In den zurückliegenden Jahren war die Entwicklung der Heiztechnik im wesentlichen durch die Steigerung des Nutzungsgrades bei minimalen Emissionen bestimmt. Mit der Einführung der Niedertemperaturtechnik in den 80er Jahren und aktuell dem vermehrten Einsatz der Brennwerttechnik sind die physikalischen Grenzen der Energieumwandlung nahezu erreicht. Eine weitere Steigerung der Energieausnutzung ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht kaum noch möglich. Neuerdings treten andere Aspekte in den Vordergrund, zum Beispiel der Einfluß der Schalthäufigkeit von Brennern auf Energieausnutzung, Komfort und Betriebssicherheit. Die Schalthäufigkeit ist abhängig von Kesselauslastung, Kesselwasserinhalt, Schalthysterese und Leistungsregelung des Brenners. Einfluß der Kesselauslastung Das Maximum der Schalthäufigkeit liegt bei 50% Kesselauslastung. Sowohl bei größerem als auch bei kleinerem Wärmebedarf nimmt die Schalthäufigkeit ab. Einfluß des Kesselwasserinhalts Zur Frage des Einflusses des Kesselwasserinhalts auf die Schalthäufigkeit gibt es unterschiedliche Meinungen und zum Teil auch pseudowissenschaftliche Aussagen. Zur Objektivierung wurde ein wissenschaftliches Gutachten in Auftrag gegeben und zusätzliche experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Wissenschaftliches Gutachten Prof. Dr.-Ing. Günter Cerbe untersuchte zwei Heizkessel gleichen konstruktiven Aufbaus, aber unterschiedlicher Wasserinhalte (30 und 70 Liter), unter Zugrundelegung der für Niedertemperatur- oder Brennwertkessel relevanten Betriebsweise. Im Gutachten kommt er zum Ergebnis: Der Kessel mit größerem Wasserinhalt hatte eine um 25 bis 90% geringere Schalthäufigkeit, je nach Heizwasserumlaufmenge. Der Wasserinhalt des Heizsystems beeinflußt die Schalthäufigkeit lediglich beim Aufheizen aus kaltem Zustand, so lange die Schalthysterese größer als die Temperaturerhöhung im Kessel ist. Experimentelle Untersuchung Um den Einfluß des Kesselwasserinhaltes auf die Schalthäufigkeit zu verifizieren, wurden an zwei Kesseln mit einer Leistung von 22 kW und dem gleichen konstruktiven Aufbau, jedoch unterschiedlichem Wasserinhalt (88 und 44 Liter), Untersuchungen durchgeführt. Es wurde eine um 20% niedrigere Schalthäufigkeit beim Kessel mit größerem Wasserinhalt festgestellt. Beide Untersuchungsergebnisse dokumentieren die Bedeutung des Kesselwasserinhalts hinsichtlich der Schalthäufigkeit. In Abhängigkeit des momentanen Wärmebedarfs wird die Schalthäufigkeit drastisch reduziert. Oberflächenverluste ohne Bedeutung Bei Kesseln mit großem Wasserinhalt und größerer Kesseloberfläche entstehen praktisch keine zusätzlichen Wärmeverluste, denn bei Niedertemperatur-Kesseln mit hochwirksamen Wärmedämmaßnahmen spielen Oberflächenverluste eine untergeordnete Rolle. Außerdem nimmt die Oberfläche des Kessels nicht im selben Verhältnis zum Wasserinhalt zu. Der Zusammenhang zwischen dem Inhalt und der Oberfläche läßt sich anhand eines zylindrischen Körpers verdeutlichen. Unter Beibehaltung der Zylinderhöhe ändert sich der Inhalt quadratisch mit dem Zylinderdurchmesser, während die Oberfläche proportional des Durchmessers ist. Bei den Versuchskesseln wurde eine Oberflächenvergrößerung um 14% ermittelt, obwohl der Wasserinhalt um 50% vergrößert wurde. Bei den durchgeführten Nutzungsgradmessungen an Versuchskesseln wurden meßtechnisch keine Unterschiede festgestellt. Aufgrund dieser Ergebnisse ist festzuhalten, daß die Erhöhung der Wärmeverluste durch den größeren Kesselwasserinhalt im Promillebereich liegt. Weitere Vorteile des großen Kesselwasserinhalts Abgesehen von der geringen Schalthäufigkeit bieten Kessel mit großem Wasserinhalt darüber hinaus folgende Vorteile, die für den praktischen Betrieb von Bedeutung sind: Kessel mit großem Wasserinhalt verfügen über weite Wasserwände. Diese Heizkessel sind besonders im Hinblick auf Einschwemmungen von Rost und Schlamm aus der Heizungsanlage betriebssicherer, denn die überwiegende Zahl neuer Heizkessel wird in der Modernisierung eingesetzt. Dabei muß trotz einer Spülung der Heizungsanlage mit Eintrag von Rost und Schlamm gerechnet werden. Dadurch wird bei Heizkesseln mit engen Wasserwänden die Wärmeabgabe beeinträchtigt, was zu