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Aufbau

 
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Aufbau und Funktion von Gas-Niedertemperaturkesseln

Niedertemperaturkessel für die Verbrennung von Gas werden auch als Spezial-Heizkessel bezeichnet. Der Begriff dient der klaren Unterscheidung zu den früher üblichen Standard-HeizkesselnStandard-Heizkessel
Mit Standard-Heizkessel sind Konstanttemperatur-Heizkessel gemeint, die über das Jahr mit einer konstanten Kesselwassertemperatur betrieben werden (müssen). Sie sind in Europa zugelassen (CE-Zeichen), aber für den Neubau wegen ihres schlechten Nutzungsgrades nicht geeignet. Besser geeignet sind Niedertemperatur-Heizkessel, noch besser Brennwert-Heizkessel.
, die je nach eingebautem Brenner sowohl Gas als auch Öl verbrennen konnten. Gas-Spezial-Heizkessel stellen spezielle Konstruktionen dar, abgestimmt auf die Besonderheiten der Gas-Verbrennung.

Schnitt durch einen Gas-Niedertemperaturkessel mit atmosphärischem Brenner

Gas-Niedertemperatur-Heizkessel werden sowohl in der klassischen Bauweise als bodenstehende Geräte oder als wandhängende Geräte (Gas-Wandkessel) angeboten. Letztere werden auch als ThermenTherme
Die Therme ist ein Heizgerät, bei der das Heizungswasser umhüllt von einem führenden Rohr direkt durch die Brennerflamme geführt und dabei erhitzt wird. Thermen werden daher auch als Durchlaufwasserheizer bzw. Umlaufwasserheizer bezeichnet. Im Gegensatz zu einem Heizkessel, in dem eine vergleichsweise große Menge Heizungswasser relativ langsam erwärmt wird, ist der Wasserinhalt einer Therme sehr gering. Der geringe Wasserinhalt verlangt eine Mindestwassermenge bzw. eine Modulation der Brennerleistung.
bezeichnet. Sie sind heute mindestens so leistungsfähig wie bodenstehende Geräte. heiz-tipp.de behandelt die Thermen wegen Ihrer Bedeutung im Abschnitt »› Gas-Heizthermen... gesondert.

Bodenstehende Geräte haben je nach Konstruktion und Kesselwerkstoff ein Leergewicht (ohne Warmwasserspeicher) zwischen 100 und 160 kg und sind damit bedeutend schwerer als wandhängende Geräte, die ca. 50 bis 60 kg wiegen. Die Abmessungen der Boden-Kessel liegen etwa im Bereich eines mittleren Kühlschranks, also ca. 60 cm tief und breit und etwa 90 cm hoch.

Das Charakteristische in der Funktion eines Niedertemperaturkessels ist, dass die Temperatur des Kesselwassers praktisch gleich der Temperatur des Heizungswasser ist. Die Temperatur des Heizungswassers selbst wird nach dem WärmebedarfWärmebedarf
Der Wärmebedarf ist jene Nettowärmemenge in kWh, die zur Beheizung eines Raumes bzw. eines Gebäudes oder/und zur Warmwasserbereitung benötigt wird. Der Wärmebedarf ergibt sich aus dem Produkt der Heizlast und der Zeitdauer der Beheizung. Der Wärmebedarf für die Raumheizung setzt sich aus dem Transmissionswärmebedarf und dem Lüftungswärmebedarf zusammen.
geregelt. Da dieser entweder fällt oder steigt, muss auch die KesselwassertemperaturKesselwassertemperatur
Mit Kesselwassertemperatur bezeichnet man die Temperatur des Heizungswassers in einem Heizkessel. Üblicherweise muss die Höhe der Kesselwassertemperatur mindestens dem Wärmebedarf bzw. der Auslegungstemperatur des Heizungssystems entsprechen und darf nach unten die Taupunkttemperatur der Abgase nicht unterschreiten. Bei modernen Heizkesseln mit gleitender Temperaturregelung (z.B. Niedertemperatur-Heizkessel und Brennwert-Heizkessel) darf sich die Kesselwassertemperatur auch dem minimalen Heizwärmebedarf anpassen und die Taupunkttemperatur unterschreiten (bei einem Brennwertheizkessel sogar gewollt).
schwanken können. Dazu wirkt die Regelung unmittelbar auf den Brenner. Bei ein- und zweistufigen Brennern bleibt der mit konstanter LeistungLeistung
Die Leistung ist die pro Zeiteinheit umgesetzte oder verbrauchte Energiemenge (Wärme oder Strom). Die Einheit der Leistung ist das Watt (Kurzzeichen W, 1000 W = 1 kW - ein kiloWatt). Die in Anspruch genommene oder abgegebene Leistung ergibt sich, indem die verbrauchte Energiemenge (angegeben in kWh) durch die Zeit (in Stunden h) dividiert wird. Ein Heizgerät mit einer Leistung von 2 kW (Heizkörper, Elektrokonvektor o.ä.) verbraucht bei ununterbrochenem Betrieb in einer Stunde 2 kWh Wärme ab und verbraucht dabei auch 2 kWh Energie.
arbeitende Brenner solange im Betrieb, bis die gewünschte Heizwassertemperatur erreicht ist. Bei Kesseln mit modulierendem Brenner (Leistungsmodulation) wird die Heizwassertemperatur über die Leistungsregelung des Brenners und die Einschaltdauer reguliert.

