FHTE Vorlesung Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung. Inhaltsverzeichnis

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1 FHTE Vorlesung Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Teil B: Wärmeerzeugung Inhaltsverzeichnis 1. Berechnungsgrundlagen Heizkessel, Aufbau und Betriebsweise Grundlagen Der Kessel als Wärmetauscher Brennstoffart Brennstoffvielfalt Kesseltyp Bauform Anzahl Kessel Regelung Brennerprinzip Einbindung Trinkwarmwassererzeugung Normen und Richtlinien Brennwerttechnik Wirkungs- und Nutzungsgrad Öl- / Gaskessel Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW) Industriekessel 0,5-2 MW Pelletkessel Hackschnitzelkessel Dampfkessel Auslegung von Kesselanlagen Wärmebedarf Auslegung / Nennleistung Integration in die Gesamtanlage Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW) Industriekessel 0,5-2 MW Industriekessel 2-50 MW Trinkwarmwassererzeugung Grundlagen Auslegung und Anlagentechnik Rev

2 Speicherladesystem System mit innenliegendem Wärmetauscher Berechnungsbeispiel Nahwärmeversorgung Grundlagen Wärmebedarf - geordnete Jahresdauerlinie Rohrleitungen und Absperrungen Hauseinführungen Hausübergabestation Regelung Anschlussbedingungen Blockheizkraftwerke Anlagentechnik Betriebsweise Technische Daten Investitions- und Betriebskosten Investitionskosten Betriebskosten Wirtschaftlichkeit Kraft-Wärme-Kopplung Grundlagen Berechnungen Wirtschaftlichkeitsberechnung Grundlagen Dynamische Annuitätsmethode Barwertmethode Interner Zinsfuß Berechnungsbeispiel Nahwärmeversorgung Anlagencontracting Referenzen Revision Date of Revision Modified Checked Remarks M.Heinisch M.Heinisch Kapitel 9 neu verfasst M. Heinisch M. Heinisch Rev

3 1. Berechnungsgrundlagen In den Berechnungsgrundlagen sind die hier benötigten Zusammenhänge / Grundgleichungen aufgeführt. Die jeweiligen Zahlenbeispiele sind willkürlich gewählt und sollen mit den gewählten Einheiten die praktische Anwendung erleichtern. Die Tabellen stammen aus dem Arbeitsblatt A1. Gr 2.9: Häufig benötigte Formeln Feldfarben: Eingabe Ergebnis Formel Gespeicherte Wärme Q 0,56 [kwh] Q = m * cp * dt (1) Q 0,56 [kwh] Q = ϱ * V * cpm * dt (2) Masse m 100,00 [kg] Volumen V 100,00 [m³] spez. Wärmekapazität cp 1,00 [kj/kg K] spez. Wärmekapazität cpm 1,00 [kj/m³ K] Temperaturdifferenz dt 20,00 [K] Wärmeleistung infolge infolge infolge Massenstrom Volumenstrom spez. Wärmekapazität spez. Wärmekapazität Temperaturdifferenz Wärmeübertragung Wärmeleitfähigkeit Schichtdicke Durchtrittsfläche Temperaturdifferenz infolge Wärmeübergang Wärmeübergangskoeffizient Durchtrittsfläche Temperaturdifferenz Q 0,56 [kw] Q = m * cp * dt (3) Q 0,56 [kw] Q = ϱ * V * cpm * dt (4) m 100,00 [kg/h] V 100,00 [m³/h] cp 1,00 [kj/kg K] cpm 1,00 [kj/m³ K] dt 20,00 [K] Q 0,40 [kw] Q = (λ / s) * A * dt (5) λ 0,04 [W/m K] s 0,01 [m] A 2,00 [m²] dt 50,00 [K] Q 1,5 [kw] Q = α * A * dt (6) α 15 [W/m² K] A 2,00 [m²] dt 50,00 [K] Kontinuitätsgleichung Durchtrittsfläche Strömungsgeschwindigkeit A w 0,15 [m³/s] V = A1 * w1 = A2 * w2 (7) 0,10 [m²] 1,5 [m/s] Pumpe / Antriebsleistung Druckdifferenz nach/vor Pumpe 0,20 [bar] Volumenstrom 5,00 [m³/h] 0,0014 [m³/s] Wirkungsgrad mech+el. 60,00 [%] Antriebsleistung 46,30 [W] P = dp * V / ƞp In Kap. 6 Nahwärmeversorgung wird die Grobdimensionierung von Nahwärmerohrleitungen ohne Druckverlustberechnung behandelt. Für die Druckverluste werden Herstellerangaben genannt. Für die Auslegungsplanung müssen selbstverständlich Druckverlustberechnungen durchgeführt werden. Das betrifft dann nicht nur die Rohrleitungen selbst sondern auch die Einbauten wie Ventile, Wärmetauscher etc. Da es sich in der Regel um verzweigte Netze handelt, wird diese Berechnung mit dafür geeigneten Programmen erstellt. Die Rev

4 FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de Grundlagen der Berechnung von Druckverlusten sind in fast jedem (Rohrleitungs-)Handbuch zu finden. Hier ein Auszug aus / /. 3.) Druckverlust in Abhängigkeit vom Rohr-Innendurchmesser für einen ausgewählten Fall Druckverlust dp abhängig vom Rohrdurchmesser d Druckverlust dp [Pa] dp = * l * ξ * ρ * V ² / (π² * d⁵) mit V= d 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,05 0,06l=1 m 0,07 0,08 0,09 0,1 m Rohrlänge dp , ,22 37,61 19,95 6,911 2,907 Volumenstrom V= 11,398 m3/h0,741 0,424 0,257 Pa/m w 3,539 1,573 0,8846 0,566 0,393 0,289 0,221 0,142 0,098ξ= 0,3164*Re 0,072 0,055Exp0,044 Widerstandszahl 1/4 0,035 m/s Re ξ 0,023 0,026 0,0274 0,029 0,03 0,032 0,033 0,034 0,036 0,038 0,039 0,04 0, ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Rohrdurchmesser (innen) [m] Abb. 1.1: Zur Gl. 134, Druckverlust in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser d Rev

5 Rev

6 In Kap. 6 Nahwärmeversorgung werden für die Wärmeverluste der Rohrleitungen nur Angaben der Hersteller verwendet. Diese können übernommen werden oder aber auch selbst berechnet werden. Die Herleitung der Formeln und der Rechengang findet sich in jedem wärmetechnischen Handbuch. Hier ein Auszug aus / /. Rev

7 2. Heizkessel, Aufbau und Betriebsweise Heizkessel sind Geräte zur Verbrennung fossiler Energieträger wie Gas, Öl oder Festbrennstoff der verschiedensten Spezifikation wie Holzpellet oder Hackschnitzel. Sie bestehen aus einem Brenner (Feuerrost bei Festbrennstoffen) und einem Kesselkörper. Eine Übersicht über die Einteilungssystematik nach /1/ für Gas-/Ölkessel zeigt Abb.2.1 Abb. 2.1: Einteilungssystematik für Heizkessel 2.1. Grundlagen Der Kessel als Wärmetauscher Der Kessel kann im Grunde als ein Wärmetauscher betrachtet werden, in dem die Wärme von den erzeugten Verbrennungsgasen an das Heizwasser übertragen wird (siehe Abb. 2.2). Die Ein-/Austrittstemperaturen des Wärmetauschers Tf, TA, Tr und Tv hängen von folgenden Einflussgrößen ab: Flammtemperatur T f : - Funktion des Verbrennungsprozesses - Geometrie der Brennkammer und Flammenausdehnung in der Brennkammer - Temperatur der Heizflächen in der Brennkammer Abgastemperatur T A : - T r - Dimensionierung der Heizflächen - Wärmeübergang zwischen Verbrennungsgas und Heizfläche Rev

8 Temperatur [ºC] FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de RücklauftemperaturT r, : - Heizkreis-Rücklauftemperatur T r,h Vorlauftemperatur T v : - T r - Heizwassermassenstrom m h Eine Berechnung der Feuerungstemperatur/Flammtemperatur ist nur mit hohem Aufwand möglich und wird nur zu Forschungszwecken durchgeführt. Einfacher und für die Praxis schneller durchführbar sind Messungen. Hier wird darauf nicht näher eingegangen. Die Abgastemperatur hängt im Wesentlichen von der Heizkreis-Rücklauftemperatur T r,h und der Auslegung der Kesselheizflächen / Wärmeübertragung Verbrennungsgas-Heizwasser ab. Bei einem hochwertigen Kessel beträgt die Differenz dt P =T A - T r etwa 20K und bei einem durchschnittlich konzipierten Kesseln etwa 40K. Bei Dampfkesseln bezeichnet man diese Temperaturdifferenz als Pinch Point. T Q Heizkessel: Temperatur - Wärmeleistungs - Diagramm Tf = f(feuerung) ca ºC Heizwasser Abgas Tv = f(tr,; mh) ca Tr + 30K TA = f(tr), ca Tr + 30K Tr = f(heizkreis), ca ºC übertragene Wärmeleistung Abgas -> Heizwasser [kw] Abb. 2.2: Schema eines Temperatur Wärmeleistungsdiagramms für einen Heizkessel. Klassifizierung von Gaskesseln nach TRGI Die TRGI (Technische Regeln für Gasinstallationen) unterteilt Gaskessel in drei Typen: A,B und C. Unterscheidungsmerkmal ist der raumluftabhängige und raumluftunabhängige Betrieb. unter raumluftabhängigem Betrieb versteht man das Ansaugen der Verbrennungsluft direkt aus dem Aufstellraum. Bei raumluftunabhängigem Betrieb wird dem Kessel Außenluft über separate Zuleitung zugeführt. Dies wird in der Mehrzahl der Fälle über den Anschluss des Kessels an das LAS (Luft-Abgas-System,) gewährleistet. Überein Rohr-in - Rohr System wird sowohl das Abgas aus dem Gebäude (inneres Rohr) als auch Frischluft zum Kessel (äußeres Rohr) geleitet Brennstoffart In den Scripten Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung werden nur die Brennstoffe Erdgas, Heizöl EL und Holz (Holzpellets und Hackschnitzel) behandelt. Deshalb werden hier auch nur die entsprechenden Kesseltechniken beschrieben. Rev

9 Die Brennstoffart bestimmt den Aufbau des Kessels. Gas- und Ölkessel unterscheiden sich grundlegend von den Festbrennstoffkesseln. Bei den Gas- und Ölkesseln findet die Verbrennung nahezu ausschließlich im Brenner statt: Also die Herstellung eines Brenngases (nur bei Ölbrennern), die Mischung mit der Verbrennungsluft und die Zündung. Die Flammenbildung/Verbrennung selbst erfolgt in der Brennkammer und dort beginnt dann auch die Wärmeübertragung zwischen Verbrennungsgas und den Heizflächen (siehe Abb. 2.3). Im weiteren Kontakt zwischen Verbrennungsgas und Heizflächen kühlt sich das Verbrennungsgas durch Wärmeübertragung an die Heizflächen ab bzw. erwärmt sich das Heizwasser. Abb. 2.3: Ölkessel Abb. 2.4: Hackschnitzelkessel mit Rostfeuerung In der Regel ist der Brenner eine eigenständige Baueinheit, die am Kessel angeflanscht wird. Nur bei den Wandkesseln bzw. Heizthermen ist der Brenner integraler Bestandteil des Kessels. Im Gegensatz dazu werden bei den Festbrennstoffkesseln Brennstoff und Verbrennungsluft getrennt der Brennkammer zugeführt (siehe Abb. 2.4). Der Verbrennungsablauf findet in der Brennkammer statt, einen separaten Brenner wie bei den Gas- und Ölkesseln gibt es nicht. In der Brennkammer entstehen die Verbrennungsgase, die ihre Wärme in den nachgeschalteten Heizflächen an das Heizwasser abgeben Brennstoffvielfalt Mit Brennstoffvielfalt wird hier die technische Lösung der Zwei- oder Mehrbrennstoffbrenner bezeichnet. Es sind dies Sonderlösungen zur Erhöhung der Versorgungssicherheit oder des flexiblen Einsatzes von Brennstoffen. Kessel für die Beheizung privater Wohngebäude werden ausschließlich mit Einstoffbrennern, entweder Gas oder Öl ausgestattet. Der wechselweise Einsatz von Gas und Öl kann sinnvoll sein wenn besonders an die Versorgungssicherheit hohe Anforderungen gestellt werden. Bei einer Unterbrechung der Gasversorgung kann Öl und bei Störungen im Ölsystem kann Gas eingesetzt werden. Auch aus Kostengründen wird diese Flexibilität oft gefordert. Bei Großkesseln zur Verfeuerung fester Brennstoffe wie Hackschnitzel oder Kohle dienen Ölbrenner zum Anfahren und für einen Notbetrieb bei Störungen. Zweistoffbrenner für den Regelbetrieb sind heutzutage eher eine Ausnahme. Rev

10 Kesseltyp Grundsätzlich wird in drei Typen unterschieden, die anschließend erläutert werden: - Konstanttemperaturkessel (Standardkessel) - Niedertemperaturkessel - Brennwertkessel Ein Konstanttemperaturkessel oder Standardkessel ist ein Kessel, bei dem die durchschnittliche Betriebstemperatur durch seine Auslegung beschränkt sein kann (nach Richtlinie 92/42/ EWG). Diese Definition sagt dem Anwender wenig. Der Satz mein: der Konstanttemperaturkessel kann konstruktionsbedingt nur mit hohen Temperaturen (i.d.r. über 70 C) betrieben werden, damit es nicht zur Wasserdampfkondensation kommt. Der Niedertemperaturkessel ist ein Kessel, der kontinuierlich mit einer Eintrittstemperatur von C funktionieren kann und in dem es unter bestimmten Umständen zur Kondensation kommen kann ((nach Richtlinie 92/42/ EWG). In der Praxis werden diese Kessel auf etwa 70 C Vorlauftemperatur ausgelegt. Der Brennwertkessel ist ein Kessel, der für permanente Kondensation eines Großteils der in den Abgasen enthaltenen Wasserdämpfe konstruiert ist (nach Richtlinie 92/42/ EWG).Brennwertkessel nutzen durch Kondensation eines Teils des Wasserdampfes die dabei frei werdende Kondensationswärme zur Heizung. Sie benötigen dafür entsprechend niedrige Rücklauftemperaturen unter ca. 50 C (Erdgas) bzw. 45C (Heizöl). Die dazu benötigten Wärmetauscher können extern oder im Gerät angeordnet sein Bauform Heizkessel können als bodenstehender Kessel (Standardkessel, siehe Abb. 2.5) oder als Therme (nur für Brennstoffe Gas und Öl, siehe Abb. 2.6) ausgeführt werden. Grundsätzlich unterscheiden sich beide Bauarten durch ihren Wasserinhalt und dadurch bedingt durch ihren Platzbedarf. Kessel sind ausgelegt auf einen Wasserinhalt von etwa 1..1,5 l/kw Feuerungswärmeleistung und Therme nur auf etwa ein Zehntel bzw. 0,1 l/ kw. Abb. 2.5: Bodenstehende Kessel Abb. 2.6: Therme (wandhängender Kessel) Verbunden mit dem geringen Wasserinhalt der Therme ist das Problem eines notwendigen Mindestvolumenstroms. Thermen besitzen - auch wenn sie ihre Leistung durch Modulation in Grenzen anpassen können - eine hohe Wärmeleistung beim Brennerstart auf. Damit sich die Heizflächen nicht überhitzen, muss die Wärme entweder an eingespeichertes Volumen oder den durchfließenden Wasservolumenstrom abgegeben werden. Im Fall der Therme muss ein Mindestvolumenstrom - in der Regel mit einer dem Gerät zugeordneten Pumpe realisiert werden. Dies erfolgt entweder durch ein parallel zum Kessel angeordnetes Überströmventil, ein internes Überströmventil, ein (immer offenes) Dreiwegeventil an beliebiger Stelle in der Anlage Rev

