brennwerteffekt genutzt werden, wenn der Kessel mit einer DJ-Regelung und modulierenden Pumpen ausgestattet ist.

Bild 5: Mit einer modulierenden Pumpe und der DJ-Regelung können hydraulische Vorteile ohne Nachteile für den Brennwerteffekt genutzt werden.

Fazit

Die Ausführungen belegen, dass ein breiter Modulationsbereich sowie der Einsatz modulierender Pumpen wichtige Qualitätskriterien darstellen, die in die Überlegungen zur Geräteauswahl einfließen sollten. Denn ein breiter Modulationsbereich trägt zur Energieeinsparung sowie zur Umweltentlastung bei und reduziert die Betriebs- bzw. Wartungskosten.

*) Ralf Krüger, Technischer Leiter Brennwerttechnik bei MAN Heiztechnik GmbH, Hamburg

**) homogen = (hier) sehr gut durchgemischt

B i l d e r : MAN Heiztechnik GmbH, Hamburg

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