Die Schwankungsbreite der VorlauftemperaturVorlauftemperatur
Mit Vorlauftemperatur bezeichnet man die Temperatur des zum Heizkörper hinfließenden Heizungswasser. Sie liegt je nach Außentemperatur bei außentemperaturgeführten Heizungsregelungen zwischen 35 und 70°C. Anlagen mit reinen Flächenheizungen (Fußboden-, Wandheizungen) kommen mit 25 bis 40°C aus. Bei Heizungsanlagen ohne Heizungsmischer ist die Vorlauftemperatur gleich der Temperatur des Kesselwassers.
ist erheblich. Sie beginnt bei etwa 30 °C und endet bei 75 °C. Dieses Auf und Ab der Temperaturen ist zwar für eine moderne Heizungsregelung kein Problem - aber für die Werkstoffe des Heizkessels. Ohne besondere konstruktive Maßnahmen wäre ein klassischer Heizkessel rasch korrodiert.

Vor allem die niedrigen Temperaturen sind es, die der alten Generation von Heizkesseln technische Probleme bereiten. Es besteht immer die Gefahr einer möglichen Korrosion der Kesselwerkstoffe. Ursache ist die Bildung von mehr oder weniger aggressivem KondenswasserKondenswasser
Kondenswasser ist das Wasser (auch Kondensat, Tauwasser genannt), welches durch Erreichen der Sättigungsgrenze infolge Temperaturabsenkung von Wasserdampf entsteht. Kondenswasser entsteht auch in einem Brennwertheizkessel.
, wenn die Abgase auf eine relativ kühle, heizwasserumströmte Kesseloberfläche treffen. Um diesen "Taupunkt" möglichst selten zu durchfahren, hält man das Kesselwasser älterer Standardheizkessel immer bei Temperaturen oberhalb des Taupunktes bei 70 bis 80 °C. Die meist tiefer liegende Heizwassertemperatur wird durch Beimischung von kühlerem Rücklaufwasser in der hand- oder motorgetriebenen Mischeinrichtung erzielt (siehe auch »› Was sind "Mischer" und wie werden sie eingesetzt?).

Für die heutige Generation von Niedertemperaturkesseln werden Kesselwerkstoffe verwendet, die wenig korrosionsanfällig sind. Verschiedene Hersteller setzen Edelstähle, Emaille- bzw. Keramikbeschichtungen oder Spezialguss ein. Bei der Nutzung von Erd- oder FlüssiggasFlüssiggas
Zu den Flüssiggasen zählen Propan und Butan sowie ein Gemisch aus beiden. Flüssiggas fällt bei der Erdöl- und Erdgasgewinnung und in Raffinerien gasförmig als Nebenprodukt an. Durch Komprimierung wird das Gas verflüssigt und in diesem Zustand transportiert und gelagert. Flüssigas hat einen Heizwert von 6,8 bis 7,2 kWh/l je nach Zusammensetzung.
als Brennstoff sind die korrosionsfördernden Eigenschaften des Kondensates ohnehin geringer als bei der Öl-Verbrennung. Ursache ist der weitaus geringere Schwefelanteil im Brennstoff Gas.