11 (z.b. Dreiwege -Thermostatventil) oder andere Arten der Aufrechterhaltung der Zirkulation (Pufferspeicher, hydraulische Weiche) Anzahl Kessel Eine Kesselanlage kann aus verschieden Gründen als Ein- oder Mehrkesselanlage ausgeführt sein: Anpassung der Kesselleistung an den Bedarf Zur Erhöhung der Betriebssicherheit Optimierung der Anschaffungs- und Betriebskosten Einkesselanlage : - Heizzentrale mit Gas-, Öl- oder Pelletkessel ohne besonders hohe Anforderungen an die Versorgungssicherheit Mehrkesselanlage : - Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel: Aus Kostengründen und aus dem Grund der der Anpassung von Kesselleitung an den Mindestlastbedarf Auslegung des Hackschnitzelkessels als Grundlast kessel (Nennleistung ca. 40 % von der max. Wärmelast) und 100% Gas- oder Ölkessel zur Abdeckung der Leistungsspitze und als Ausfallreserve. -Heizzentralen für die Wärmeversorgung mit hoher Versorgungssicherheit wie z.b. in Krankenhäusern, Produktionsbetrieben usw Regelung Nur in Ausnahmefällen ist der Wärmebedarf konstant und dementsprechend konstant könnte die Wärmeleistung dimensioniert und gefahren werden. Das Diagramm Abb. 2.7 zeigt beispielhaft den von der Jahreszeit/Außentemperatur abhängigen Heizwärmebedarf und in Abb. 2.8 die daran anzupassende Wärmeleistung des Heizkessels. Abb. 2.7 Heizwärmeleistung im Jahres verlauf Abb. 2.8: Relative Kesselleistung geordnet nach Heiztagen / Außentemperatur Rev

12 Aufgabe der Regelungstechnik von Warmwasserheizungen ist die Anpassung der Wärmeleistung von Wärmeerzeugung (Kessel) an den Wärmebedarf (Raumheizeinrichtung wie z.b. Heizkörper, Fußbodenheizung etc.). Die Schwierigkeit bei dieser Aufgabe besteht darin, dass es sich bei der Wärmeerzeugung um eine zentrale Komponente und den Rauheizeinrichtungen um im Gebäude verteilte, dezentrale Einrichtungen handelt. Beginnt man dezentral am einzelnen Heizkörper, so kann die Wärmeleistung, die Raumheizeinrichtungen abgeben beeinflusst werden durch Regelung der Vorlauftemperatur Regelung des Heizwasserdurchflusses (Volumenstrom) Demnach werden Warmwasserheizungen geregelt durch: Zentrale Regelung der Kessel-Vorlauftemperatur für alle Raumheizeinrichtungen Dezentrale Regelung des Heizwasserstroms am einzelnen Heizkörper. Grundsätzlich kann die Regelung der Wärmeleistung der dezentralen Heizkörper und die Kesselregelung nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Hier wird jedoch davon ausgegangen, dass die Regelung des Heizwasserstroms am Heizkörper durch Thermostatventile bzw. die nach ENEV auch vorgeschlagene Einzelraumtemperaturregelung in anderen Vorlesungen behandelt wurden. Deshalb wird hier darauf nicht weiter eingegangen. Bei der Behandlung der Vorlauftemperaturregelung muss beachtet werden, dass diese Aufgabenstellung eine andere ist wie die der Kesselregelung: i. Vorlauftemperaturregelung: Regelt die Vorlauftemperatur des/der Heizkreise ii. Kesselregelung: Schaltet den Kessel ein/aus und regelt die Wärmeleistung Besteht die Kesselregelung aus einem Zweipunktregler, so handelt es sich genau genommen nicht um eine Regelung sondern um eine Steuerung. Oftmals vereinen zentrale Kesselregler beide Aufgaben in einem Steuergerät. I. Vorlauftemperaturregelung Ein Zentralgerät sorgt durch zentralen Eingriff dafür, dass die Raumheizeinrichtungen eine je nach Witterungsverhältnissen höhere oder niedrigere Vorlauftemperaturen erhalten. Dies wird in der Praxis vereinfachend gleitende Fahrweise genannt; die genaue Bezeichnung lautet außentemperaturgeführte Reglung der Vorlauftemperatur, da zu jeder Außentemperatur eine bestimmte Vorlauftemperatur gehört (s. Abb.2.9) Eine Außentemperaturgeführte Regelung der Vorlauftemperatur ist heute bei allen Heizungsanlagen eine Regelungsstandard. Die Außentemperatur wird kontinuierlich durch einen Außentemperaturfühler erfasst. Entsprechend der gewählten Heizkurve wird für die Regelung der Vorlauftemperatur jeder Außentemperatur ein bestimmter Sollwert zugeordnet. Regelgröße ist die Vorlauftemperatur, welche ebenfalls ständig gemessen wird; ihr Istwert ist die Eingangsgröße am Regelgerät. Im Regelgerät wird der Ist-Wert mit dem Soll-Wert verglichen. Störgrößen durch Abb. 2.9: Kennfeld einer Vorlauftemperaturregelung (Vorlauftemperatur als Funktion der Außentemperatur) Rev

13 das Heizsystem (Zu-/Abschalten von Heizkörpern etc.) oder von außen durch Witterungseinflüsse verursachen Abweichungen zwischen Ist- und Soll-Wert und werden durch Veränderung des Rücklauf- Beimischstroms ausgeglichen. Hierzu erhält das Stellglied (s. Abb. 2.10, Drei-Wege-Mischventil) vom Regelgerät ein Signal zur Änderung seiner Stellgröße, z-b. des Ventilhubs. Weil die Stellgröße beliebige Werte zwischen 0 und 100% annehmen kann, spricht man auch von stetiger Regelung im Gegensatz zur Zweipunktreglung bei der Kesselreglung (genau genommen nur eine Steuerung). Abb. 2.10: Grundprinzip einer außentemperaturgeführten Regelung der Vorlauftemperatur durch Rücklauf-Beimischung Das zentrale Steuergerät übernimmt in der Regel die weiteren Aufgaben wie: Zeitabhängige Absenkung der Raumtemperatur bei Nacht oder an Wochenenden Wiederanheizen nach einer Nachtabsenkung Steuerung der Ladung des Trinkwarmwasserspeichers II. Kesselregelung Ebenso wie die Leistung der Heizkörper muss die Leistung des Wärmeerzeugers auf die jeweilige Wärmelast heruntergeregelt werden. Bei den ölgefeuerten Kesseln unter 100kW Nennleistung ist die Kesselreglung mit den derzeit am Markt befindlichen Brennern in den meisten Fällen eine Zweipunktregelung. Der Brenner arbeitet, wenn er gezündet hat, stets mit seiner einmal eingestellten Leistung, dies jedoch immer nur für begrenzte Zeit. Als Regelgröße dient die Wassertemperatur im Kessel. Ein im Kesselwasser angeordneter Thermostat bewirkt, dass bei Absinken der Kesselwassertemperatur unter den eingestellten Sollwert der Brenner eingeschaltet wird. Nach Erreichen des Sollwerts schaltet ihn der Thermostat wieder aus. Die Einschalttemperatur liegt meist 5-10K unter dem Sollwert. Diese Schaltdifferenz ist im Allgemeinen vom Kesselhersteller fest eingestellt im Gegensatz zum Sollwert, der vom Nutzer am Thermostat verändert werden kann. Abb zeigt den typischen Verlauf der Regelgröße, hier der Kesselwassertemperatur, in Abhängigkeit von der Zeit. Rev

14 Abb. 2.11: Typischer Temperaturverlauf bei Zweipunktregelung a = Aufheizkurve (extrapoliert) k = Abkühlkurve (extrapoliert) n = Abkühlungskurve (z.b. am Ende einer Nachtabsenkung) Im Unteren Teil des Diagramms ist die Stellgröße aufgetragen, die bei der Zweipunktregelung nur die zwei Stellungen EIN und AUS kennt. Die beiden Stellungen sind bei der Kesselregelung die Stellungen des Brennerschalters. Es ist ein Merkmal der Zweipunktregelung, dass die Regelgröße (hier die Kesselwassertemperatur) innerhalb der Schaltdifferenz ständig zu- und abnimmt. Bei Betrachtung des Diagramms fällt auf, dass die Temperatur auch nach Abschalten des Brenners zunächst noch weiter ansteigt und nach Einschalten zuerst noch etwas abfällt, bevor sie wieder ansteigt. Grund für dieses Überschwingen und die sich dabei ergebende Totzeit sind die Wärme speichernden Massen des Kesselwassers und der Kesselbaustoffe. Die Kesselregelung gehört bei Kesseln zur fabrikseitigen Ausstattung. Auch gasfeuerte Kessel kleinerer Leistung arbeiten mit zweipuktgeregelten Brennern. Im Gegensatz zu Ölbrennern werden hier auch bei kleinen und kleinsten Wärmeleistungen modulierende Gasbrenner mit und ohne Gebläse angeboten. Eine solche Regelung ist in der Anschaffung teurer als eine Zweipunktregelung, es lassen sich aber im späteren Betrieb Brennstoffkosten einsparen. Eine Brennerregelung in Stufen (meist zwei) stellt eine Zwischenlösung dar. Über das zentrale Steuergerät zur Steuerung der Vorlauftemperatur im Heizkreis ist auch grundsätzlich möglich, die Kesselwassertemperatur zu regeln, wobei der Kessel ebenso wie der Heizkreis bei niedrigen Außentemperaturen mit hoher und bei höheren Außentemperaturen mit entsprechend geringeren Wassertemperaturen betrieben wird. Man bezeichnet dies als gleitende Fahrweise des Kessels. Dabei sind drei Punkte zu beachten: Die Kesselwassertemperatur muss immer so eingestellt werden, dass sie größer oder zumindest gleich der Temperatur ist, die der Heizkreis mit dem höchsten Temperaturniveau (bei > 1 Heizkreisen) erfordert. Rev

15 Wenn die Trinkwarmwassererwärmung mittels Heizwasser erfolgt, so muss dieses eine bestimmte Mindesttemperatur haben (i.d.r. > 60 ºC), damit eine ausreichende Erwärmung des Trinkwassers sicher gestellt ist. Eine Reihe von Heizkesseln, vor allem Stahlkessel größerer Leistung, erfordern wasserseitig eine bestimmte Mindesttemperatur (meist ºC), damit im Kessel keine Taupunkttemperatur eintritt. Die Rücklauftemperatur, mit der das Heizwasser von den Heizkörpern zurückkommt und in den Kessel eintritt, liegt fast immer unter dem für den Kessel erforderlichen Mindestwert. Daher ist bei Kesseln, die nicht gleitend betrieben werden können, eine Anhebung der Rücklauftemperatur durch Beimischung von (heißem) Kesselwasser notwendig. Die einfachste Lösung, o o den Kessel mit Rücksicht auf die zentrale Trinkwarmwassererwärmung und zur Verhinderung von Taupunktkorrosion mit gleichbleibend hoher Temperatur und gleichzeitig die Heizkörper mit veränderlicher, abgesenkter Heizwassertemperatur zu betreiben, besteht in der Verwendung eines Vierwegemischers. Eine übliche Schaltung ist in Abb dargestellt. Bei Tieftemperaturkesseln oder Brennwertkesseln sind Mischer zur Regelung der Vorlauftemperatur nicht erforderlich, wenn die Kesselwassertemperatur außentemperaturabhängig geführt wird. In allen anderen Fällen sind zur unabhängigen Regelung von Kessel und Heizkreis Mischer (Mischventile -> Dreioder Vierwegemischventile) vorzusehen. Abb Die Aufgabe der Kesselregelung ist die Anpassung der Kesselleistung an den Heiz- oder Prozesswärmebedarf (s. Abb. 2.13) Abb. 2.13: Heizleistung / Brennerleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur Rev

16 Jeder einzelne Kessel kann mit dem zugeordneten Brenner einstufig, mehrstufig oder modulierend (in Grenzen stufenlos) in seiner Leistung angepasst werden. Die stufenlose Leistungsanpassung kann bei den heutigen Kesseln etwa zwischen 30% (bei Mittel- und Großkesseln in NT-Bauweise 60%) und 100% der maximalen Leistung erfolgen - Ausnahmen mit einer Modulation bis unter 20% sind selten. Die Modulation - einfacher bei Gasbrennern - erfolgt durch Anpassung des Gas- und in der Regel auch des Verbrennungsluftvolumenstroms. Nach unten ist sie begrenzt, weil bei einer sehr geringen Gasströmung im Brenner die Flamme nicht mehr stabil brennen kann. Die Leistungsanpassung der Gesamtanlage erfolgt über Zu- und Abschaltung einzelner Kessel oder Kesselstufen sowie durch Modulation. Hierfür gibt es diverse Regelalternativen. Drei Beispiele: Abb. 2.14a Abb. 2.14b Abb. 2.14c Abb.: 2.14a Abb.: 2.14b Abb.: 2.14c Kessel wird auf Anforderung des Kesselthermostats ein- und ausgeschaltet. Kessel wird auf Anforderung des Kesselthermostats ein- und ausgeschaltet und abhängig von der Vorlauftemperatur wird der Brenner auf der Stufe 1 oder der Stufe 2 betrieben. Kessel wird auf Anforderung des Kesselthermostats ein- und ausgeschaltet. Je nach Vorlauftemperatur wird der Brenner in Mindestlast (40%) betrieben oder die Feuerungsleistung wird zwischen 40% und 100% variiert Brennerprinzip In den Kap. 6 des Scripts Feuerungstechnik ist das Brennerprinzip von Gas- und Ölbrenner ausführlich behandelt. In Kap. 8.1 ist die Feuerung eines Pelletkessels beschrieben Einbindung Trinkwarmwassererzeugung Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der Wärmeübertragung von Wärme an das Trinkwarmwasser: a) Speicherladesystem b) Speicher mit eingebauter Heizfläche (innenliegender Wärmetauscher) Rev

17 Abb. 2.15a: Trinkwarmwassererwärmung mit Speicherladesystem Abb. 2.15b: Trinkwarmwassererwärmung mit Speicher mit eingebauter Heizfläche Legende zu Abb. 2.15a und Abb. 2.15b Rev

18 Beim Speicherladesystem wird ein separater Heizkreis installiert, der über einen Wärmetauscher die Heizwärme an das Trinkwarmwasser überträgt. Beim System mit eingebauter Heizfläche ist der Wärmetauscher in den Speicher integriert. In Nah- und Fernwärmenetzen kommt für die Trinkwarmwassererzeugung eine weitere Variante zum Einsatz, das Durchflusssystem (siehe Abb. 2.16). Dabei wird auf den Speicher vollständig verzichtet und nur bei Bedarf das Trinkwarmwasser über einen Wärmetauscher vom Fernheizwasser erwärmt. Der Vorteil ist der verringerte anlagentechnische Aufwand verbunden mit dem Fortfall der Wärmeverluste des Speichers. Der Komfort ist aber nicht vergleichbar mit dem eines Speichersystems. Die Anforderungen an die Regelungstechnik sind hoch und die Erzeugung von Trinkwarmwasser mit konstanter Temperatur ist praktisch nicht möglich. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Betriebsbedingungen (Druck, Temperatur) für den Wärmetauscher vom Netz vorgegeben sind und zu weiteren Schwierigkeiten bei der Erzeugung einer konstanten Trinkwarmwassertemperatur führen; die Möglichkeit einer gleitenden Temperaturfahrweise im Nah- /Fernwärmenetz wird eingeschränkt. Abb.: 2.16: Trinkwarmwassererwärmung im Durchflusssystem Rev

