Beurteilung nachrüstbarer Verbrennungsluftregelungen für Kaminöfen

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1 Beurteilung nachrüstbarer Verbrennungsluftregelungen für Kaminöfen 21. Arbeitskreis Holzfeuerungen am 17. Mai 217 Robert Hans Hartmann

2 Projekt WoodStoves22 Projekt WoodStoves22 Development of next generation and clean wood stoves Projekt Fokus: Entwicklung neuer Ofenkonzepte sowie Regelungskonzepte Implementierung von Katalysatoren Quantifizierung der Stillstandsverluste Bewertung nachrüstbarer Regelungen und Katalysatoren Abschlussworkshop: EUBCE Stockholm 17 B Mc 1 Folie 2

3 Methodik Testzyklus: 8 aufeinanderfolgende Abbränden (5 Volllast 3 Teillast) inkl. Anheizen. Jede Regelung und die Referenzmessung (manueller Betrieb) wurden über 3 komplette Testzyklen gemessen. Die Wärmeverluste wurden immer am Ende eines Zyklus gemessen bis die Abgastemperatur des Ofens 5 C erreichte. Für jede Regelung wurde als mögliche Fehlbedienung ein Überlastversuch mit doppelter Brennstoffmenge durchgeführt. Zusätzlich wurden die Wärmeverluste nach 3 Abbränden gemessen. Lufteinstellungen: Ohne Regelung / mit Zugbegrenzer: Abbrand 1-2 Primär- + Sekundärluft offen, Abbrand 3-5 Primärluft geschlossen, Sekundärluft um 3% verringert, Abbrand 7-8 Sekundärluft um 5% verringert. Mit Regelung: Abbrand 1-2 Primär- + Sekundärluft offen, Abbrand 3-8 Primärluft geschlossen, Sekundärluft ganz geöffnet 16 B Mc 38 Folie 3

4 Überblick über die verwendeten Regelungen Testbedingung Geregelter Zug Naturzug Typ Funktionsprinzip TATAREK RT8OS-G-TD Thermoelement + elektronische Klappe Schmid SMR K+W Compact ATEC Florian K+W Zugbegrenzer Thermoelement + elektronische Klappe Thermoelement + elektronische Klappe Thermoelement+ Druck und Geschwindigkeitssensor + elektronische Klappe + Lüfter Einbauort Zuluftstutzen Zuluftstutzen Zuluftstutzen Zwischen Schornstein und Abgasrohr Ungefährer Endkundenpreis inkl. Zubehör (ohne Display) 3 3 Mechanische Klappe Zwischen Schornstein und Abgasrohr oder an der Schornsteinsohle 16 B Mc 39 Folie 4

5 TATAREK RT8OS-G-TD Freier Restquerschnitt: 6,2 cm² 8 % des Rohrquerschnitts 16 B Mc 4 Folie 5

6 TATAREK RT8OS-G-TD: Parameter Einstellung CO & OGC TATAREK 1 TATAREK 2 TATAREK 3 Temp. F3 C Temp. F4 C Temp. F5 C Temp. F6 C Temp. F6/7 C Temp. F8 Max. C Temp. F8 Min. C Time F8 min Time F9 min Damper F4 % Damper F5 % Damper F6 % Damper F8 % T max. chimney C Damper T max. % Time F1 s Temp restart C Time stop s Source: 16 B Mc 41 Folie 6

7 Schmid SMR Luftklappe schließt komplett 16 B Mc 5 Folie 7

8 Schmid SMR: Parameter Einstellung Die Regelung verfügt über mehrere vorinstallierte Abbrandkurven welche durch Auswahl des Ofentyps eingestellt werden Fragebogen Der Endnutzer hat zugriff auf zwei Parameter: - Glutphasentemperatur - Abkühlphasentemperatur Die Abbrandkurve wurde in Abstimmung mir dem Hersteller ausgewählt (Schmid), Glutphasentemperatur (335 C) und Abkühlphasentemperatur (28 C) wurden durch Vorversuche ermittelt. Das mitgelieferte Thermoelement wies einen Offset von 2 K zur Referenzmessung auf. 16 B Mc 51 Folie 8

9 K+W Compact Löcher abgeklebt Restquerschnitt: 9 cm² 8 % des Rohrquerschnitt 16 B Mc 6 Folie 9

10 K+W Compact: Parameter Einstellung 3 Testzyklen wurden im originalen Auslieferungszustand durchgeführt 1 Testzyklus wurde durchgeführt bei dem die Löcher abgeklebt wurden 16 B Mc 61 Folie 1

11 T flue gas Draught ATEC Florian: Parameter Einstellung 3 Zyklen wurden auf Leistungsstufe 1 ( intelligenter Automatikmodus) gemessen Zug wird automatisch geregelt Der Lüfter wird nur in den ersten 3 Minuten des Anzündabbrands verwendet. 5 C T flue gas Draught Einfluss Klappe B Mc 7 Folie 11 Einfluss Lüfter sec 1. Duration

12 K+W Zugbegrenzer CO 2 CO 2, O 2 CO, OGC CH 4 Prüfstandsaufbau und Anordnung der Messstellen. Messstelle Strömungsgeschwindigkeit am Zugbegrenzer. Verbindung Zugbegrenzer Schornstein. 16 B Mc 71 Folie 12