Einen weiteren konstruktiven Entwicklungsfortschritt stellt das Prinzip der heißen Brennkammer dar. Die Rauchgase kommen hierbei nicht mehr direkt mit dem heizwasserumspülten Kesselkörper in Berührung. Die Brennkammer stellt praktisch eine sich rasch aufheizende erste Ebene dar, die ihrerseits wieder - vor allem durch WärmestrahlungWärmestrahlung
Die Wärmestrahlung ist eine Form der Wärmeübertragung, die nicht an ein Transportmedium wie Luft oder Wasser gebunden ist. Die Energie der Wärmestrahlung ist abhängig von der Oberflächentemperatur, wobei immer der höher temperierte den kälteren Körper "anstrahlt". Die Wärmestrahlung wird durch undurchsichtige (opake) Bauteile und Gegenstände unterbrochen und absorbiert. Strahlungswärme ist bei der Beheizung von Wohn- und Arbeisträumen unbedingt anzubieten, da sie wesentlich zur Behaglichkeit beiträgt.
- Wärme an die zweite Ebene, die heizwasserberührende Kesselwandung abgibt. Kondensattröpfchen, die in der Startphase nie ganz auszuschließen sind, kommen rasch wieder zur Verdampfung. Hersteller sprechen in diesem Zusammenhang auch von einer trockenen Brennkammer.

Andere Hersteller versuchen die Temperaturverteilung auf der Kesselwandung durch besondere Gestaltung der wärmeübertragenden Flächen zu beeinflussen:

  1. Zweischichtige Verbundheizflächen aus verschieden wärmeleitfähigen Materialien führen zu erheblichen Unterschieden der OberflächentemperaturenOberflächentemperatur
    Die Oberflächentemperatur eines Bauteiles, z. B. eines Wandabschnittes oder einer Verglasung, ist vor allem abhängig von der innenseitigen Raumlufttemperatur, der Außentemperatur und dem Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) des Bauteils. Eine weitere Einflussgröße ist der Wärmeübergangswiderstand beider Oberflächen zum angrenzenden Medium. Die Höhe der Oberflächentemperatur auf der Innenseite des Bauteils ist von erheblicher Bedeutung - einerseits wegen des Einflusses auf die empfundene Behaglichkeit, andererseits wegen einer möglichen Tauwasserausscheidung. Für das Wachstum der Schimmelpilze ist sogar nur die Erhöhung der relativen Raumluftfeuchtigkeit durch das Absenken Lufttemperatur unmittelbar über kühleren Oberflächen maßgebend. Ziel jeder bautechnischen Planung muss das Erreichnen einer hohen, möglichst nahe der Raumlufttemperatur liegenden Oberflächentemperatur sein. Das Ziel wird erreicht durch sehr gute und wärmebrückenfreie Wärmedämmung der Außenbauteile.
    auf der Rauchgas- und auf der Wasserseite.
  2. Heizrippen, z. B. zur Rauchgas berührenden Seite hin zeigend, werden rasch heiß. Der problematische Temperaturbereich, in dem Kondensation auftreten kann, wird so schneller durchlaufen.
  3. Durch spezielle Wasserführungen und Mischzonen im Heizkessel kann man verhindern, dass kühles Rücklaufwasser zuerst die Kesselwandung erreicht und die Oberflächentemperatur reduziert.