19 Normen und Richtlinien In der Tabelle Abb sind die wichtigsten Normen für Heizkesselanlagen zusammengestellt. DIN 4702 Heizkessel Teil 3 Gas-Spezialheizkessel mit Brenner ohne Gebläse Teil 4 Teil 6 Teil 7 Heizkessel für Holz, Stroh und ähnliche Brennstoffe Brennwertkessel für gasförmige Brennstoffe Brennwertkessel für flüssige Brennstoffe DIN 3368 Gasgeräte Teil 2 Umlauf-Wasserheizer und Kombi-Wasserheizer (NT) Teil 4 Teil 7 Teil 8 Normen für Heizkessel Durchlauf-Wasserheizer (NT) Brennwert-Wasserheizer Wasserheizer mit Vormischbrenner und geschlossener Verbrennungskammer DIN 4759 DIN EN 303 Heizkessel DIN EN 304 Heizkessel DIN EN 483 DIN EN 656 DIN EN 677 DIN DIN Wärmerzeugungsanlagen für mehere Energiearten Teil 2,4 Heizkessel mit Ölzerstäubungsbrennern Teil 3 Zentralheizkessel für gasförmige Brennstoffe Teil 5 Heizkessel für feste Brennstoffe Prüfregeln für Heizkessel mit Ölzerstäubungsbrennern Heizkessel für gasförmige Brennstoffe Heizkessel für gasförmige Brennstoffe Heizkessel für gasförmige Brennstoffe Feuerstätten für feste Brennstoffe (incl. Pelletöfen) Feuerstätten für feste Brennstoffe (incl. Pelletöfen) Abb. 2.17: Normen Heizkessel Rev

20 Die Übersicht Abb zeigt den Zusammenhang der verschiedenen BImSchG Gesetze, unterteilt nach Anlagen/Betrieb, Produkt und Standort (Gebiet) sowie der Genehmigungsbedürftigkeit. Abb.:2.18: Tabelle Bundesimmissionsschutzgesetz Rev

21 In der nächsten Tabelle sind die Emissionswerte und Mindestwirkungsgrade für Einzelraumfeuerungsanlagen für feste Brennstoffe (Anforderung bei Typprüfung) zusammengestellt. Abb. 2.19: Emissionswerte und Mindestwirkungsgrade für Einzelraumfeuerungsanlagen Grade alte Öfen verursachen oft einen hohen Schadstoffausstoß. Deshalb ist besonders wichtig, die Emissionen dieser Anlagen zu begrenzen. Um die Verbraucher nicht übermäßig zu belasten, gelten aber für alte Öfen besonders lange Übergangsfristen, die je nach Datum der Typprüfung zwischen 2015 und 2025 auslaufen. Auch danach sind die Grenzwerte für alte Geräte weniger streng als die für Neuanlagen. Wann genau die Übergangsfrist für ein bestimmtes Gerät abläuft, stellt der Schornsteinfeger anhand des Typschilds fest. Nach Ablauf der Übergangsfrist kann der Betreiber entweder eine nachträgliche Bescheinigung des Herstellers über die Emissionen der Anlage bei Typprüfung vorlegen (möglich bei neueren Anlagen) oder die Emissionen messen lassen. Werden unten stehende Grenzwerte nicht eingehalten, muss ein Staubabscheider nachgerüstet werden. Abb. 2.20: Zeitpunkt der Nachrüstung Abb. 2.21:Grenzwerte für Nachrüstung Staubabscheider Rev

22 Der Zeitraum, zu dem Einzelfeuerungsanlagen die Grenzwerte der Tabelle lt. Abb einhalten müssen, hängt von Zeitpunkt der Typprüfung ab. Die Emissionsgrenzwerte für Holzheizkessel (keine Einzelraumfeuerungsanlagen) gehen aus der Tabelle in Abb hervor. Abb. 2.22: Emissionsgrenzwerte für Holzheizkessel (keine Einzelfeuerungsanlagen) Ebenso wie bei den Einzelraumfeuerungen gibt es auch für die Holzkessel Nachrüstfristen. Für bestehende Holzheizkessel sieht die neue Verordnung nebenstehende Übergangsfristen vor. Nach Ablauf dieser Fristen gelten die Grenzwerte der Stufe 1 auch für bestehende Holzheizkessel. Abb. 2.23: Übergangsfristen Holzheizkessel Zu den Kleinfeuerungen, die von der 1. BImSchV betroffen sind, zählen neben Holz- und Kohlefeuerungen auch Öl- und Gasheizkessel. Für diese Anlagen gelten die nebenstehenden NOx- Grenzwerte der novellierten 1. BImSchV. Abb. 2.24: NOx-Grenzwerte für Öl- und Gasfeuerungen Rev

23 Eine sehr wichtige Richtlinie ist die Druckgeräterichtlinie: Druckgeräte werden anhand der Diagramme des Anhang II in Abhängigkeit ihres Gefahrenpotentials in sog. "Kategorien (I-IV)" eingeordnet. Das Gefahrenpotential wird beschrieben durch: den Aggregatszustand des Mediums (gasförmig, flüssig) und dessen Dampfdruck, die Gefährlichkeit des Mediums (z.b. giftig, entzündlich, explosiv) und die gespeicherte Energie (PSxV, PSxDN). Beispiel: Ein Druckbehälter mit einem ungefährlichen Medium, 100 Liter Inhalt, soll für einen Druck PS = 12 bar eingeordnet werden. Der Behälter unterliegt somit der Mediengruppe 2. Der Aggregatszustand ist gasförmig. Das Druck-Inhaltsprodukt PSxV beträgt Nach Druckgeräterichtlinie ist das Diagramm 2 nach Anhang II anzuwenden. Abb. 2.25: PS = 12 bar, V = 100 Liter, PSxV = 1200 Aus dem Diagramm Abb ergibt sich, dass der Behälter in die Kategorie III einzuordnen ist. Weitere Hilfe zur Bestimmung der Kategorien nach Druckgeräterichtlinie finden Sie unter: Einstufung von Druckbehältern nach Druckgeräterichtlinie Einstufung von Rohrleitungen nach Druckgeräterichtlinie Einstufung von Heißwasser- / Dampferzeugern nach Druckgeräterichtlinie Einstufung von Ausrüstungsteilen nach Druckgeräterichtlinie CD ROM zur Druckgeräterichtlinie 97/23/EG Die Module lassen sich als in sich geschlossene Prüfpakete beschreiben, welche die Entwurfs- und Produktionsphase eines Druckgerätes behandeln mit der Zielsetzung, den Nachweis der Erfüllung der grundlegenden Anforderungen der Richtlinie zu führen. Da nicht jedes Modul die Entwurfs- und Produktionsphase abdeckt, werden auch Modulkombinationen verwendet. Rev

24 2.2. Brennwerttechnik Eine detaillierte Darstellung und Beispielberechnung ist im Script Teil A Feuerungstechnik Kap. 4.7 beschrieben Wirkungs- und Nutzungsgrad Die Bestimmung eines Kessels ist die Übertragung der Wärme aus einem Verbrennungsprozess an das Heizwasser eines Heizwasserkreislaufes. In der Hauptsache unterscheiden sich die Konzeption und der Betrieb eines Kessels nach dem eingesetzten Brennstoff. Unabhängig davon gelten die folgenden Zusammenhänge: Hauptaufgabe in den meisten Fällen ist die Bestimmung des Kesselwirkungsgrades ƞ K. Dies erfolgt auf der Grundlage der DIN 4702, Teil 2. Ein grundsätzlicher Unterschied besteht zwischen dem Kesselwirkungsgrad und dem Kesselnutzungsgrad η Φ. Der Kesselwirkungsgrad bezieht sich auf einen Momentanzustand bei Auslegungsbedingung und der Kesselnutzungsgrad auf einen Nutzungszeitraum bei Betriebsbedingungen. Lt. DIN 4702,Teil 2 beträgt die Prüfdauer zur Ermittlung des Kesselwirkungsgrads 3h bei Auslegungsbedingungen. D.h. dass der Kessel bei der gemäß Baumuster angegebenen Nennleistung für den Brennstoffeinsatz (Feuerungswärme-Nennleistung) während 3 Stunden geprüft wird. Das Messprogramm ist in den Normen genau definiert und muss durch eine Prüfstelle durchgeführt, protokolliert und zertifiziert werden. Das Ergebnis dieser Prüfung ist die Ermittlung des Kesselwirkungsgrades. Gegenstand der DIN 4702, Teil 8 ist die Ermittlung des Norm-Nutzungsgrades η Φ. Zweck dieser Norm ist es, für Kessel in Kombination mit Brenner und Kesselregelung bezogene Daten über das Betriebsverhalten für einen definierten Lastverlauf zu ermitteln. In der Norm sind die Durchführung und Auswertungen der Prüfungen auf einem Messstand festgelegt. Aus der folgenden Zusammenstellung gehen die wichtigsten Berechnungsgrundlagen hervor: Berechnungsgrundlagen Heizkessel Feldfarben: Eingabe Ergebnis Formel Einheit Betrag Formel Brennstoffeinsatz Feuerungswärmeleistung QF [kw] Q F = B * Hi (1) Brennstoffeinsatz B [m³n/h] Unterer Heizwert Hi [KWh/m³N] gilt nur für den Brennstoff Erdgas Heizkreis / Kessel-Nennleistung Heizkreis Rücklauftemperatur Tr [ C] 40,00 = Kesseleintrittstemperatur Heizkreis Vorlauftemperatur Tv [ C] 70,00 = Kesselaustrittstemperatur Wasserdurchsatz, Kessel mw [kg/s] 0,50 Spez. Wärme von Wasser cpw [KJ/kg K] 4,186 Kessel-Nennleistung QN [kw] 62,79 Q N = mw * cpw * (Tv-Tr) (2) Wasserdurchsatz, Kessel V w [m³/h] 1,00 Dichte von Wasser ρw [kg/m³] 1000 Kessel-Nennleistung QN [kw] 34,88 Q N = ρw * V W * cpw * (Tv-Tr) / 3600 (3) QN [kw] 34,89 Q N = 1,163 * V W * (Tv-Tr) (4) Rev

25 Kesselwirkungsgrad Kesselfeuerungsleistung (Betriebzustand i) relative Kesselfeuerungsleistung im Betriebszustand i Kesselleistung (Betriebzustand i) relative Kesselleistung im Betriebszustand i Kesselwirkungsgrad ηk [-] ηk =Q N / Q F (5) Kesselnutzungsgrad (i = 5 Betriebszustände) QF,i ΦF,i [-] [kw] QF,i = Bi * Hi ΦF,i = Q F,i / Q F (6) QK,i [kw] QK,i = mwi * cpw * (Tv,i-Tr,i) (7) ΦK,i [-] ΦK,i = Q K,i / Q N (8) Kesselnutzungsgrad ηφ [-] ηφ = ΦK,i / ΦF,i (8) n Mittelwert aus n=5 Betriebsfällen [-] N n 1 (10), i i 1 Jahreswärmeverbrauch Volllastbenutzungsstunden Jahresbetriebsstunden Qw b,j [kwh / a] bhv [h/a] bhv = Qw b,j / Q N (11) bkj [h/a] tatsächliche Betriebsstunden eines Kessels pro Jahr Der Kesselnutzungsgrad berechnet sich nach der DIN 4702 aus 5 definierten Betriebszuständen. Diese sind genau festgelegt, u.a. durch bestimmte Zapfprogramme für die Erzeugung von Trinkwarmwasser: siehe folgende Tabellen und Diagramme: Abb. 2.26: Tabellen und Diagramm aus der DIN 4702 zur Ermittlung des Kesselnutzungsgrades Rev

26 Auf drei folgende Besonderheiten wird hingewiesen: 1) Der Kesselnutzungsgrad lässt sich auf zwei verschiedenen Arten bestimmen a. Messung von Brennstoffeinsatz und Wärmeabgabe an den Heizkreis b. Getrennte Berechnung/Messung der Wärmeverluste 2) Bei der Verbrennung entsteht je nach Brennstoff mehr oder weniger "Wasser" (H 2 O), das bei Abkühlung auf > Tτ [ C] (Tτ = Taupunkt) als Wasserdampf vorliegt. Je nach Betriebsbedingungen kondensiert das Wasser aus. Die dabei frei werdende Kondensationswärme bedeutet für den Prozess selbst einen Wärmegewinn und erhöht den Kesselwirkungs/-nutzungsgrad. Kessel die, diesen Umstand ausnutzen, werden als Brennwertkessel bezeichnet. 3) In der Norm wird der Abgasverlust q A bezogen auf das trockene Abgasvolumen ermittelt. Im Gegensatz dazu wird hier der Abgasverlust auf das feuchte Abgasvolumen bezogen und bei Betriebsbedingungen unterhalb des Taupunkts die Kondensationswärme als Brennwert-Wärmegewinn berücksichtigt. Prinzipschema eines Heizkessels mit Darstellung der Feuerungs- und Kesselverlusten qs Abstrahlungsverlust qa Abgasverlust qu Unvollkommene Verbrennung qb Bereitschaftsverluste Brennstoffleistung Qb Wärmeleistung Qw qf Brennbares in Verbrennungsrückständen Abb. 2.27: Heizkessel mit schematischer Darstellung der Verlustquellen Verluste bei Übertragung der Brennstoffwärme an das Heizwasser (siehe Abb. 2.27) entstehen durch: a) Abgasverluste: Die im Abgas enthalten Wärme kann in der Regel nicht bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Die proportional zum Temperaturgefälle Abgastemperatur- >Umgebungstemperatur noch verbleibende Restwärme wird als Abgasverlust bezeichnet. b) Unvollständige Verbrennung: Als Wärmeverlust durch unvollständige Verbrennung bezeichnet man die im Abgas als CO auftretenden unverbrannten Bestandteile. Rev

27 c) Unverbrannte Bestandteile: Nur bei festen Brennstoffen bleiben unverbrannte Bestandteile des Brennstoffs übrig. Die Wärmeverluste aus den unverbrannten Bestandteilen berechnen sich aus deren Masse und dem Heizwert. d) Abstrahlungsverluste: Entsprechend dem Temperaturgefälle zwischen der Kesseloberfläche und der Umgebung treten Abstrahlungsverluste auf. e) Bereitschaftsverluste: Am schwierigsten zu erfassen sind die Bereitschaftsverluste. In der Norm ist dafür ein Verfahren angegeben, bei dem der Kessel während 24h unter Vermeidung der übrigen Verlustanteile betrieben wird. Die Bereitschaftsverluste hängen von folgenden Faktoren ab: o o o o o Isolierung sämtlicher Bauteile Summe der Oberflächen sämtlicher Bauteile Summe Wärmekapazitäten aller Komponenten Taktzeiten / Einschaltfrequenz des Kessels Möglichkeiten zur Durchströmung des Kessels mit Verbrennungsluft / Abgas (Abgasklappe) Nachfolgend sind zur Demonstration Diagramme und Darstellungen aus den Normen dargestellt, die jeweils die Anforderungen an die Dimensionierung (Pflichtenheft der Kesselhersteller/-lieferanten) vorschreiben. Abb. 2.28:Gas- Spezialheizkessel mit Brenner ohne Gebläse: Bereitschaftsverluste q B nach DIN 4702, Teil 3 Abb. 2.29: Brennwertkessel: Bereitschaftsverluste q B nach DIN 4702, Teil 6 Rev

28 Abb. 2.30: Kesselwirkungsgrad für einen atmosphärischen Gaskessel in Abhängigkeit von der Nennwärmeleistung nach DIN 4702, Teil 3 Abb. 2.31: Kesselwirkungsgrad für einen atmosphärischen Gaskessel in Abhängigkeit von der Nennwärmeleistung nach DIN 4702, Teil 3 Rev