13 Gasförmige Emissionen Lambda Vergleich aller Regelungen (Abbrand 1-8) 2. mg/mj Geregelter Zug Mittelwert ( min I max ) n=3 CO OrgC Lambda Naturzug Manueller Betrieb TATAREC Schmid SMR K+W Compact Manueller Manueller Betrieb Betrieb Naturzug Zugbegrenzer 62 ATEC Florian 17 B Mc 2 Folie 13

14 Partikelförmige Emissionen Vergleich aller Regelungen (Abbrand 1-8) 15 mg/mj Geregelter Zug Naturzug Mittelwert ( min I max ) n=3 PM Manueller Betrieb TATAREC 3 Optimaler Betrieb durch Fachpersonal am Prüfstand! Schmid SMR K+W Compact Manueller Betrieb Naturzug Manueller Betrieb Zugbegrenzer ATEC Florian 17 B Mc 3 Folie 14

15 Wirkungsgradbetrachtung η=1-q a -q b -q r -q cool q a q b q cool q cool = q r = Verlustwärme Energie Brennstoffeinsatz Energie Kohle Energie Brennstoffeinsatz 1 % q r,5 % nach DIN EN B Mc 5 Folie 15

16 Wirkungsgrad / Verluste Vergleich aller Regelungen (Abbrand 1-8) 1 % Manueller Betrieb Klappen in letzter Position Geregelter Zug TATAREK 3 Schmid SMR K+W Compact Manueller Betrieb Klappen in letzter Position Naturzug Zugbegrenzer Klappen in letzter Position Wirkungsgrad q_a q_b q_cool q_rückstand ATEC Florian 17 B Mc 6 Folie 16

17 Manuell Klappen in letzter Position TATAREC Schmid SMR K+W Compact Löcher K+W Automatische Klappe Naturzug Klappen in letzter Position Zugbegrenzer Klappen offen Naturzug ATEC Florian Verluste Eingesetzter Brennstoff Vermeidung der heißen Stillstandsverluste (3 Abbrände) während der Abkühlphase bis 5 C Abgastemperatur 15 % ,8 Geregelter Zug 8,3 2, 1,2 3,9 11,2 Naturzug Verluste [%] Brennstoffeinsatz 7,2 11, 15 kg Hinzu kommen die Vermeidung der kalten Stillstandsverluste wenn der Ofen nicht betrieben wird. Diese können bei geöffneten Klappen bei ca kwh/monat für einen 8 kw Ofen während der Heizperiode liegen. 17 B Mc 9 Folie 17

18 Eigesparte Brennstoffkosten (Buche 33cm 93 /Rm) Amortisation Schmid SMR bei aktuellen Scheitholzpreisen 1 /a Eingesparte Stillstandsverluste Eingesparter Brennstoff durch Wirkungsgradsteigerung Summe 6 47,8 4 36,9 2 1, Anzahl Heizzyklen Bei einem Endkundenpreis von derzeit ca. 1.1 und einer jährlichen Einsparung von ca. 48 /a bei 1 Heizzyklen/a ergibt sich eine wirtschaftliche Amortisationszeit von rund 23 Jahren. Wäre die Klappe der TATAREK Ofenregelung dicht, ergäbe sich bei 276 eine Amortisationszeit von ca. 6 Jahren. 17 B Mc 1 Folie 18

19 Zusammenfassung Senkung der gasförmigen Emissionen und Steigerung des Wirkungsgrads. Durch den Einsatz einer nachrüstbaren Regelung ist keine Staubminderung zu erwarten. Staubemissionen könnten evtl. durch technische Optimierung noch verringert werden (Lufteinstellungen zu Beginn des Abbrands, Timing Nachlegesignal (Kompromiss gasförmige Emissionen/Staubemissionen). Verkauf und Installation (Anpassung der Parameter) nachrüstbarer Regelungen sollte nur durch den Ofenhersteller oder befähigtes Fachpersonal durchgeführt werden. Die größten Vorteile von automatischen Verbrennungsluftregelungen liegen in der Vermeidung von Wärme und Stillstandsverlusten sowie der Verringerung von Fehlbedienungen (Lufteinstellungen). Die Luftklappen sollten in jedem Fall dicht schließen (Sicherheit/Zulassung). Die derzeit am Markt verfügbaren Regelungen sind größtenteils zu teuer. 17 B Mc 11 Folie 19

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Robert Technologie- und Förderzentrum im Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe (TFZ) Schulgasse 18, Straubing Tel.: 9421 /

21 OGC emissions O 2 / CO 2 CO emissions T_flue gas TATAREK RT8OS-G-TD: Parameter optimierung (Abbrandkurven des 4. Abbrands) 2 % 1 5 O2 REF CO2 REF O2 TATAREK 1 CO2 TATAREK 1 O2 TATAREK 2 CO2 TATAREK 2 O2 TATAREK 3 CO2 TATAREK 3 8, ppm 4, 2, CO REF T flue REF CO TATAREK 1 T flue TATAREK 1 CO TATAREK 2 T flue TATAREK 2 CO TATAREK 3 T flue TATAREK 3 4 C ,25 ppm sec 4 Duration OGC REF OGC TATAREK 1 OGC TATAREK 2 OGC TATAREK sec 4 Duration Einfluss Parameter Temp. F8 max bzw. min Nachlegesingnal näher an erlöschen der flamme weniger CO Emissionen während des Kohleausbrand sec 4 Duration 16 B Mc 42 Einfluss Parameter F4+F5+F6 (Temp + Damper) weniger CO und OGC Emissionen während Anzündphase bzw. Nachlegen durch eingeschränkte Luftzufuhr