Gas-Niedertemperatur-Heizkessel arbeitenArbeit
Arbeit im physikalischen Sinne stellt die in einem Vorgang verbrauchte Wärme- bzw. Energiemenge dar. Die physikalische Einheit ist die kiloWattstunde (kWh). Eine Energiemenge von einer kWh wird verbraucht, wenn z.B. ein Heizgerät mit einer Anschlussleistung von 1 kW eine Stunde ununterbrochen in Betrieb ist. 
im Leistungsbereich für Ein- und Zweifamilienhäuser fast ausschließlich mit einem atmosphärischen Brenner (atmosphärische Verbrennungatmosphärische Verbrennung
Jede Verbrennung von Öl, Gas, Holz oder Kohlen benötigt den Sauerstoff der Luft. Bei der so genannten atmosphärischen Verbrennung wird die erforderliche Verbrennungsluft durch Sogwirkung, die durch den Schornsteinzug entsteht, zur Flamme geführt. Diese Art der Heranführung von Verbrennungsluft wird im atmosphärischen Brenner für Gas-Kessel und Gas-Thermen massenhaft genutzt. Moderne Gas- bzw. Öl-Brennwertkessel besitzen dagegen Gebläsebrenner.
) ohne Gebläse. Dadurch ist ein sehr geräuscharmer Betrieb möglich. Die Konstruktion des Brenners ist einfach und störungsarm. Die gegenüber einem GebläsebrennerGebläsebrenner
Ein Gebläsebrenner ist eine Einrichtung zur Verbrennung von Ölen oder Gasen in Heizkesseln. Bei einem Gebläsebrenner wird die erforderliche Verbrennungsluft durch ein Gebläse angesaugt und mit Druck unter Beimischung des Brennstoffes (Öl, Gas) in den Brennraum gefördert. Die intensivere Durchmischung von Brennstoff und Luft als bei einem atmosphärischen Brenner führt zu einer optimalen Verbrennung.
früher herausgestellte schlechtere Verbrennungsqualität atmosphärischer Brenner ist durch konstruktive Maßnahmen zurückgegangen. Zur Minderung der Stickstoffoxidemissionen muss die Flamme gekühlt werden. Dies erreicht man durch eine Wasserkühlung der Brenner.

Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines atmosphärischen Gas-Brenners Prinzipdarstellung der Funktionsweise eines Gas-Gebläse-Brenners

Bodenstehende Heizkessel mit atmosphärischen Brennern werden nahezu ausschließlich raumluftabhängigraumluftabhängig
Mit raumluftabhängig bezeichnet man die Betriebsweise einer Feuerstätte für die Raumheizung, bei der die Versorgung mit Verbrennungsluft direkt (abhängig) aus dem Aufstellraum der Feuerstätte erfolgt. Folglich ist bei dieser Betriebweise ein Nachströmen frischer Verbrennungsluft zu sichern. Dies geschieht über einen ausreichenden Raumluftverbund bzw. entsprechend diemensionierte Zuluftöffnungen (z.B. in der Kelleraußenwand).
betrieben. Die Verbrennungsluftversorgung erfolgt also aus dem Aufstellraum des Heizkessels. Daher sind Aufstellvorschriften unbedingt zu beachten. Grundsätzlich ist für eine ausreichende Frischluftzufuhr zu sorgen. Die Luft sollte frei sein von Flusen, Staub, Lösungsmitteln u. a. (siehe »› Aufstellvorschriften).

Die Abführung der Abgase eines Gas-Niedertemperatur-Heizkessels erfolgt prinzipiell wie bekannt, jedoch sind einige Besonderheiten zu beachten (siehe hierzu »› Anforderungen an die Abgasführung).

Die konsequente Weiterentwicklung des Gas-Niedertemperaturkessels führte zum Gas-Brennwertheizkessel. Beim heutigen Entwicklungsstand der BrennwerttechnikBrennwerttechnik
Mit Brennwerttechnik bezeichnet man Heiztechnik (Heizkessel, Heizthermen), die in der Lage ist, auch die Verdampfungswärme des Wasserdampfes durch Wärmerückgewinnung aus dem Abgas zu nutzen. Dieser Vorgang bewirkt gegenüber konventioneller Heiztechnik einen zusätzlichen Wärmegewinn. Er beträgt 10 % bis 15 %. Da in der Heizungstechnik der Wirkungsgrad auf den Heizwert (unterer Heizwert) bezogen und dieser gleich 100 % gesetzt wird, ist bei der Angabe des Wirkungsgrades von Brennwerttechnik ein Wirkungsgrad über 100 % möglich. Die Menge der Verdampfungswärme ist brennstoffspezifisch und hängt von der Anzahl der chemisch gebundenen Wasserstoffatome ab. Bei der Verbrennung von Erdgas mit 4 Wasserstoffatomen pro Molekül bei einem Kohlenstoffatom entsteht der größte Zugewinn (11%).
kann die noch marktbeherrschende Niedertemperaturtechnik als veraltet angesehen werden.

In den meisten Fällen ist der Einsatz eines Gas-Brennwertheizgerätes möglich und empfehlenswert (siehe »› Gas-Brennwerttechnik...).

siehe auch

»› Auswahlkriterien und Planungshinweise

© by f.nowotka | zuletzt geändert am: 09.07.2005 | 31752 x gelesen


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