Jahresnutzungsgrad

Information

 

ƞa = Jahresnutzungsgrad [%]

Die zugeführte Heizenergie Qzu,a eines Jahres wird aus der tatsächlich verbrauchten Brennstoffenergie bestimmt. Hierzu wird die Brennstoffmenge mit Gas- oder Ölzählern gemessen und mit dem Heizwert multipliziert.

 

Sankey-Diagramm (Energiestromdiagramm) einer Dampfkesselanlage

Sankey-Diagramm (Energiestromdiagramm) einer Dampfkesselanlage

     

Latente Wärme des Abgases

   
 

Fühlbare Wärme des Abgases

   
 

Strahlung und Leitung (inklusive Stillstandsverluste)

   
 

Vorlüftverluste

   
     

Absalzen und Abschlammen, Brüdendampf

   
 

Leckagen (an den Kondensatableitern, Rohrleitungen)

   
 

Fehlende Kondensatrückführung und Brüdendampf

   
 

Rückgeführtes Kondensat

Die im Betrieb tatsächlich genutzte Energiemenge QN,a wird mittels Dampfmengenzähler und eines Wärmemengenrechners ermittelt. Aus der Dampfmenge und dem Dampfdruck und ggf. der Temperatur des Dampfs wird die im Dampf enthaltene Wärmemenge errechnet.

Gemessen und summiert über ein Jahr und geteilt durch die im Brennstoff enthaltene Energiemenge, ergibt sich der Jahresnutzungsgrad der Anlage.

Im Jahresnutzungsgrad einer Dampfkesselanlage sind somit alle betriebsbedingten Verluste einer Dampf­kesselanlage wie Abgas-, Anlagen-, Verteilungs- und Kondensatverluste enthalten.

Einem Kesselwirkungs­grad von 95 % kann ein tatsächlicher Jahresnutzungsgrad von nur 60 % gegen-überstehen. Insbesondere wenn die durchschnittliche Kessellast sehr gering ist, sind die von der Kessel­last generell unabhängigen Leitungs- und Strahlungsverluste im Verhältnis zur eingesetzten Brennstoff­wärme sehr hoch. Zusätzlich kommen noch die Verluste für das Vorlüften der Kesselanlage beim Takten des Brenners und die Verluste für die Wasseraufbereitung hinzu.

Wird die Anlage sehr häufig nur in Teillast betrieben, können mitunter 20 ... 40 % des Brennstoffbedarfs für den Betrieb der Anlage als Verluste anfallen.

 

Information

 

 
Berechnung

Formel zur Berechnung des Jahresnutzungs­grads

a

Bezogen auf ein Jahr (Nutzungsgrade können auch monatlich oder wöchentlich bestimmt werden)

QN,a

Nutzenergie pro Jahr [MWh]

QZu,a

Zugeführte Energie pro Jahr [MWh]

 

Kesselwirkungs­grad mit Brennwertnutzung

Bei der Verbrennung von Kohlen­wasserstoffketten, wie sie in den meisten flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen vorliegen, entsteht im Abgas neben CO2 auch H2O, also Wasser. Bei hohen Abgas­tempera­turen liegt dieses Wasser dampfförmig vor.

Kann die Abgas­temperatur jedoch örtlich unter die Kondensationstemperatur abgekühlt werden, so kondensiert der Wasserdampf im Abgas an den kalten Wärmeübertrageflächen teilweise und die dabei abgegebene Wärme kann genutzt werden.

Gegenüber der Formel für einen Kessel ohne Brennwertnutzung wird die Formel für den Kesselwirkungs­grad um den Kondensationsanteil erweitert:

 

 
Berechnung

Formel zur Berechnung des Kesselwirkungs­grads mit Brennwertnutzung

ƞK, Brennwert

Kesselwirkungs­grad mit Brennwertnutzung

ƞK, trocken

Kesselwirkungs­grad ohne Kondensation

Hs

Oberer Heizwert (Brennwert) [kWh/kg]

Hi

Unterer Heizwert [kWh/kg]

α

Kondensatzahl (Kondensatanteil)

 

Die Kondensatzahl gibt das Verhältnis zwischen praktisch anfallender und theoretisch möglicher Kondensatmenge im Abgas an und hat einen Wert meist von 0,3 ... 0,6, je nach Auslegung.

Wirkungsgrade von über 100 % bei Nutzung der Brennwerttechnik sind kein Perpetuum mobile, sondern allein auf die Bezugsbasis des Heizwertes Hi zurückzuführen. Würde man die eingesetzte Energie auf den physikalisch korrekten Brennwert Hs beziehen wäre 100 % der ohne jegliche Verluste maximal erreich­bare Wirkungsgrad. Aus Gründen der Vergleichbarkeit mit konventionellen Anlagen wurde jedoch definiert, auch bei Brennwertgeräten den Heizwert als Bezugsgröße beizubehalten.