29 FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de Anhand des folgenden Beispiels soll gezeigt werden, wie sich die oben aufgeführten Kesselverluste ermitteln lassen und wie sich daraus der Kesselwirkungsgrad ableitet: Kesselwirkungsgrad Berechnungen am Beispiel eines Erdgaskessels Feldfarben: Verbrennung QF Unterer Heizwert Hi Brennstoffeinsatz B Luftzahl λ Abgasvolumen,trocken(bez.auf B) VA,t Abgasvolumen,feucht (bez. auf B) VA,f Spez. Wärme des Abgases, feucht c pa,f Temperatur des Abgases TA Taupunkttemperatur Tτ Feuerungsleistung Eingabe Einheit [W] [MJ/m³B] [m³b/h] [-] [m³a/m³b] [m³a/m³b] [KJ/m³A K] [ C] [ C] Ergebnis Formel Betrag Formel ,213 1,05 9,35 11,53 1,39 Ergebnis Arbeitsblatt A4 g) Ergebnis Arbeitsblatt A4 h) Ergebnis Arbeitsblatt A1 l) GR Verbrennungslufttemperatur = Umgebungslufttemperatur!! Verbrennungslufttemperatur TL [ C] Kondensationswärme Abgas, Feuchtegehalt r v H2O Dichte feuchter Luft ϱh2o,n [kj/kgh20] ,1790 Ergebnis Arbeitsblatt A4 f) [m³ H2O/m³B] [kgh2o/m³h20] 0,8038 Normdichte, Cerbe S [-] Näherungskurve x = 1-0, T² + 0,0033 T (siehe Arbeitsblatt A1 n) rel. Wassergehalt feuchter Luft für xs,h2o TA < Tτ 15 Kessel (-geometrie) Oberfläche des Kessel Wärmeübergang A α [m²] [W/m² K] 2,00 Wasserdurchsatz mw [kg / s] 0,15 m w = Q N / (c pw * (Tv - Tr) ) Spez. Wärme von Wasser cpw [KJ/kg K] 4,186 Heizkreis Rücklauftemperatur Tr Tv Tm CO Hi,CO [ C] [ C] [ C] [%] [MJ/m³] 50 8,00 Heizkreis Heizkreis Vorlauftemperatur mittlere Oberflächentemperatur CO-Gehalt Heizwert von CO Rev. 1.2 (1) ,5 12,64 29

30 FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de qa [-] 0,0280 qa = Vf * cp, f *(TA - TL) / Hi (2) qu [-] 0,0016 qu = Vt * CO * 12,64 / Hi (3) Wärmeverlust durch Brennbares im qf Verbrennungsrückstand [-] 0,0000 nur bei festen Brennstoffen " Wärmeverlust,Kesseloberfläche (Abstrahlungsverluste) qs [-] 0,0160 qs = A * α * (Tm - TL) / QF Bereitschaftsverluste, geschätzt qb [-] 0,0150 siehe Blatt B1.1, Abb. 3 Kondensationswärme qkond [-] 0,0000 qkond = r * v H2O * ϱh2o,n * xs,h2o / Hi (5) Summe Verluste qges qges [-] 0,0606 qges = qa + qu + qf +qs + qb - qkond (6) [%] 6,0582 Kesselwirkungsgrad ηk [-] ηk = * qges (7) Kessel, Nennleistung QN [W ] Q N = 0,01 * ηk (8) spez. Abgasverlust spez. Verlust durch unvollkommene Verbrennung 3,00 2,50 2,80 93, (4) Kessel mit und Kesselverluste in % 0,16Erdgasfeuerung: 0,00 1,60Feuerungs1,50 0,16 0,00 1,60 1,50 2,00 1,50 Abgasverlust Verlust unvollkommene Verbrennung Brennbares im Verbrennungsrückstand 1,00 Abstrahlungsverlust Bereitschaftsverlust 0,50 0,00 Abb. 2.32: Balkendiagramm zur Berechnung der Kesselverluste (Verlust durch Brennbares im Verbrennungsrückstand ist hier bei der Erdgasfeuerung Null ) Rev

31 In dem oben aufgeführten Beispiel wurden Ergebnisse der Verbrennungsrechnung aus dem Arbeitsblatt A4 verwendet. Der Wärmeübergang α zur Berechnung der Abstrahlungsverluste wurde dem Diagramm Abb entnommen und die spezifische Wärme von Abgas/trocken dem Diagramm Abb Die spezifischen feuchten und trockenen Abgasvolumen können dem Diagramm Abb entnommen werden. Abb Wärmeübergangswert α für senkrechte Flächen in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur tm Abb. 2.34: Verbrennungsdiagramm für Erdgas E (bzw. H) Abb. 2.35: Spezifische Wärmekapazität von Abgas (trocken) und Wasserdampf Rev

32 Anwendungsbeispiel für die Diagramme Abb und Abb. 2.35: Gr. 2.11: Anwendung des Verbrennungsdiagramms Feldfarben: Ermittlung der Brennstoffleistung Eingabe Ergebnis Formel Wärmeleistung Q w 20 [kw] Kesselwirkungsgrad ηk 0,94 [-] Feuerungswärmeleistung Q F 21,28 [kw] Q F= Q w / ηk (1) Heizwert (Erdgas H) Hi,n 37,213 [MJ/m³B] Normzustand (Cerbe, S. 38) 10,34 [kwh/m³b] Brennstoffleistung Q b 2,06 [m³b/h] Q b = Q F / Hi,n (2) Anwendung des Verbrennungsdiagramms Luftverhältnis λ 1,050 [ - ] Abgasmenge, trocken v t 9,4 [m³ ta / m³b] aus Diagramm Abb Abgasmenge, feucht v f 11,5 [m³ fa / m³b] aus Diagramm Abb Verbrennungsluft, stöchiom. Lmin = 9,8 [m³ L / m³b] aus Diagramm Abb bei λ = 1 Verbrennungsluft, tatsächlich Lt = 10,29 [m³ L / m³b] Lmin = λ * Lt CO2-Gehalt 11,50 [%] spez. Wasserghalt im Abgas v H2O 2,1 [m³ H2O / m³b] v H2O = v f - v t (3) spezifische Wärmekapazitäten oberhalb des Abgastaupunktes TA > Tτ = 58 C Abgas, trocken cpa,t 1,340 [kj/m³ K] aus Diagramm Abb.2.35 Bei ca 12% CO2 Abgas, H2O cpa,h2o 1,500 [kj/m³ K] aus Diagramm Abb.2.34 Bei ca 12% CO2 Abgas, feucht cpa,f 1,369 [kj/m³ K] cpa,f = (v t cpa,t + v H2O cpa,h2o)/v f (4) Abgas- und Verbrennungsluftmengen Abgasmenge, feucht V f 23,67 [m³ / h] V f = Q b * v f (5) Verbrennungsluftmenge V l 21,18 [m³ / h] V l = Q b * Lt (6) Aufgabenstellung: Um wieviel Grad (dt) kann die Abgastemperatur TA= 120 C absenkt werden, wenn die Verbrennungsluft mit Abgasabwärme von 15 C auf 80 C vorgewärmt wird Wärmeleistung zur Aufwärmung der Q l 495,8 [W] Q l = V l * ρl * cpl * (Tl - T15) / 3,6 (7) Verbrennungsluft mit ρl=1,29 kg/m³ und cpl=1,0 KJ/Kg K Wärmeinhalt im Abgas pro 1 K Temperaturabsenkung Q A,dT = V f * cpa,f * dt / 3,6 QA,dT 9,0 [W] (8) Temperaturabsenkung dt 55,1 [K] dt = Q l / Q A,dT (9) Abgastemperatur T'A 64,9 [ C] T'A = TA - dt (10) Rev

33 Kessel - Wärmeleistung [kw] FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de Berechnungsgrundlagen Energiebilanz Heizkessel Jahresbilanz Feldfarben: Eingabe Ergebnis Formel Einheit Betrag Formel Feuerungswärmeleistung QF [kw] 20,00 Angabe des Kesselherstellers Kessel-Nennleistung QN [kw] 18,00 Angabe des Kesselherstellers Kesselwirkungsgrad ηk [-] 0,90 ηk =QN / QF Jahresstunden bj [h/a] Jahresbetriebsstunden bkj [h/a] Jahresbrennstoffverbrauch Qb,j [kwh/a] Jahreswärmeerzeugung Qw,j [kwh / a] Volllastbenutzungsstunden bhv [h/a] tatsächliche Betriebsstunden des Kessels gemessener Brennstoffverbrauch gemessene Jahreswärmeerzeugung bhv = Qw,j / QN Jahreswärmeerzeugung Qw,j [kwh / a] Qw,j = QN * bhv berechnete Jahreswärmeerzeugung mittlere Jahreswärmeleistung Qwm [kw] 5,6 Qwm = Qw,j / bkj (13) mittlere Brennstoffleistung Qbm [kw] 7,4 Qbm = Qb,j / bkj (14) mittlere jährliche Kesselauslastung β [-] 0,31 β = Qw m / QN oder β = bhv / bkj (15) mittlerer jährlicher Brennstoffeinstz w [-] 0,41 w = Qbm / QN (16) Jahresnutzungsgrad ηφ [-] 0,76 ηφ = Qw,j / Qb,j oder ηφ = β / w (17) (12) Für technische Konzepte und der Beurteilung deren Wirtschaftlichkeit müssen Jahresbilanzen für Energie und Kosten erstellt werden. Das folgende Beispiel zeigt beispielhaft eine Energiebilanz. Zu den bekannten Größen wird hier der Begriff der Volllaststunden verwendet. Er ist ein Indikator für die Auslastung einer Anlage. Je höher die Anzahl Volllaststunden, desto höher besser wird die dimensionierte Kessel-Nennleistung betrieblich eingesetzt. Ein guter Wert sind ca Volllaststunden. Wird ein Kessel nur mit z.b. 800 Volllaststunden betrieben, so ist er überdimensioniert. Geordnete Jahresdauerlinie von Heizwärmebedarf = Kesselleistung 20,0 QN 18,0 16,0 Qw,j 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 bkj bhv Jahresstunden Abb. 2.36: Diagramm graphische Darstellung zur Jahresdauerlinie und Volllaststunden Rev

34 Für verschiedene Kesseltypen ergeben sich aufgrund ihres Konstruktions- und Funktionsprinzips andere erreichbare Wirkungs- und Nutzungsgrade. Eine übliche Darstellung in Abhängigkeit vom Ausnutzungsgrad des Kessels zeigt Abb Für den konventionellen Kessel und den atmosphärischen Kessel sinkt der Nutzungsgrad mit der Auslastung. Der Anteil der nutzenunabhängigen Bereitschafts- und Strahlungsverluste bleibt konstant vorhanden, auch wenn der Nutzen kleiner wird. Für Niedertemperaturkessel sinken die Bereitschafts- und Strahlungsverluste, wenn er weniger ausgelastet ist, weil die mittlere Kesselwassertemperatur in diesem Fall abgesenkt wird. Damit bleibt der Nutzungsgrad bis zu einem Auslastungsgrad von etwa 10% nahezu konstant. Abb. 2.37: Nutzungsgrad in Abhängigkeit von der Kesselauslastung (Teillast) für verschiedene Kessel typen Bei Brennwertkesseln (nicht in gleichem Maß bei Brennwerthermen) führt die Temperaturabsenkung bei geringen Auslastungen nicht zu reduzierten Bereitschafts- und Strahlungsverlusten sondern auch zu erhöhter Abgaskondensation. Die Abgasverluste sinken in diesem Fall überproportional und der Nutzungsgrad ist im Teillastfall höher als bei Volllast. Allerdings ist auch hier bei etwa 5% Auslastung ein Maximum erreicht. bei noch geringerer Nutzwärmeabgabe dominieren dann wieder die Bereitschaftsverluste. Eine entsprechende Darstellung nach / / zeigt Abb Abb. 2.38: Anlagenwirkungsgrad verschiedener Heizungsanlagen in Abhängigkeit von der Auslastung der Heizungsanlage. Rev

35 Bei dieser Beschreibung wird deutlich: Die Nutzungsgraddefinition hängt stark vom Nutzer selbst ab. Ist der Nutzen null, kann der Kessel noch so gut sein, der Nutzungsgrad ist dann auch null. Das Problem der Nutzungsgraddefinition ist in Abb wieder gegeben. Abb. 2.39: Absolute und relative Wärmeverluste von Wärmeerzeugern in Gebäuden mit unterschiedlichen wärmetechnischen Standards Ergänzend zu den theoretischen Zusammenhängen zur Auslegung und Betrieb von Heizkesseln wird im folgenden Abschnitt von Messungen an ausgeführten Anlagen berichtet: Forschungsprojekt Brennwertkessel In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekt wurden über fast 4 Jahre die Betriebsmerkmale von Brennwertkesseln im Feld untersucht. Untersuchungsschwerpunkt waren Anlagen, in denen keine besondere Überwachung von Planung und Ausführung stattgefunden hatte. Aus den Ergebnissen des Feldprojektes lassen sich Anforderungen für den effizienten Betrieb von Brennwertkesseln ableiten. Untersucht wurde das Betriebsverhalten von 67 Heizungsanlagen, davon waren 60 ausgestattet mit Gas- Brennwertkesseln (GBWK) und 7 mit Gas-Niedertemperaturkesseln (GNTK). Gemessen wurde jeweils die zugeführte Energie (Gasmenge / Gasmengenzähler) und die abgeführte Nutzenergie (Wärme / Wärmemengenzähler). Das Messprogramm sollte folgende Fragen beantworten: Werden die Normnutzungsgrade im Praxisbetrieb erreicht Reicht der Jahresnutzungsgrad als alleiniges Bewertungskriterium für die Effizienz einer Heizungsanlage aus. Der Auswertung der Messergebnisse wurden folgende Merkmale zugrunde gelegt: Hydraulische Einbindung: Aufstellort: Mit oder ohne Überströmventil (zur Einstellung eines Mindestvolumenstroms durch den Kessel) im beheizten oder unbeheizten Bereich Vorlauftemperaturregelung Rev

36 Weiter wurde versucht, Ursachen für erhöhte Energieverluste zu lokalisieren und daraus Empfehlungen für die Auslegung neuer Geräte bzw. die Planer der Anlagentechnik abzuleiten. Erste Ergebnisse waren: Geringer Energiebedarf der Gebäude und daher nur begrenzte Einsparpotenziale Wärmeverlust für Systeme mit Zirkulationsleitungen bei der Trinkwarmwasserversorgung in Höhe von a. 9 kwh/(m² * a) Unmittelbare Anhängigkeit des Jahresnutzungsgrades vom Wärmeverbrauch und von der mittleren Kesselauslastung: Große Abweichungen zwischen den im Praxistest ermittelten Normnutzungsgraden und den auf dem Prüfstand ermittelten. Während der Normnutzungsgrad von einer mittleren Kesselauslastung von 38,8% ausgeht, liegt die mittlere Belastung aller im Projekt eingesetzten Brennwertkessel bei ca. 9%!!! Hauptgründe für diese hohe Abweichung sind: o o Im Normnutzungsgrad sind die Heizpausen und Fremdwärmegewinne zu wenig berücksichtigt Gleichsetzung von Kesselnennleistung und Gebäudeheizlast nach DIN , obwohl im Einfamilienhausbereich die Kesselleistung von der Leistung für die Trinkwarmwasserbereitung bestimmt wird und nicht von der Heizwärmelast. Die Kessel sind daher gegenüber der Gebäudeheizlast um etwa das zwei- bis vierfache überdimensioniert. Der Nutzungsgrad der Anlagen nimmt mit sinkendem Wärmeverbrauch ab, wobei jedoch die absoluten Kesselverluste geringer werden. Der Nutzungsgrad sollte deshalb nicht das einzige Kriterium zur Beurteilung eines Wärmeerzeugers sein. Weiterhin zeigte die Untersuchung, dass gleiche Wärmeerzeuger in verschiedenen Anlagen bei annähernd gleichem Wärmeverbrauch unterschiedliche Jahresnutzungsgrade aufweisen. Für die Effizienz der Heizungsanlage ist die Qualität des Wärmeerzeugers nur zum Teil verantwortlich; einen mindestens gleich großen Einfluss haben o o o Das Nutzerverhalten Die Reglereinstellung Hydraulische Einbindung des Kessels in die Hausheizungsanlage Abb. 2.40: Brennstoffeinsatz in Abhängigkeit von der Kesselauslastung (Angaben normiert, jeweils bezogen auf die Nennleistung) Rev

