Einfluss der Takthäufigkeit auf Schadstoffemissionen von Heizkesseln

Von der Notwendigkeit, die Emissionskonzentrationen in allen Betriebszuständen während des intermittierenden Betriebs von Heizkesseln zu bewerten, um Schadstoffemissionen wie HC und CO detailliert zu erfassen

M. Sc. Claudio Sulger
Prof. Dr.-Ing. Alexander G. Floß

Die Heizlast von Gebäuden variiert in Abhängigkeit von schwankenden jahreszeitlichen und nutzungsbedingten Einflüssen stufenlos zwischen Null und dem Maximalwert. Ein Heizkessel muss seine Wärmeleistung dementsprechend anpassen, um den Wärmebedarf abdecken zu können. Die Leistungsanpassung erfolgt durch die Modulation des Brenners innerhalb seines Modulationsbereichs. Im Idealfall entspricht dabei die benötig­te Heizleistung der bereitgestellten Wärmeleistung des Heizkessels. Jedoch ist die Leistungsmodulation in der Praxis oft nur schwierig oder gar nicht möglich. Zwar wurden in der Vergangenheit große Fortschritte bezüglich der Größe des Modulationsbereichs gemacht, allerdings können Heizkessel nur auf ca. 15–30% der Nennwärmeleistung stufenlos heruntermodulieren. Durch die bauphysikalischen Verbesserungen der Gebäude ist die benötigte Heizleistung oftmals so klein, dass sie außerhalb des Modulationsbereichs liegt. Daher arbeiten die Heizkessel häufig in einem Taktbetrieb, in dem im Mittel die benötigte Heizleistung bereitgestellt wird.

Der Taktbetrieb hat negative Auswirkungen auf die Schadstoffemissio­nen wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO), da während der Start- und Stopp-Phasen deutliche Mehremissionen im Vergleich zum ungestörten Betrieb auftreten. Damit sind die Schadstoffemissionen maßgeblich von der Anzahl der Taktungen abhängig. Daraus folgt, dass die Schadstoffemissionen durch eine Reduktion der Takthäufigkeit gesenkt werden können.
Im vorliegenden Beitrag werden verschiedene Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt, die zur Reduzierung der Takthäufigkeit führen. Eine Optimierungsmöglichkeit ist die Vergrößerung der internen Speicherkapazität des Heizkessels durch eine Erhöhung des Wasser­inhalts. Diese Möglichkeit wurde durch eine Simulation mit verschiedenen Heizkesseln genauer untersucht. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass bereits durch die Vergrößerung des Wasserinhalts um wenige Liter die Takthäufigkeit um den Faktor 10 gesenkt und somit die Schadstoffemissionen HC und CO halbiert werden können. Das mögliche Reduktionspotenzial ist von den technischen Eigenschaften des Heizkessels abhängig und daher unterschiedlich hoch. Weitere Optimierungsmöglichkeiten umfassen die Regelung der Heizkessel und deren hydraulische Einbindung über einen Pufferspeicher, die der Brennwertnutzung gerecht werden muss.

Einführung

Abgas- und Schadstoffemissionen bei Fahrzeugen sind ein derzeit viel diskutiertes Thema. Dabei steht insbesondere die messtechnische Ermittlung der Abgase auf Prüfständen im Fokus. Die Prüfstandsbedingungen spiegeln die Realität nicht wieder, so dass es zu erheblichen Abweichungen der Emissionen zwischen Prüf- und Realbetrieb kommt.
Dieser Tatbestand trifft auch auf Heizkessel zu. Die Ermittlung der Abgas­emissionen für Heizkessel findet bei kontinuierlicher Flamme im ungestörten Dauerbetrieb mit Nennwärmeleistung statt. Im Realbetrieb treten jedoch unterschiedliche Betriebszustände auf, da die Anlagen i.d.R. leistungsgeregelt betrieben werden. Ein Heizkessel passt seine Wärmeleistung an die aktuelle Heizlast an, um so die benötigte Wärme bereitzustellen. Die Leistungsanpassung erfolgt durch die Modulation des Brenners im sogenannten Modulationsbereich. Sobald dieser Bereich durch eine zu geringe Heizlast unterschritten wird, tritt der Taktbetrieb mit Start- und Stopp-Phasen ein. Der Taktbetrieb weist im Vergleich zum ungestörten Dauerbetrieb deutliche Mehremissionen auf. Obwohl der Taktbetrieb bei Heizkesseln häufig eintritt, wird er in Abgasmessungen nicht berücksichtigt, so dass auch hier eine Diskrepanz zwischen den Ergebnissen der Messung und des Realbetriebs entsteht.
Die emittierten Schadstoffemissionen und die Takthäufigkeit eines Heizkessels stehen in einem direkten Zusammenhang. Zur Reduzierung der Schadstoffemissionen ist eine Verringerung der Takthäufigkeit erforderlich. Dazu gibt es verschiedene Optimierungsmöglichkei­ten, die den Heizkessel sowie dessen ­Regelung und hydraulische Einbindung umfassen. Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der Takthäufigkeit und den Schadstoffemissionen von Heizkesseln und zeigt dabei verschiedene Optimierungsmöglichkeiten für deren Reduktion auf.

Takthäufigkeit und Emissionen

Bei der Verfeuerung von kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen findet eine chemische Umwandlung statt, bei der im Idealfall bei vollständiger Verbrennung nur Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) entstehen. Vorhandene Begleitsubstanzen im Brennstoff, wie z. B. Schwefel (S), führen in Abhängigkeit von ihrer Konzentration zu unerwünschten Nebenprodukten, die mit dem Abgas emittiert werden. Des Weiteren führen unzureichen­de Verbrennungsbedingungen wie eine schlechte Durchmischung von Brennstoff und Verbrennungsluft zu einer unvollständigen Verbrennung. Das Resultat sind unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenstoffmonoxid (CO).