örtlichen Überhitzungen, Siedegeräuschen oder gar Spannungsrissen und Kesselschäden führen kann. Kessel mit großem Wasserinhalt weisen aufgrund der relativ niedrigen Wassergeschwindigkeiten einen niedrigen heizwasserseitigen Druckverlust auf, wodurch die elektrische Leistungsaufnahme der Umwälzpumpe auf ein Minimum reduziert wird. Kessel dieser Bauart verfügen über eine Eigenzirkulation und können somit bei Bedarf ohne eine Zwangsdurchströmung betrieben werden. Einfluß der Schalthysterese Bei Heizkesseln mit einem einstufigen Brenner wird die jeweils erforderliche Wärme durch Ein- und Ausschalten des Brenners innerhalb einer vorgegebenen Kesselwassertemperatur-Differenz sichergestellt (Zweipunktregelung). Die Brennerlauf- und Stillstandzeit wird durch die Schalthysterese bestimmt. Mit einer Vergrößerung der Schalthysterese nimmt die Schalthäufigkeit im gleichen Verhältnis ab. Der Tieftemperaturkessel Vitola-biferral hat bei 22 kW Leistung einen großen Wasserinhalt von 88 Litern. Wärmebedarfsabhängige Schalthysterese Mit Rücksicht auf Raumtemperaturschwankungen (Behaglichkeit) kann die Schalthysterese bei Heizungsanlagen ohne Heizkreisregelung (ohne Mischer) jedoch nicht beliebig vergrößert werden. Andererseits ist die Schalthäufigkeit abhängig von der Kesselauslastung und erreicht, wie bereits ausgeführt, ihren maximalen Wert bei 50%. Daher ist es zweckmäßig, die Anlage nicht mit einer konstant hohen Schaltdifferenz, sondern mit einer wärmebedarfsabhängigen Schalthysterese zu betreiben. Mit diesem Verfahren werden in Abhängigkeit des Kesselwassertemperaturverlaufs der jeweilige Wärmebedarf bzw. die Auslastung des Kessels ermittelt, die dazugehörige optimale Schalthysterese berechnet und automatisch eingestellt. Sinnvollerweise wird die Schalthysterese in einem Bereich von 6 bis 12 K wärmebedarfsabhängig variiert, um keine Komforteinbuße zu erhalten. Nach diesem Verfahren werden im mittleren Bereich der Kesselauslastung, in dem die größten Schalthäufigkeiten auftreten, größere Schaltdifferenzen vorgegeben, während bei großen bzw. kleinen Kesselauslastungen entsprechend niedrige Werte zugeordnet werden. Parallel-Untersuchungen haben gezeigt, daß durch eine wärmebedarfsabhängige Schalthysterese die Schalthäufigkeit bis 30% abnimmt gegenüber einer Betriebsweise mit einem konstanten Wert von 4 K. Durch die Anhebung der Kesselwassertemperatur infolge der wärmebedarfsabhängigen Schalthysterese wurde meßtechnisch keine Änderung der Energieausnutzung festgestellt. Auch dieses ist auf die untergeordnete Bedeutung der Oberflächenverluste bei Niedertemperatur- und Brennwertkesseln zurückzuführen. Durch die Kombination der Maßnahmen, Kessel mit großem Wasserinhalt und wärmebedarfsabhängige Schalthysterese, läßt sich die Schalthäufigkeit erheblich reduzieren, ohne Komfortbeeinträchtigungen und Nutzungsgradeinbußen in Kauf zu nehmen. Einfluß von mehrstufigen bzw. modulierenden Brennern Die optimale Anpassung der Feuerungsleistung am jeweiligen Wärmebedarf durch mehrstufige bzw. modulierende Brenner ist die wirkungsvollste Maßnahme, die Schalthäufigkeit eines Heizkessels zu reduzieren. Daher ist es heute unerläßlich, Gaskessel mit sehr kleinem Wasserinhalt, wie Umlaufwasserheizer, modulierend zu betreiben. Grundsätzlich ist der Modulationsgrad um so größer zu wählen, je kleiner der Wasserinhalt eines Wärmeerzeugers ist. Ölheizkessel kleiner Leistung (< 70 kW) werden üblicherweise mit einem einstufigen Brenner betrieben, da die Leistungsregelung mehrstufiger Brenner in diesem Leistungsbereich aufwendig ist. Darüber hinaus wird der minimale Teillastpunkt durch die sichere Abgasabführung durch den Schornstein bei Niedertemperatur-Kesseln vorgegeben. Praktikable Möglichkeiten zur Reduzierung der Schalthäufigkeit bei einstufigen Brennern sind große Wasserinhalte und Schalthysterese. Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die wesentlichen Einflußgrößen zur Reduzierung der Schalthäufigkeit Kesselwasserinhalt, Schalthysterese und mehrstufige bzw. modulierende Brenner sind. Je nach Kesselausführung kann eine sinnvolle Kombination dieser Maßnahmen die Schalthäufigkeit erheblich herabsetzen.
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