37 In Abb sind die Ergebnisse dargestellt in einer Ausgleichsgeraden der Monatsmessungen von Brennstoffeinsatz (Energieaufwand) und Auslastung (Energieabgabe). Beide Größen sind normiert und jeweils bezogen auf die Kesselnennleistung. Im Mittel betrug die mittlere Kesselauslastung 9%. Daraus berechnen sich die mittlere Wärmeerzeugung bzw. Wärmeangabe und der Brennstoffeinsatz für einen Kessel mit 20 kw Nennleistung zu: Anwendung der Formel (12) - (17) auf die Ergebnisse des Forschungsprojekts Brennwertkessel Kessel-Nennleistung QN [kw] 20,000 Angabe des Kesselherstellers mittlere jährliche Kesselauslastung β [-] 0,090 mittlerer jährlicher Brennstoffeinsatz wauf,s [-] 0,105 bezogen auf Hs mittlerer jährlicher Brennstoffeinsatz wauf,i [-] 0,095 bezogen auf Hi ( wauf,i = wauf,s * Hi / Hs ) mittlere Jahreswärmeleistung Qw m [kw] 1,800 Qw m = QN * β (13a) mittlere Brennstoffleistung Qbm [kw] 1,909 Qbm = QN * wauf,i (14a) Jahresnutzungsgrad ηφ [-] 0,943 ηφ = β / wauf,i (17) Die Auswertung in Bezug auf die verschiedenen Anlagenmerkmale ergab die in Abb dargestellten Ergebnisse: Abb. 2.41: Einfluss der Anlagenmerkmale auf den Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad Rev

38 Den Nutzungsgradverlauf in Abhängigkeit von der Kesselauslastung zeigt die Abb Wie aus dem Verlauf zu erkennen ist. Fällt der Nutzungsgrad bei Auslastungen unter etwa 30 % bis 40% ab. Besonders stark ist der Nutzungsgradabfall bei Auslastungen unter 5 bis 10%. Dieser Bereich ist vor allem in den Sommermonaten von Bedeutung, in denen der Kessel überwiegend für die Trinkwarmwassererzeugung genutzt wird. Trotz des geringen Sommernutzungsgrades sind die absoluten Verluste in den Sommermonaten sehr viel kleiner als bi höheren Kesselauslastungen im Winter. Abb. 2.42:Nutzungsgrad anhängig von der Auslastung Faszit: Da der Kesselnutzungsgrad sehr stark vom Verbraucherverhalten und vom Nutzwärmeverbrauch abhängt, ist der Normnutzungsgrad allein keine ausreichende Bemessungsgrundlage für die Beurteilung eines Heizkessels. Zusammengefasst sind die Ergebnisse der Untersuchung in der folgenden Tabelle: Die Jahresnutzungsgrade der einzelnen Anlagen gehen aus der Abb hervor: Abb. 2.43: Jahresnutzungsgrade der im Forschungsprojekt Brennwertkessel untersuchten Anlagen. Rev

39 Der Nutzungsgrad lt. Abb.2.44 in Abhängigkeit vom Nutzwärmeverbrauch bildet nur bedingt die Theorie nach Abb. 2.xx ab. Für die meisten der untersuchten Anlagen steigt der Nutzungsgrad des Kessels im Teillastfall nicht an. Der Brennwertkessel im Feldtest ähnelt im Verhalten dem eines Niedertemperaturkessels, wenn auch mit etwas höheren Nutzungsgraden. Abb. 2.44: Nutzungsgrad in Abhängigkeit vom Nutzwärmeverbrauch 2.4. Öl- / Gaskessel Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW) Heizkessel dieser Größenklasse kann man als ein Standardprodukt bezeichnen. Es gibt am Markt viele namhafte Hersteller, deren Kessel die geltenden Normen und Richtlinien einhalten und daher ohne Einschränkung eingesetzt werden können. Besondere Anforderungen sind dann aus den Herstellerunterlagen zu entnehmen bzw. mit den Herstellern / Lieferanten zu klären. In Abb. 2.5 und 2.6 (Kap ) sind Kessel der Leistungsklasse kw und in Abb.2.45 ein Kesseltyp der Leistungsklasse kw dargestellt. Abb. 2.45: Heizkessel kw mit ÖL-Gebläsebrenner Vitoplex 300 von Viessmann Rev

40 Industriekessel 0,5-2 MW In Bezug auf den Aufbau unterscheiden sich diese Kessel nur unwesentlich von den Kesseln für die Wohnraumbeheizung. Beachtet werden muss die Schnittstelle zur Kesselregelung, die beim Industrieeinsatz den jeweiligen Anforderungen wie z.b. der Störungsüberwachung /-Signalweiterleitung entsprechen muss Pelletkessel Im Kap. 8.1 des Scripts Feuerungstechnik wurden Pelletkessel und deren Komponenten bereits beschrieben. Hier wird ergänzend dazu die Gesamtanlage behandelt. Abb. 2.46: Pelletkessel mit Vorratsbehälter und Raumaustragung Ein Konzept für die Wohnraumbeheizung ist in Abb dargestellt. Je nach Raumangebot können die einzelnen Hauptkomponenten Förderung / Raumaustragung, Vorratssilo und Kessel in einem Raum oder in verschiedenen Räumen untergebracht bzw. aufgestellt werden. Die Zuteilung der Pellets muss nicht unbedingt durch Förderschnecken, sondern kann auch bei kleinen Anlagen vorteilhaft durch pneumatische Systeme erfolgen. In diesem Fall stellen dann auch Umlenkungen um Hindernisse kein Problem dar. Fast schon als Standard kann man Heizzentralen mit Pelletkessel der Leistungsklasse kw bezeichnen, wie sie in den Abb.2.47 und Abb dargestellt sind. Die Einteilung in die drei Hauptkomponenten bzw. Abschnitte unterscheidet sich nicht von dem bei den Anlagen kleinerer Leistung. Rev

41 Abb. 2.47: Grundriss und Seitenansicht einer Heizzentrale mit Pelletkessel Die Pellets werden in einem Silofahrzeug angeliefert. Das Silofahrzeug führt immer Schläuche mit und besitzt eine Absaugeinrichtung: Die Abfüllstutzen am Fahrzeug werden mit den Einblasstutzen verbunden und die Pellets in den Lagerraum eingeblasen. Der Druckausgleich erfolgt über den Absaugstutzen, der ebenfalls mit dem Silofahrzeug verbunden werden muss. Der Pelletlagerraum muss ein abgeschlossener Raum sein und entsprechend den brandschutztechnischen Auflagen ausgeführt werden. Im Raum selbst befindet sich mittig angeordnet eine breite Rinne mit einer Austragschnecke. Beidseits der Schnecke sind Schrägböden angeordnet, die ein Abrutschen der Pellets zur Schnecke hin gewährleisten. Durch die Schnecke werden die Pellets aus dem Lagerraum abgezogen und in den Kessel gefördert. Alternativ zu den Schrägböden gibt es auch aktive Zufuhrsysteme. Das sind lange Federn, die durch einen Antriebsmotor über den Lagerraumboden rotieren und die Pellets in die Austragsrinne /-Schnecke fegen. Rev

42 Abb. 2.48: Heizzentrale mit Pelletkessel 2.6. Hackschnitzelkessel Ab etwa 150 kw Wärmeleistung lohnt sich der technisch höhere Aufwand für die Verfeuerung von Hackschnitzeln. Die am meisten verbreiteten Kesseltechniken sind die Unterschubfeuerung und die Rostfeuerung (siehe Abb. 2.49). Abb. 2.49: Feuerungsarten Festbrennstoffkessel: Unterschubfeuerung und Rostfeuerung Rev

43 Bei der Unterschubfeuerung werden die Hackschnitzel über eine Förderschnecke von unten in den Feuerraum eingebracht. Weitere aktive Systeme innerhalb des Kessels zur Verteilung des Brennstoffs gibt es nicht. Im Gegensatz dazu befindet sich in dem Kessel mit Rostfeuerung ein eben oder treppenartig angeordnetes Förderband, der Kesselrost. Dieser ist aus hochwarmfesten Stählen hergestellt und transportiert den Brennstoff - hier die Hackschnitzel - durch den Kessel. Beide Kesseltypen arbeiten mit einer gestuften Luftzugabe bzw. einem gestuften Verbrennungsprozess. Es sind mindesten zwei Stufen, können aber auch mehr sein. Bei der ersten Stufe wird in jedem Fall mit Luftmangel gefahren (unterstöchiometrische Verbrennung) und erst in den folgenden Stufen wird der für die vollständige Verbrennung notwendige Sauerstoff zugeführt. Bei der Unterschubfeuerung (s. Abb. 2.50) ist die Feuerungswärmeleistung und damit die Nennleistung des Kessels begrenzt durch die Abbrandleistung. Es kann also nicht mehr Brennstoff dem Kessel zugeführt werden als pro Zeiteinheit abbrennt. Diese Beschränkung gibt es bei Kesseln mit Rostfeuerung nicht. Abb. 2.50: Festbrennstoffkessel mit Unterschubfeuerung In Abb ist das Schubbodensystem für die Zufuhr der Hackschnitzel zum Kessel dargestellt. Der Abb. 2.51: Festbrennstoffkessel mit Unterschubfeuerung: Brennstoffzufuhr via Schubboden Rev

44 Schubboden selbst kann in einem separaten Raum oder auch austauschbaren Containern angeordnet werden. Auf dem Boden des Lagerbereichs sind Stangen mit fischgrätartig angebrachten Profilstäben positioniert, die über einen Hydraulikzylinder vor und zurück gezogen werden. Durch diese Bewegung werden die Hackschnitzel in eine Rinne geschoben, die sich am Kopfende des Lagerbereichs befindet. In dieser Rinne wiederrum ist eine Förderschnecke untergebracht, mittels der die Hackschnitzle weiter zum Kessel transportiert werden. Wenn es irgendwie möglich ist, sollten Umlenkungen bzw. Anordnungen mit quer zueinander liegenden Schnecken vermieden werden. Abb. 2.52: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Schema Brennstofffluss und Verbrennungsluftzufuhr Die Abb zeigt das Prinzip einer Rostfeuerung. Dieses Verfahren lässt eine Vielzahl von Möglichkeiten der Förderung des Brennstoffs im Kessel und die der Zufuhr der Verbrennungsluft zu. Das Ziel ist in jedem Fall, einen optimalen Verbrennungsablauf zu gewährleisten (s. auch Script Feuerungstechnik Kap..): Stufenweise Zufuhr der Verbrennungsluft -> Stufenverbrennung (s. Abb.2.53 ) Verbrennungsprozess mit insgesamt geringstmöglichem Luftüberschuss (s. Abb. 2.54) Möglichst vollständiger Ausbrand -> geringer Anteil Unverbranntes in der Kesselasche Vermeidung lokaler Bereiche mit hohen Verbrennungstemperaturen Rev

45 Abb. 2.53: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Alternativen Verbrennungsluftzufuhr Abb. 2.54: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Verteilung der Verbrennungsluft über den Rost-Zonen Die auf S. 44 genannten Aufgaben der Feuerungstechnik stellen auch hohe Anforderungen an die Kesselregelung. Dazu gibt es aufwändige Systeme wie z.b. die mit einer Erfassung und Auswertung der Verbrennungsabläufe mittels einer Infrarotkamera (s. Abb. 2.55). Rev

46 Abb. 2.55: Festbrennstoffkessel mit Rostfeuerung: Regelung der Verbrennungsluft über den Rost-Zonen mittels Infrarotkamera Eine nahezu vollständige Verbrennung wie bei Erdgas oder Heizöl wird bei der Verbrennung von Hackschnitzel nicht erreicht. Unverbrannte Bestandteile finden sich wieder in der Kesselasche und im Abgas. Eine Entsorgung der Kesselasche ist meist problemlos möglich. die unverbrannten Anteile im Abgas müssen herausgefiltert werden. Dazu stehen zwei Techniken zur Verfügung: Zyklon und Filter. Abb. 2.56: Festbrennstoffkessel: Entstaubung alternativ mit Zyklon und mit Filter Rev

47 Abb. 2.57a: Gewebefilter Abb. 2.57b: Zyklonabscheider Zyklonabscheider (s. Abb. 2.57b) sind eine einfache technische Lösung für die Abscheidung von Stäuben. Der mit Staub beladene Abgasstrom wird tangential in einen nach unten konisch auslaufenden Trichter geleitet. Durch die Fliehkraft werden die Staubpartikel an die Wandung geschleudert und unten am Trichter abgezogen. Durch eine Umlenkung wird der Reingasstrom im oberen Teil des Abscheiders abgeleitet. Beim Gewebefilter (s. Abb. 2.57a) wird das mit Staub beladene Abgas durch hitzebeständige Filtertaschen geleitet, Abb. 2.57c: Abscheidegrad verschiedener Staubabscheider in denen der Staub hängen bleibt bzw. abgeschieden wird. Gewebefilter sind erheblich teurer, haben aber einen besseren Abscheidegrad bzw. können auch kleine Kornfraktionen aus dem Abgas entfernen (s. Abb c) In der Abb ist beispielhaft eine Heizzentrale mit Hackschnitzelfeuerung dargestellt. Man sieht die Anlieferung der Hackschnitzel mit LKW; die Hackschnitzel selbst werden auf eine ebenerdige Lagerfläche abgekippt und von dort mit einem Greifersystem in einen Tiefbunker (?) mit Schubboden verbracht. Der übrige Förderweg / Verbrennung erfolgt wie oben beschrieben. Zur Staubabscheidung wird ein Gewebefilter verwendet. In der folgenden Abbildung Abb. 2.59: wird die Abladung in einen Tiefbunker gezeigt. Die ist eine oft verwendete Anordnung. Beachtet werden müssen die festigkeits- und sicherheitstechnischen Anforderungen an den Deckel : Tragfähigkeit für LKW, falls angeordnet im Fahrweg Sicherung / Personenschutz beim Öffnen und im offenen Zustand Rev

48 Abb. 2.58: Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel Abb. 2.59: Heizzentrale mit Hackschnitzelkessel: Brennstoffanlieferung Rev

49 Der Vollständigkeit halber ist in Abb ein Scheitholzofen für Einzelfeuerungsstätten gezeigt. Diese arbeiten ebenfalls weitestgehend automatisiert und hat die dafür erforderlichen betriebs- und sicherheitstechnischen Einrichtungen Abb. 2.60: Hackschnitzelkessel als Einzelfeuerungsstätte Rev

50 3. Dampfkessel Rev

51 4. Auslegung von Kesselanlagen 4.1. Wärmebedarf Abb. 4.1: Ermittlung der Primärenergieaufwandszahl nach ENEV 4.2. Auslegung / Nennleistung 4.3. Integration in die Gesamtanlage Rev

52 Heizkessel für Wohnraumbeheizung (0,01-0,5 MW) Industriekessel 0,5-2 MW Industriekessel 2-50 MW Rev

53 5. Trinkwarmwassererzeugung Die energiesparende Erzeugung von Trinkwarmwasser rückt immer mehr in den Focus, seit die Anstrengungen zur Reduzierung der Energieverluste bei der Raumheizung wirksame Früchte tragen. Bei energiesparsamen Bauen und Wohnen sind ist heutzutage der Energieverbrauch für die Erzeugung von Trinkwarmwasser höher als der für die Raumheizung Grundlagen In Kap sind die Schaltungsmöglichkeiten für die Erzeugung von Trinkwarmwasser dargestellt Auslegung und Anlagentechnik Hier aus Cerbe die Zusammenhänge und Grundlagen (NL-Zahl) integrieren Speicherladesystem Hauptkomponenten beim Speicherladesystem sind neben den Pumpen / Regelung der Speicher und der Wärmetauscher. Der Speicher wird in der Regel aus Edelstahl gefertigt, etwas kostengünstiger sind Speicher aus Stahl mit beschichteten Innenflächen. Als Wärmetauscher werden Plattenwärmetauscher verwendet. Das sind aufeinander geschichtete und gelötete Platten mit einer wechselseitigen Prägung derart, dass auf einer Seite der Platte der Heizwasser und auf der anderen Seite Trinkwarmwasser strömt. Beide Massenströme sind als nur durch eine dünne Platte voneinander getrennt. Plattenwärmetauscher können so geschaltet werden, dass die Massenströme entweder im Gleich- oder im Gegenstrom geführt werden. Abb. 5.2: Trinkwarmwassererwärmung nach dem Speicherladesystem Rev