Abb. "Wärmebilanz eines Dampferzeugers mit Brennwerttechnik und Gasfeuerung"

Die Differenz von Heizwert und Brennwert ist die latente Wärme im Abgas und stellt den maximalen An­teil an Wärme dar, der durch die Kondensation des Wasseranteils im Abgas zusätzlich gewonnen werden kann.

Das folgende Diagramm soll den Wirkungs­gradgewinn aus der Abgas­kondensation und die wirtschaft­liche Optimierung verdeutlichen.

Beim Brennstoff Gas steigt bis zum Beginn der Abgas­kondensation (bei einer Heizflächentemperatur von etwa 56 °C) der Wirkungsgrad linear mit der Reduzierung der Abgas­temperatur an. Bei beginnender Kondensation im Abgas ist jedoch nicht mehr die Temperaturreduzierung, sondern vor allem die Kondensationsrate α des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs entscheidend. Im Diagramm sind die unterschiedlichen Kon­den­­sations­raten von 25, 50, 75 und 100 % blau gestrichelt dargestellt. Bei entsprechend hoher Konden­­sationsrate steigt der Wirkungsgrad sprunghaft weiter an.

Die spezielle Konstruktion des Brennwertwärmetauschers erlaubt es dabei, dass bei sehr niedrigen Wasser­eintrittstemperaturen (z. B. Zusatzwasser mit 15 °C) auch bei einer im Kamin ge­messenen Abgas­temperatur deutlich oberhalb des Abgastaupunkts bereits erhebliche Mengen des im Abgas enthaltenen Wassers auskondensieren.

Beispielsweise wird im Diagramm zu Erdgas H ein Wirkungsgrad von 100,9 %, bei einer Kondensatrate von 34 % und einer gemessenen durchschnittlichen Abgas­temperatur von 75 °C erreicht.

Abb. "Verlauf des feuerungstechnischen Wirkungsgrads über der Abgas­temperatur bei Erdgas H"

Entscheidend für die Höhe der Kondensationsrate α ist neben der Wassermenge vor allem ein möglichst großer Abstand der Wassereintritts­temperatur von der minimalen Kondensationstemperatur, die im Dia­gramm von der roten (Erdgas H) oder violetten (Heizöl EL), nur von der Temperatur abhängigen, Wirkungs­gradkurve dargestellt wird.

Der blau eingefärbte Bereich in den beiden Grafiken unten stellt den technisch erreichbaren Bereich der Abgas­kondensation für Dampfkessel­anlagen dar.

 Beispiel 1:

  • Economiser
  • Luftüberschuss λ = 1,1
  • Speise­wasser­temperatur am Eintritt Eco 103 °C
  • Abgasaustritts­temperatur 126 °C

 Beispiel 2:

  • Brennwert-Economiser
  • Luftüberschuss λ = 1,1
  • Zusatz­wassereintritts­temperatur 15 °C
     

Erdgas H:

  • Abgasaustritts­temperatur 126 °C
  • Wirkungsgrad 95,4 %

     

Erdgas H:

  • Abgasaustritts­temperatur 75 °C
  • Kondensatanteil Brennwert-Economiser α = 34 %
  • Kondensattemperatur 49 °C
  • Wirkungsgrad 100,9 %

Heizöl EL:

  • Abgasaustritts­temperatur 126 °C
  • Wirkungsgrad 95,6 %

     

Heizöl EL:

  • Abgasaustritts­temperatur 65 °C
  • Kondensatanteil Brennwert-Economiser α = 34 %
  • Kondensattemperatur 41 °C
  • Wirkungsgrad 100,2 %

Verlauf des feuerungstechnischen Wirkungsgrads über der Abgastemperatur bei Erdgas H (Hi = 10,35 kWh/mn³, TL = 20 °C)Verlauf des feuerungstechnischen Wirkungsgrads über der Abgas­temperatur bei Erdgas H (Hi = 10,35 kWh/mn³, TL = 20 °C)

Verlauf des feuerungstechnischen Wirkungsgrads über der Abgastemperatur bei Heizöl EL (Hi = 11,89 kWh/kg, TL = 20 °C)

Verlauf des feuerungstechnischen Wirkungsgrads über der Abgas­temperatur bei Heizöl EL (Hi = 11,89 kWh/kg, TL = 20 °C)

 

Besonders beim Brennstoff Öl ist aufgrund der unterschiedlichen Brennstoff­zusammensetzung zum Gas zu beachten, dass der Wasserdampfanteil im Abgas wesentlich geringer ist, und damit der Wirkungs­gradgewinn durch Kondensation auch entsprechend geringer ausfällt.