54 Abb. 5.3: Plattenwärmetauscher mit Anschluss im Gegen- oder Gleichstrom System mit innenliegendem Wärmetauscher Bei dieser Variante ist der Wärmetauscher im Speicher eingebaut. Es handelt sich dabei ausschließlich um Bündelrohrwärmetauscher.Das sind berippte Rohre aus Edelstahl oder Kupfer, die zu einem Bündel gewickelt werden. Die beiden Enden des Bündels werden auf eine Flanschplatte geschraubt. Die Flanschplatte wird auf den Gegenflansch des Speichers geschraubt, so dass das Wärmetauscherbündel in den Speicher hineinragt. Die abgebildeten Darstellungen entstammen aus Firmenprospekten der Firma Wieland in Ulm. Abb. 5.4: Rohrbündelwärmetauscher (Wieland, Ulm) Die Berechnungsgrundlagen sind: Nachfolgend sind Anschlussskizzen, die Berechnungsgrundlagen und ein Berechnungsbeispielaus der Planungsmappe der Fa. Wieland: Rev

55 Rev

56 Abb. 5.5: Rohrbündelwärmetauscher Leistungsdiagramm (Wieland, Ulm) Abb. 5.6: Rohrbündelwärmetauscher: Detail Anschlussverschraubung 5.3. Berechnungsbeispiel Für das folgende Berechnungsbeispiel wurden an Daten verwendet: Speicherladesystem: Innenliegender WT: Ergebnisse der Auslegung eines Plattenwärmetauschers mithilfe des Auslegungsprogramms der Firma Reflex. Auslegungsdaten und Berechnungsbeispiel der Firma Wieland, Ulm Das System Speicherladung lässt sich in einem Schritt berechnen, der innenliegende Wärmetauscher nicht. Der Grund liegt darin, dass die Wärmeübertragung zwischen Rohrbündelwärmetauscher und dem Trinkwarmwasser von der Temperaturdifferenz zwischen Heizwasser (Rohrbündel) und Trinkwasser abhängt. Mit steigender Temperatur des Heizwassers nimmt die Temperaturdifferenz und damit die übertragene Wärmeleistung ab. Deshalb wurde die Berechnung in 6 Schritte (Phase I - IV) unterteilt und für jeden Schritt bzw. Zeitintervall die Randbedingungen linearisiert. Die vollständige Berechnung kann im Arbeitsblatt B2 nachvollzogen und ggfs. durch Variation der Eingabeparameter geändert werden Rev

57 FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de Trinkwarmwassererwärmung (TWW) Index "i" : Index "sl" : Speicher mit Wärmetauscher (WT) "innen" im Speicher angeordnet Speicher mit Wärmetauscher (WT) außerhalb des Speichers angeordnet: Speicherladesystem 1.) Aufgabe: Trinkwarmwasserspeicher: Berechne die Ladeleistung und Ladezeit der beiden Varianten i und sl "i" : im Speicher innenliegender Wärmetauscher "sl" : Speicherladesystem 2.) Lösung: (i) (sl) Symbol Einheit Aufteilung des Ladevorgangs in mehre Temperaturschritte (Phase I-VI), da die Wärmeübertragung im Speicher vom Temperaturgefälle zwischen Ladetemperatur und mittlerer Speichertemperatur abhängt. Die Berechnung kann in einem Schritt durchgeführt werden. Symbol Einheit Betrag Begriff, Definition TWW-Speicher Betrag Begriff, Definition Kessel QN Qü [kw] ηk [-] cpw ρw Tv Ta [KJ/kg K] 4,186 Spez. Wärme von Wasser [kg/m³] 1000 Dichte von Wasser QF B Hi [kw] 18,89 Feuerungswärmeleistung [m³/h] Brennstoffeinsatz [KWh/m³] 11,80 Unterer Heizwert / Brennstoff Erdgas V A,f [m³a/m³b] 11,55 Abgasvolumen, feucht [kw] [ C] Vsp Tu To As ks QS 17,00 Kessel Nennleistung an den WT-Kreis übertragene Leist. 0,9 70 [ C] Kesselwirkungsgrad, Vorgabe Kessel, Vorlauf Speicher Tv=To+10K Abgastemp., Ta=Tr,i bzw Tr,sl + dta, dta = [l] 200 Speichervolumen [ C] 30 Temperatur, entladen [ C] 60 Temperatur, geladen [m²] 6 Oberfläche [W/mK] 0,2 Dämmung,k-Wert [kwh] eingespeicherte Wärme 20 Verbrennung Q F=Q N / ηk TL [ C] 15 qa,i [-] 0,0245 qkond,i [-] 0,0000 qges,i [-] 0,0619 qa,sl [-] 0,0140 qkond = r*v H2O*ϱH2O,n*xs,H2O / Hi qkond,sl [-] 0,0228 qges,sl [-] 0,0286 Umgebungstemperatur B = Qb / Hi v H2 0 [m³h2o/m³b] 2,326 Abgas, Feuchte cpma,f [KJ/m³A K] qges [-] qa [-] qu [-] 0,0064 spez. Verlust durch Unverbranntes qs [-] 0,0160 qb [-] 0,0150 Bereitschaftsverluste, geschätzt qkond [-] Rev ,39 spez. Wärme Abgas, feucht 0,0374 Kesselwirkungsgrad hängt von T r,i bzw. Tr,sl ab!! Abgasv. qa = V A,f * cpma, f *(Ta - TL) / Hi " Wärmeverlust,Kesseloberfläche Kond.-W. Kesselverluste System "i" Kesselverluste System "sl" 57

58 Speicher-/Heizkreis i -> innenliegender Wärmetauscher Speicher-/Heizkreis Tv,i [ C] 70 Vorlauftemperatur, Tv,i = Tv q s,i [W/K] 475 WT-Wärmeleistung Tr,i [ C] Rücklauftemperatur : hängt vom V i [m³/h] 1,00 Wasserdurchsatz Ladezustand ab (ist zu berechnen) dpi [bar] 0,20 Druckverlust Q Ü,i [kw] Ladeleistung tlz,i [min] Ladezeit Ta [ C] 79,90 Abgastemperatur Ta = Tr,i + dt Heizkreis sl -> Speicherladesystem Speicherkreis Tr,sl [ C] 30 Rücklauftemperatur, Tr,sl = Tu Q s,sl-wt [kw] 17,1 WT-Wärmeleistung Ergebnisse des dph [kpa] 0,80 Druckverlust Programms für dpsl [kpa] 1,30 Druckverlust V h [m³/h] 0,53 Wasserdurchsatz Wärmetauscher- V sl [m³/h] 0,74 Wasserdurchsatz Tv,h [ C] 70 Vorlauftemperatur Auslegung der Fa. Tv,sl [ C] 30 Vorlauftemperatur REFLEX Tr,h [ C] 32 Rücklauftemperatur Tr,sl [ C] 60 Rücklauftemperatur tlz,sl [min] Ladezeit Ta [ C] 52,00 Abgastemperatur Ta = Tr,h + dt 4.) Berechnung (i) Temp.-Schritt dt 5 [K] Phase I Phase III Phase V Tu 30,0 [ C] Tu 40,0 [ C] Tu 50,0 [ C] To' 35,0 [ C] To' 45,0 [ C] To' 55,0 [ C] Qs 1,16 [kwh] Qs 1,16 [kwh] Qs 1,16 [kwh] Qs,i = ρw * Vsp*cpw*(To'-Tu)/3600 qs,i 475 [W/K] qs,i 475 [W/K] qs,i 475 [W/K] aus Diagramm WRW 23, Abb. 1 Q ü,i 17,8 [kw] Q ü,i 13,1 [kw] Q ü,i 8,3 [kw] Qü,i = 0,001*qs*(Tv-0,5(Tu+To' )) Q ü,i 17,0 [kw] Q ü,i 13,1 [kw] Q ü,i 8,3 [kw] wenn Qü,i > QN, dann Qü,i = QN dt 14,6 [K] dt 11,2 [K] dt 7,1 [K] dt = 3600 * QÜ,i / (ρw*v i*cpw*1000) T'r,i 55,4 [ C] T'r,i 58,8 [ C] T'r,i 62,9 [ C] Tr,i = Tv,i - dt tlz,i 4,10 [min] tlz,i 5,34 [min] tlz,i 8,39 [min] tlz,i = QS * 60 / Qü Phase II Phase IV Phase VI Tu 35,0 [ C] Tu 45,0 [ C] Tu 55,0 [ C] To' 40,0 [ C] To' 50,0 [ C] To' 60,0 [ C] Qs 1,16 [kwh] Qs 1,16 [kwh] Qs 1,16 [kwh] Qs,i = ρw * Vsp*cpw*(To'-Tu)/3600 qs,i 475 [W/K] qs,i 475 [W/K] qs,i 475 [W/K] aus Diagramm WRW 23, Abb. 1 Q ü,i 15,4 [kw] Q ü,i 10,7 [kw] Q ü,i 5,9 [kw] Qü,i = 0,001*qs*(Tv-0,5(Tu+To' )) Q ü,i 15,4 [kw] Q ü,i 10,7 [kw] Q ü,i 5,9 [kw] wenn Qü,i > QN, dann Qü,i = QN dt 13,3 [K] dt 9,2 [K] dt 5,1 [K] dt = 3600 * QÜ,i / (ρw*v i*cpw*1000) T'r,i 56,7 [ C] T'r,i 60,8 [ C] T'r,i 64,9 [ C] Tr,i = Tv,i - dt tlz,i 4,52 [min] tlz,i 6,53 [min] tlz,i 11,75 [min] tlz,i = QS * 60 / Qü Summen I-VI Qs 6,98 [kwh] tlz,i 40,64 [min] T'r,i 59,9 [ C] T'r,i = Mittelwert aus T'r,i I-VI Rev

59 Abb. 5.7: Rohrbündelwärmetauscher Leistungsdiagramm (Wieland, Ulm) 5.) Berechnung (sl) Qs,sl [kwh] 6,98 eingespeicherte Wärme Qs,sl = ρw * Vsp*cpw*(To-Tu) /3600 tlz,sl [min] 24,5 Ladezeit tlz,sl = Qs,sl * 60 / Q s,sl-wt Qs,sl = ρw * Vsp*cpw*(To-Tu) / ) Ergebnisse Titel Kessel-Speicher mittl. Übertragene Wärmeleistung eingespeicherte Wärmemenge Ladezeit mittl. Rücklauftemperatur, Kesselkreis Temperaturdifferenz Abgas-Kesselrücklauf Abgastemperatur Kesselwirkungsgrad Anordnung des Speicherlade-Wärmetauschers Einheit "innen" "aussen" [kw] 11,74 17,10 [kwh] 6,98 6,98 [h] 0,68 0,41 [min] 40,64 24,48 [ C] 59,9 32 [ C] [ C] 79,9 52,0 [%] 93,81 97,14 Rev

60 A) TWW-Speicher mit "innen" angeordnetem Wärmetauscher (Index "i") Kesselwirkungsgrad ηk = * qges,i TWW, VL TWW, Z ηk [%] 93,81 Ta [ C] 79,9 Vsp 200 l Tu 30 C To 60 C Qsp 6,98 kwh Erdgas-Brenwert Kessel q s,i 475 W/K Tv,i [ C] 70,0 Q N 17,0 kw Erdgas T'r,i [ C] 59,9 Q B [kw] 18,89 Abb. 5.8: Berechnungsbeispiel: TWW-Speicher mit innen angeordnetem Wärmetauscher B) TWW-Speicher mit "externem" Wärmetauscher / Speicherladesystem (Index "sl") Kesselwirkungsgrad ηk = * qges,sl ηk [%] 97,14 TWW, VL TWW, Z Ta [ C] 52,0 Vsp 200 l Tu 30 C To 60 C V sl [m³/h] Qsp 6,98 kwh 0,74 Erdgas-Brenwert Tv,sl [ C] Tv,h [ C] Kessel Q N 17,0 kw Erdgas Q B [kw] 18,89 Tr,sl [ C] Tr,h [ C] q s,sl V h [m³/h] 17,1 kw 0,53 Abb. 5.9: Berechnungsbeispiel: TWW-Speicher mit externem Wärmetauscher nach dem Speicherladeprinzip Rev

61 Achsentitel Ladeleistung [kw] FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de 18,0 16,0 Trinkwarmwasserspeicher: Ladezeit abhängig vom Ladesystem Wärmetauscher "innen" 0,01 14,0 17,0 17,1 0, ,4 4,10 12,0 17,0 17,1 4, ,4 8,62 15,4 17,1 8, ,7 13,96 10,0 13,1 17,1 13, ,8 20,49 8,0 10,7 17,1 20, ,8 24,48 9,5 17,1 28, ,9 28,89 6,0 8,3 40, ,9 40,64 4,0 5,9 Wärmetauscher "außen" (Speicherladesystem) 2,0 0,0 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 Ladezeit [min] Abb. 5.9: Trinkwarmwassererwärmung: Ladezeit in Abhängigkeit von der Anordnung des Wärmetauschers 70 Trinkwarmwasserspeicher: Rücklauftemperaturen abhängig vom Ladesystem Tr,h : Speicherladesystem, Kesselrücklauftemperatur T'r,i : Speicher mit innenligendem Wärmetauscher, Kesselrücklauftemperatur 0 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 Achsentitel Abb. 5.11: Trinkwarmwassererwärmung: TWW-/Kesselrücklauftemperaturen in Abhängigkeit von der Anordnung des Wärmetauschers Rev

62 6. Nahwärmeversorgung Eine verbindliche Abgrenzung der Begriffe Nahwärme und Fernwärme gibt es nicht. Hier wird dann von Nahwärme gesprochen, wenn es darum geht, einen Wärmeverbund zwischen lokal angeordnete Liegenschaften (s. Abb. 6.1) herzustellen. Realisiert wird dies durch ein mit Heizwasser durchströmtes Rohrleitungsnetz, in das aus einem zentralen Wärmeerzeuger (Heizkessel, BHKW o.ä.) Wärme eingespeist wird und aus dem die umliegenden Verbraucher ihren Wärmebedarf decken können. Abb. 6.1: Beispiel einer ortszentralen Nahwärmeversorgung 6.1. Grundlagen Die Hauptkomponenten sind in Abb.6.2 am Beispiel eines Nahwärmenetzes mit einem Biomasse- und Ölkessel dargestellt. Abb. 6.2: Hauptkomponenten eines Nahwärmenetzes Rev

63 Der Wärmeverbund besteht grundsätzlich aus den drei Bereichen: a) Heizzentrale mit Wärmeerzeugung sowie sämtlichen, zum Betrieb der Heizzentrale erforderlichen Nebeneinrichtungen incl. der Netzpumpen zur Umwälzung des Heizwassers im Nahwärmenetz. b) Nahwärmenetz (Rohrleitungen mit Haupt-, Verteil- und Hausanschlussleitungen) c) Hausübergabestation ( Übergabe der Wärme an die Hausheizanlage) In Abb.6.3.ist die Abgrenzung zwischen diesen drei Bereichen dargestellt. Abb. 6.3: Abgrenzung der Nahwärmenetzbereiche Wärmeerzeugung, Wärmenetz, und Hausstation Abb. 6.4: Hausanschlussleitungen mit Zweigstellen Eine überschlägige Dimensionierung der Fernwärmeleitung und des Kraftbedarfs für den Heizwassertransport im Netz kann nach folgendem Schema durchgeführt werden: Rev

64 FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de Der Rechengang für die Ermittlung der übertragbaren Wärmeleistung und der erforderlichen Pumpleistung zeigt das folgende Beispiel. Bei der Berechnung der Pumpleistung kann man zur Vermeidung aufwändiger Umrechnungen die einfachere Formel (7) anstelle der Formel (6) verwenden. Rohrleitung / Übertragbare Wärmeleistung (Medium: Wasser) Feldfarben: Eingabe Ergebnis Formel d i Rohr, Innendurchmesser 0,1 [m] Ai Rohr, Durchlussquerschnitt 0,00785 [m²] Ai = π di² / 4 c pw spez. Wärme 4,186 [KJ/kg K] ϱw Dichte 1000 [kg/m³] Temperaturdifferenz dt 20 [K] Fließgeschwindigkeit w 1,2 [m/s] Auslegungsrichtlinie : w < 1,5 m/s Ausgangsgleichung Q = m w *c pw *dt = ϱw *V *c pw *dt Qü Wärmeleistung, übertragen 788,64 [KW] Q ü = ϱw * Ai * w * c pw * dt Volumenstrom V 0,00942 [m³/s] V = Ai * w 33,91 [m³/h] Druckdifferenz nach/vor Pumpe 0,20 [bar] Wirkungsgrad mech+el. 60,00 [%] Pumpenleistung P 314,00 [W] P = (dp/ƞp) * Q ü / (c pw * ϱw * dt) mit dp in bar ƞ p in % Q ü in kw und dt in K P 314,01 [W] P = 2389* (dp/ƞ p) * (Q ü /dt) (1) (2) (3) (4) (6) (7) oft ist die Wärmleistung vorgegeben und gefragt ist der Innenrohrdurchmesser Wärmeleistung Q 2000,00 [KW] Fließgeschwindigkeit w 1,5 [m/s] Temperaturdifferenz dt 20 [K] di Innenrohrdurchmesser 0,14 [m] di = 4*Q/(π*ϱw *w*c pw *dt) Wärmeleistung Q [kw] di/dt , Abb. A1.1 Übertragene Wärmeleistung Q [kw] als Funktion von di [m] dt=20 118K dt=30 265K , dt= K 0, , , , , , , , ,000 0, , ,100 0,150 0,200 0,250 0,300 Rohrinnendurchmesser di [m] Abb. 6.5: Übertragbare Wärmeleistung in Abhängigkeit vom Rohrinnendurchmesser di nach Gl. (3) Rev

65 6.2. Wärmebedarf - geordnete Jahresdauerlinie Der Wärmeleistungsbedarf während eines Jahres hat den typischen Verlauf, wie er in Abb. 6.6 dargestellt ist, wobei die Wärmeleistung hier willkürlich gewählt ist: Abb. 6.6: Wärmeleistung verteilt über ein Jahr Unter einer geordneten Jahresdauerlinie versteht man eine Graphik, bei der - in der Regel über eine Stunde gemittelte - Leistungswerte der Größe nach "sortiert" dargestellt sind. Dabei fängt die Sortierung mit dem Maximalwert an und fällt dann stetig bis auf den Minimalwert ab. "Sortiert" werden können in der Wärme-/Klimatechnik die verschiedensten Größen; hier handelt es sich um die Summe der mittleren stündlichen Wärmebedarfswerte eines Jahres. Der Zweck der graphischen Darstellung des Wärmebedarfs in einer geordneten Jahresdauerlinie ist die Struktur zu erkennen, welche Leistungen mit welcher Häufigkeit während eines Jahres auftreten. Diese Informationen können dann weiter verarbeitet werden für die Dimensionierung wärme-technischer Anlagen. Dabei handelt es sich im Rahmen dieses Manuskriptes um: - Anlagen mit mehreren Heizkesseln (Festbrennstoffkessel / Gas- oder Ölkessel) - Gaskessel mit zusätzlicher Eigenstromerzeugung durch BHKW Die Struktur des Wärmebedarf teilt sich auf in: Lastspitze und Grundlast sowie die dazwischen liegenden Mittellast. Die Grundlast ergibt sich in der Regel aus dem, von der Jahreszeit unabhängigen Wärmebedarf für Trinkwarmwasser. Kennzeichen der Grundlast ist eine hohe Benutzungsdauer pro Jahr, während die Spitzenlast zwar eine hohe Leistung ausmacht, aber nur für wenige Stunden im Jahr benötigt wird. Die Jahresdauerlinie dient zur Auslegung der Wärmeerzeuger in Grund- und Spitzenlast. In der Grundlast werden "teure" Anlagen wie z.b. BHKW oder Festbrennstoffkessel eingesetzt. Für die Abdeckung der Lastspitzen werden "kostengünstige" Wärmeerzeuger wie Gaskessel verwendet. Am weitesten verbreitet ist die Darstellung des "geordneten" Wärmebedarf QWB,j [kw] über die Jahresstunden j, j= Diese Form der Darstellung gilt dann nur für den Einzelfall. Rev

66 Die geordnete Jahresdauerlinie wird konstruiert aus dem stündlichen Wärmeverbrauch für Raumheizung und 100 Trinkwarmwasser oder 50 den Tagesganglinien des Wärmeverbrauch für Raumheizung und Trinkwarmwasser Die Verbrauchsdaten können gemessene oder nach DIN 2067,Blatt 7 berechnete Werte sein. Sie hängen von vielerlei Einflussfaktoren (Klima, Nutzerverhalten) ab und können sich von Stunde zu Stunde verändern. Werden sie dem Betrag (Leistung) nach geordnet ( Qj > Qj+1), so erhält man die "geordnete Jahresdauerlinie". Wärmebedarf QWB,j [kwh/h] "ungeordnet" Wärmebedarf QWB,j, [kwh/h]"geordnet" QWB,max j j Abb. 6.7: Konstruktion einer geordneten Jahresdauerlinie Zur Veranschaulichung des Unterschieds zwischen einer aus Messungen gewonnen Jahresdauerlinie und einer nach DIN 2067, Teil 7 berechneten dient das unten Diagramm Abb.6.8 nach / /. Abb. 6.8: Geordnete Jahresdauerlinie einer Wärmelast: Messung und Berechnung nach VDI 2067 Rev

67 Im weiteren Verlauf wird hier der normierte, also auf den maximalen Wärmebedarf bezogene Wärmebedarf als Basisgröße verwendet q WB = Q WB,j / Q WB,max.(siehe Abb. 6.9). Der Zweck dieser Vorgehensweise ist es, verschiedene Jahresdauerlinien miteinander vergleichen zu können. 1,000 Abb. B5.2: Geordnete, normierte Jahresdauerlinie des Trinkwarmwasserund Heizwärmebedarfs qwb (t) nach /1/ qwb (t) [-] 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 qwb (tx) dqwb 0, tx Jahresstunden t [a] Abb. 6.9: Normierte geordnete Jahresdauerlinie Im Arbeitsblatt B4.2 wurden Jahresdauerlinien (s. Abb. 6.10) aus verschiedenen Quellen ausgesucht, ausgewertet, normiert und im Diagramm Abb.6.12 miteinander verglichen. QWB (t) [kwh/h] 250,0 200,0 150,0 Abb. B5.6: Geordnete Jahresdauerlinie des Trinkwarmwasser- und Heizwärmebedarfs QWB (t) nach /1/ QWB (t) [kwh/h] 50,0 40,0 30,0 Abb. B5.7: Geordnete Jahresdauerlinie des Trinkwarmwasser- und Heizwärmebedarfs QWB (t) nach /2/ 100,0 50,0 20,0 10,0 0, Jahresstunden t [a] 0, Jahresstunden t [a] Abb. 6.10: Geordnete Jahresdauerlinien nach /1/ und /2/ und /3/ qwb (t) [kwh/h] 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 Abb. B5.8: Geordnete Jahresdauerlinie des spezifischen Trinkwarmwasser- und Heizwärmebedarfs qwb (t) nach /3/ 0, Jahresstunden t [a] Rev

68 1,000 Abb. B5.4: Geordnete Jahresdauerlinien nach /1/, /2/, /3/ aus Arbeitsblatt B4.2 qwb (t) [h/a] 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 Jahresdauerlinie 1 (QWB,max 250kW) Jahresdauerlinie 2 (QWB,max = 55 kw) Jahresdauerlinie 3 (qwb, max = 1) 0,400 0,300 0,200 0,100 0, Jahresstunden t [a] Abb. 6.12: Zusammenstellung der geordneten, normierten Jahresdauerlinien aus Abb Das Integral der Jahresdauerlinie (Diagramm "Jahreswärmeverbrauch q WB in Abhängigkeit von der normierten Benutzungsdauer t" ) ermöglicht in einem Arbeitsgang die Aufteilung in Grund- und Spitzenlast sowie die Ermittlung des zugehörenden Wärmeverbrauchs Q WB. Das Integral der Jahresdauelinie berechnet sich je nachdem der Wärmebedarf als Leistung Q [kw] oder als relative Leistung q [-], mit q= Q / Q max angegeben ist nach den Formeln: oder 3000 Abb. B5.3: Jahreswärmebedarf qwb in Abhängigkeit von der rel. Leistung q /1/ qwb [h/a] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 relative Leistung q [-] Abb. 6.13: Intergral der Jahresdauerlinie von Abb. 6.9 Rev

69 Von den einzelnen, normierten Jahresdauerlinien aus Diagramm Abb wurden die Integralkurven berechnet und gemeinsam in ein Diagramm eingetragen: s. Abb Diese Darstellung zeigt folgendes: a) Jeder relativen (normierten) Wärmeleistung kann ein Jahreswärmebedarf (normiert) zugeordnet werden. b) Im Bereich der Spitzenlast kann zwar die relative (normierte) Wärmeleistung erhöht werden, aber der zugeordnete Jahreswärmebedarf erhöht sich nur unwesentlich. c) Der Fall Spitzenlast von b) tritt ab einer relativen Leistung von 0,4 ein. Das bedeutet umgerechnet auf absolute Werte eine Wärmeleistung von 40% von der maximalen Wärmeleistung. Zum besseren Verständnis und für die praktische Anwendung ein Beispiel mit zwei BHKW Motoren angefügt Abb. B5.5: Jahreswärmeverbrauch qwb in Abhängigkeit von der rel. Leistung q qwb [h/a] 2500 qwb Grundlast Spitzenlast qwb Jahresdauerlinie nach /1/ Jahresdauerlinie nach /2/ 500 Jahresdauerlinie nach /3/ 0 0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 1,000 q1 q2 relative Leistung q [-] Bezugsgröße QWB,max [kwth] 250 Bh=QBHKWi/Q BHKWi Stromerzeugung Formeln BHKW Modul i=1 BHKW Modul i=2 q1 qwb1 Q BHKW1 QBHKW1 q2 qwb2-1 Q BHKW2 QBHKW2 [-] [h/a] [kwth] [kwhth / a] [-] [h/a] [kwth] [kwhth / a] 0, , [h/a] [h/a] ηel ηth Pkl Wel ηel ηth Pkl Wel [%] [%] [kwel] [kwhel / a] [%] [%] [kwel] [kwhel / a] Q BHKW,i = qi * QWB,max Pkl,i = qi * QWB,max * ηel / ηth QBHKW,i = qwb,i * QWB,max Wel,i = qwb,i * QWB,max * ηel / ηth Abb. 6.13: Intergral der gemittelten, normierten Jahresdauerlinie von Abb mit einer Auslegung von 2 BHKW Motoren als Anwendungsbespiel Rev

70 6.3. Rohrleitungen und Absperrungen Der unsichtbare, aber kostenintensive Teil einer Nah- bzw. Fernwärmeversorgung ist das Wärmenetz. Grundsätzlich unterscheiden muss man zwischen zwei verschiedenen Rohrleitungsarten: KMR Rohr PEX Rohr Bei den KMR (Kunststoffmantelrohr) Rohren handelt es sich um isolierte Stahlrohre, die außen mit einem Kunststoffmantel umgeben sind (s. Abb. 6.14). Sie kommen ab Rohrdimensionen DN 80 zum Einsatz. Für geringere Rohrdurchmesser werden PEX (Peroxydvernetztes Polyethylen, PE-Xa) Rohre verwendet. Bei den PEX Rohren ist im Gegensatz zu den KMR Rohren auch das Innenrohr aus Kunststoff. Abb. 6.14: KMR Rohr und Rohrgraben mit verlegten KMR Rohren Im diesem Script werden nur die PEX Rohre behandelt. Dabei wird ausschließlich auf Firmenunterlagen der Firma WeKa Bezug genommen. Die WeKa-pex Fernwärmeleitungen sind ein flexibles Rohrsystem für den Temperaturbereich <95 ºC. Ihr Einsatzgebiet sind Fernwärmenetze kleiner und mittlerer Anschlussleistung bis ca 1-2 MW. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bieten sich in Industrie, Landwirtschaft, Trinkwasserversorgung, Abwasserentsorgung, Kälteanlagen, Thermalwassersysteme und Schwimmbadtechnik. WeKa-pex ist als Einzelrohr bis DN 100 und als Doppelrohr bis 2x DN 50 lieferbar. Die Doppelrohrausführung hat aufgrund der kompakten Bauweise einen geringeren Wärmeverlust der Rohrtrasse als zwei Einzelrohre. Da mit WeKa-pex kleine Biegeradien möglich sind, können die Rohre problemlos im Bogen, um vorhandene Hindernisse herum, zu den einzelnen Gebäuden verlegt werden. Vorhandene Versorgungsleitungen können unter - oder überquert werden. Aufgrund der großen Lieferlängen erreicht man eine einfache Verlegung, nahezu ohne Verbindungsstellen, in kürzester Zeit. Auch im Tiefbau ergeben sich durch den Einsatz von WeKa-pex erhebliche Einsparungen, da die Rohrgräben extrem schmal ausgeführt werden können. Die Doppelrohrausführung begünstigt das nochmals. Aufgrund der kurzen Verlegezeiten reduzieren sich die Baubehinderungen und damit auch Folgekosten auf ein Minimum. Das WeKa-pex Mediumrohr besteht aus einem peroxydvernetzten Polyethylen, PE-Xa nach DIN 16892, Rohrreihe nach DIN 16893, Grundmaterial PE-HD. Es ist sehr gut beständig gegen aggressives Wasser und Chemikalien und hat vorzügliche thermische Eigenschaften. Das Heizungsrohr - 6 bar - ist mit einer organischen Sauerstoffdiffusionssperre - E/VAL - (Ethylenvenyalkohol) Schicht nach DIN 4726, ausgestattet. Auf- Rev

71 grund der glatten, ablagerungsfreien Rohrinnenwandung hat das WeKa-pex Mediumrohr einen extrem niedrigen Reibungswiederstand. Die Wärmedämmung besteht aus einem umweltfreundlichen, zu 100% FCKW- und H-FCKW-freien Cyclopentan getriebenen PUR-Schaum. Der ODP- und GWP-Wert ist Null! Die sehr gute Wärmeleitfähigkeit liegt bei max. 0,024 W/mK bei geringen spez. Gewicht. Das Mantelrohr besteht auch bei WeKa-pex aus bewährtem, nahtlos extrudierten Polyethylen mit hoher Dichte. Der Mantel ist zähelastisch, schlag- und bruchfest. Die Verbindung der PEX-Rohre erfolgt über schraubbare oder zu verpressende Verbindungs- oder Anschlussstücke. Pressverbindungen werden vorzugsweise bei größeren Heiznetzen eingesetzt. Für den Sanitärbereich werden Schraubverbindungen empfohlen. Abb. 6.15: Technische Daten von WeKa PEX Rohr. Abb. 6.16: Grabenprofil für WeKa PEX Rohre für Zweirohrsystem (Vor- und Rücklauf getrennt) und Duo Rohrsysteme (Vor- und Rücklauf in einem Hüllmantel integriert) Rev

72 6.4. Hauseinführungen Eine konstruktiv zusätzliche Komponente ist die Hauseinführung. Ihre Funktion ist die Herstellung einer dichten Verbindung zwischen Rohrleitung und der Haus-Außenwand. Für jedes Rohrleitungssystem werden dafür spezielle Hauseinführungen geliefert (s. Abb. 6.17). Abb. 6.17: Hauseinführungen 6.5. Hausübergabestation Die indirekte Fernwärmeübergabestation des Typs FSI-S Ü ist zur Beheizung von Ein- und Mehrfamilienhäusern konzipiert. Ihre Ausführung als komplett wärmegedämmte, wandhängende Anlage mit optimal minimierten Baumaßen gestattet es, sie selbst bei geringen Platzverhältnissen problemlos einzusetzen. Das Anlagenkonzept umfasst einen Leistungsbereich der es gestattet, bis zu ca 70 Wohnungen zu versorgen. Die Station ist für den sekundären Anschluss eines Heizkreises sowie einer Trinkwarmwasserversorgungsanlage (Speicherwassererwärmer oder Speicherladesystem) geeignet. Da die sekundärseitigen Durchflüsse und Netztemperaturen variabel gestaltet sind, sind hierzu erforderliche Umwälzpumpen nicht im Anlagenumfang enthalten und müssen bauseits gestellt werden. Die Ansteuerung und Elektroversorgung dieser ist im Steuerteil der Anlage vorbereitet. Als indirekte Anlage ausgeführt, sind bei diesem Anlagentyp Primär- und Sekundärseite hydraulisch voneinander getrennt. Zum einen sind hiermit Druck- und Temperaturunterschiede relativ einfach überbrückbar und zum anderen werden Havariefälle des Sekundärsystems nicht auf die Primäranlage übertragen. Das führt zu erhöhter Betriebssicherheit im Primärnetz und u.a. werden andere Anschlüsse / Nutzer nicht betroffen. Wie auch bei direkten Anlagen dient ein Durchgangsregelventil (8a) im Primärkreis der Anlage zur Anpassung der sekundären Temperaturparameter. Der Energieaustausch erfolgt über einen Wärmeübertrager (12). Hierbei wird der Energieinhalt des heißeren Primärmediums durch Abkühlung desselben an der Wärmeübertragungsfläche (profilierte Platte) an das kältere Sekundärmedium übertragen. Das geschieht im sogenannten Gegenstromprinzip. Die verbrauchte Wärmeenergie wird mittels eines Wärmemengenzählers (10 - bauseits) zum Zweck der Abrechnung gemessen. Hierfür ist ein entsprechendes Zählerpassstück incl. Messstelle eingebaut. Da keine weiteren primärseitigen Abgänge vorhanden sind und vorausgesetzt wird, dass der Primärdifferenzdruck keinen großen und / oder kurzzeitigen Schwankungen unterliegt, kann diese Regelfunktion mit der Begrenzungsfunktion in einer sogenannten Kombiarmatur (8a) zusammengefasst werden. Dadurch ist ein permanent konstanter Druckabfall über dem Ventil sichergestellt, der die Regelungsqualität erhöht und der primärseitige Volumenstrom kann auf den vertraglichen Wert begrenzt werden. Führungsgrößen sind die gemessene Vorlauftemperatur am Fühler (19) sowie die einzuhaltenden Rücklauftemperatur am Fühler (13), deren Sollwert im elektronischen Regler z.b. über eine Heizkurve entsprechend der gemessenen Außentemperatur ermittelt wird. Rev

73 Abb. 6.18: Anschlussschemata von Hausübergabestationen Abb. 6.19: Auslegungsdaten von Hausübergabestationen Abb. 6.20: Abmessungen und Bild einer Hausübergabestation Rev

74 6.6. Regelung Die witterungsgeführte Regelung ist direkt an der Kompaktstation installiert und hat in den meisten Fällen die folgenden, wesentlichen Funktionen: Misst die Vorlauftemperatur auf der Sekundärseite und die Außentemperatur Verändert den Hub des Regelventils auf der Primärseite so, dass sich die erforderliche sekundäre Vorlauftemperatur ergibt Begrenzt die Rücklauftemperatur auf der Primärseite auf einen vorher eingestellten Wert Schaltet auf der Sekundärseite die Umwälzpumpe / Umwälzpumpe (bauseits) bei Bedarf ein oder aus und sorgt für eine Frostsicherung Bei angeschlossenem Trinkwarmwassersystem wird im Bedarfsfall eine Vorrangschaltung aktiviert Da keine weiteren primärseitigen Abgänge vorhanden sind und vorausgesetzt wird, dass der Primärdifferenzdruck keinen großen und / oder kurzzeitigen Schwankungen unterliegt, kann diese Regelfunktion mit der Begrenzungsfunktion in einer sogenannten Kombiarmatur (8a) zusammengefasst werden. Dadurch ist ein permanent konstanter Druckabfall über dem Ventil sichergestellt, der die Regelungsqualität erhöht und der primärseitige Volumenstrom kann auf den vertraglichen Wert begrenzt werden. Führungsgrößen sind die gemessene Vorlauftemperatur am Fühler (19) sowie die einzuhaltenden Rücklauftemperatur am Fühler (13), deren Sollwert im elektronischen Regler z.b. über eine Heizkurve entsprechend der gemessenen Außentemperatur ermittelt wird. Abb. 6.21: Außentemperaturgeführte Regelung einer Hausstation Rev

75 6.7. Anschlussbedingungen Von jedem Nah- / Fernwärmeversorger werden Anschlussbedingungen vorgegeben, die eine wichtige Grundlage für die Dimensionierung der Hausübergabestationen.sind. Diese Anschlussbedingungen sind von Versorger zu Versorger verschieden und angepasst an die Anlagentechnik der Wärmeerzeugung und -verteilung des Unternehmens. Von den Anschlussbedingungen sind hier zwei Vorgaben genannt: Vorlauftemperatur des Nah- / Fernwärmenetzes (s. Abb. 6.22) Sicherheitstechnische Ausrüstung (s. Abb. 6.23) Abb. 6.22: Außentemperaturgeführte Vorlauftemperatur eines Fernwärmenetzes Eine nicht zu vernachlässigender Faktor bei der Nah-/Fernwärmeversorgung sind die Wärmeverluste des Netzes. Daher muss es das gemeinsame Interesse aller Beteiligter sein, diese Verluste durch Absenken der Netztemperaturen zu minimieren. In Abb ist eine typische Netzvorlauf - Temperaturregelung dargestellt. Bei kalter Witterung wird die Vorlauftemperatur angehoben und in der Sommerzeit abgesenkt. Die Absenkung ist begrenzt durch die minimal zur Trinkwarmwassererzeugung benötigte Temperatur. Die sicherheitstechnische Ausrüstung (s. Abb. 6.23) ist in der DIN festgelegt, sollte aber in jedem Fall beim Versorger nochmals abgefragt werden, das sie Grundlage ist für die Ausschreibung der Hausstation. Rev

76 Abb. 6.23: Sicherheitstechnische Anforderungen an eine Hausübergabestation Rev

77 7. Blockheizkraftwerke Blockheizkraftwerke sind ein fester Bestandteil der Energietechnik heute. Im Gegensatz zur Wärmeerzeugung mit Heizkesseln produzieren sie Wärme + Strom 7.1. Anlagentechnik Ausgangsprodukt der BHKW-Technik sind die vom Automobil bekannten Basistechniken Otto-Motor und Dieselmotor. Das Prinzip konnte übernommen werden, die technische Ausführung musste angepasst werden. Wenn ein Automobil ausgelegt wird auf km Laufleistung, so einspricht dies bei einer mittleren Geschwindigkeit von 50km/h nur h. Komponenten zur Wärmeerzeugung (Kessel) können in der Regel problemlos 25 Jahre x Volllaststunden, also Stunden betrieben werden. BHKW-Motor wurden konstruktiv angepasst, dass sie bei Einhaltung der kleinen und großen Inspektionen / Wartungen ( h Intervall) / Überholungen ( h Intervall) eine, den Kesseln vergleichbare Lebensdauer erreichen. Lieferbar sind BHKW-Motore von wenigen kw bis mehreren MW elektrischer Leistung. Sie unterscheiden sich hauptsächlich nach dem konstruktiv-verfahrenstechnischen Aufbau: Gas-Otto-Motor Gas-Magermotor Dieselmotor (Brennstoffe Diesel/HEL, Biodiesel und flüssige Sonderbrennstoffe wie z.b. Nussöl) 1.) Einteilung der BHKW nach Konstruktion und Verwendung Konstruktion λ-1-motor* Magermotor* Diesel-Motor Brennstoffe - Erdgas - Klärgas - Erdgas - Klärgas - Heizöl EL - Bio-Diesel * jeweils auch mit Turbolader Abb. 7.1: Typ und Brennstoff von BHKW Motoren Wegen der vergleichsweise hohen Schadstoffemissionen werden Dieselmotoren in der dezentralen BHKW- Heiztechnik nur selten eingesetzt. Es sind teure Maßnahmen zu Reduzierung der Ruß- und NOx- Emissionen notwendig. Mit Katalysatoren ausgestattete Gas-Otto-Motor sind eine kostengünstigere Alternative und Stand der Technik, obwohl im Lamda=1 Betrieb hohe NOx-Emissionen produziert werden, die es dann wieder "vernichten" gilt. Eine Alternative zum Gas-Otto-Motor ist der Magermotor. Er wird mit einem Luftüberschussgefahren, bei dem nur wenig NOx-Emissionen entstehen (siehe nebenstehende Abb. 7.2).Allerdings steigt der CO-Gehalt, weshalb ein Oxidationskatalysator nachgeschaltet Abb. 7.2: BHKW: Wirkungsgrad und Emissionen Rev

78 werden muss. In dem werden dann auch die NMHC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) "verbrannt" werden. Ein BHKW-Motor stellt immer eine ergänzende Komponente in einem Wärmeversorgungskonzept dar. Die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Störungen und Unterbrechungen im Rahmen geplanter Stillstände ist im Gegensatz zu Kesselanlagen wesentlich größer. Daher gibt es vier Grundsätze für die Planung von BHKW-Anlagen: a) Abdeckung der Spitzenlast durch Heizkessel, BHKW nur als ergänzende Komponente b) Aufteilung der Grundlast auf mehrere BHKW-Motore (siehe Arbeitsblatt ) c) Dimensionierung eines Pufferspeichers auf die lt. Hersteller vorgegebenen Mindestlaufzeit des/der BHKW-Motore d) Maßnahmen zur Reduzierung der Schallemissionen auf die Vorgaben des Schallschutzes BHKW-Motore können die nebenstehenden Wirkungsgrade (s. Abb. 7.3) erreichen. Das Prinzip der Wärmeauskopplung und Stromerzeugung mit einem BHKW Motor zeigt Abb Weitere Grundlagen und Faktoren sowie Kostenangaben gehen aus unten stehenden Tabellen und Graphiken hervor. Sie stammen aus einem Jahresbericht der ASUE (Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.v.) Abb. 7.3: Tabelle mit Wirkungsgraden von BHKW Motoren d c e f b b 80 g a 1 Abb. 7.4: Wärmeauskopplung aus einem BHKW Motor Rev

79 T [ºC] FHTE Feuerungstechnik und Wärmeerzeugung Dr.-Ing Manfred Heinisch - mheinisch@arcor.de d e f g 50 c b a Q [kw] Abb. 7.5: Temperatur Wärmeleistungsdiagramm der Wärmeauskopplung aus dem BHKW Motor von Abb. 7.4 Basis- und Bezugsgröße in den einschlägigen Herstellerunterlagen und der Literatur ist die elektrische Leistung (ab Generator -> Klemmenleistung) P BHKW. Aus ihr können mit den elektrischen und thermischen bzw. Gesamtwirkungsgrad alle übrigen Leistungsgrößen berechnet werden. Blockheizkraftwerk, Grundgleichungen Feldfarben: Eingabe Ergebnis Formel - Elektrische Leistung (Klemme) PBHKW 50,0 [kwhel] - Brennstoffleistung QB,BHKW [kwhth] Q B,BHKW = m B,BHKW * Hi (1) - Brennstoffeinsatz mb,bhkw [kg/h] - Brennstoff, Heizwert Hi [kwh/kg] - Wirkungsgrad Stromerzeugung ŋel,bhkw 0,33 [kwhel/kwhb] ŋel,bhkw = PBHKW / Q B,BHKW (2) - Brennstoffleistung QB,BHKW 151,5 [kwhth] QB,BHKW = PBHKW / ŋel,bhkw (3) - Wirkungsgrad Nutzwärmeerz. ŋth,bhkw 0,55 [kwhth/kwhb] ŋth,bhkw = QBHKW / Q B,BHKW (4) - Thermisch genutzte Abwärme QBKW 83,3 [kwhth] QBHKW = PBHKW * ŋth,bhkw / ŋel,bhkw (5) (5) berechnet sich aus PBHKW mit (2) und (4) - Brennstoffausnutzungsgrad ωbhkw 0,88 [kwhnutz/kwhb] ωk = (Q BHKW+PBHKW) / Q B,BHKW (6) (ASUE) - Brennstoffausnutzungsgrad ωbhkw 0,88 [kwhnutz/kwhb] ωbhkw = ŋel,bhkw + ŋth,bhkw (7) - spez. Brennstoffeinsatz qb,bhkw 1,14 [kwhb/kwhnutz] qb,bhkw = 1 / ωbhkw (8) Rev

80 In Abb. 7.6 sind die Energieströme Brennstoffeinsatz, Energieverluste und Nutzenergien für einen BHKW Motor aufgezeigt. Abb. 7.6: Energiefluss - Schema eines BHKW (Sankeydiagramm) Das Schaltschema in Abb. 7.7 zeigt das Prinzip der die wärmetechnischen Integration von zwei BHKW Motoren in eine Gesamtanlage: Der BHKW-Motor stellt immer eine ergänzende Komponente in einem Wärmeversorgungskonzept dar. Abb. 7.7: Schaltschema eines BHKW mit 2 Motoren Rev

81 Bei der Planung eines BHKW muss dem Schallschutz besondere Beachtung geschenkt werden. Das sind lt. Abb. 7.8 die folgenden Bereiche: Körperschall BHKW Motor Direkte Schallabstrahlung vom Motor Schallemissionen im Abgas Schallemissionen über die Zu-/Abluftöffnungen BHKW Motore mit einer Leistung < 1 MW werden meistens in schallgedämmten Containern (s. Abb. 7.8) aufgestellt und betrieben. Für größere Aggregate werden bauseits separate Räume errichtet. Die Motoren werden dann auf körperschallgedämmten (schallentkoppelten) Grundrahmen montiert. Für Aggregate mit einer Leistung > 3 MW muss geprüft werden, ob nicht ein separates, vom übrigen Baukörper entkoppeltes Fundament gebaut wird. Mit dem Abgas wird besonders tief frequenter Schall an die Umgebung abgegeben. Ein Abgasschalldämpfer ist in jedem Fall zwingend notwendig, das Einbauschalldämmmaß nachgeschalteter Abgaswärmetausche reicht nicht aus! Der Motor selbst kann nicht wärmegedämmt werden und strahlt daher Wärme (lt. Abb. 7.6 ca 3%) direkt in den Container oder den Aufstellungsraum ab. Diese Wärme muss über eine Zwangsbelüftung abgeführt werden. An den Zu-/Abluftöffnungen bzw. Kanälen wirkt der vom Motor abgegebene Luftschall. An diesen Stellen müssen ebenfalls Schalldämpfer installiert werden, wobei wiederum besonders die tiefen Frequenzen zu absorbieren sind. Abb. 7.8: Aufbau eines BHKW, integriert in einen Schallschutzcontainer Rev

82 7.2. Betriebsweise In Bezug auf die Betriebsweise sind BHKW Motore weitestgehend unkritische Komponenten, da die konstruktive Ausführung auf den Erfahrungen des Automotorenbaus basiert und mit der Integration in die Gesamt-Heizungsanlage ausreichend viele Erfahrungen vorliegen. Häufig auftretende Themen sind: Motoröl: In den meisten Fällen reicht es aus, einfache und kostengünstige Motoröle zu ver- wenden. Synthetische Öle sind teuer und gewähren keine angemessene längere Laufzeit. In regelmäßigen Abständen Ölanalysen geben Auskunft über den Verschleiß von Öl und ggfs. Motor. Zündkerzen: Werden besonders konstruierte Zündkerzen oder besonders verschleißarme Zünd kerzen lt. Herstellerangaben benötigt, kann das teuer werden. Betriebsdaten: Eine automatische Erfassung der Betriebsdaten erleichtert die Störfallanalyse Abgas-WT: Abgaswärmetauscher sind in den meisten Fällen Wasserraumkessel, also Wasser behälter durch die das heiße Abgas in Rohren geführt wird: Auf gute Reinigungsmöglichkeit der Abgasrohre achten Technische Daten In diesem Kapitel sind ASUE Angaben zusammengestellt. Sie geben einen guten Überblick über den Stand der BHKW Technik anhand der jeweils aufgeführten Diagramme. In Abb. 7.9 sind die installierten BHKW eingeteilt nach der Häufigkeit der elektrischen Leistungen. Abb. 7.9: Häufigkeit von BHKW, sortiert nach elektrischen Leistungsklassen Rev