Kesselwirkungsgrad

Der Kesselwirkungsgrad η_K entspricht dem feuerungs­technischen Wirkungsgrad abzüglich der Wärme­verluste an der Oberfläche des Kessels an die Umgebung im Aufstellraum während der Brennerlaufzeit. Er kann wie folgt berechnet werden:

Technische Information: Wärmeverluste durch Strahlung und Leitung

Da die Wärmeverluste durch Strahlung und Leitung Q·_v,K im Allgemeinen nicht auf einfache Art gemessen oder berechnet werden können, werden hierfür die Erfahrungswerte nach EN 12953 Teil 11 angesetzt. Diese sind zum einen von der Nennwärmeleistung des Kessels und zum anderen von der Temperatur des Mediums auf der Wasserseite im Inneren des Kessels abhängig.

Diese Wärmeverluste sind unabhängig von der aktuellen Kessellast und dem Brennerbetrieb und fallen bei gleichen Betriebstemperaturen immer in gleicher Höhe an. Für den Kesselwirkungs­grad bedeutet dies, dass je kleiner die aktuelle Brennerlast, desto größer fällt der Wärmeverlust ins Gewicht. Die Verlustwärmeleistung tritt auch in Brennerstill­standszeiten auf.

Beim feuerungstechnischen Wirkungsgrad und beim Kesselwirkungs­grad werden in den Hersteller­unterlagen der Nennlastfall und eventuell noch konkrete Teillastzustände z. B. bei 75 %, 50 % und 25 % der Kesselleistung angegeben. Eine Heißwasserkesselanlage, vor allem, wenn auch Heizwärme zur Verfügung gestellt wird, arbeitet jedoch in allen Teillastbereichen. Bei sehr geringer Wärmeabnahme geht die Kesselanlage sogar in einen Betrieb mit längeren Brennerstillstandsphasen über.

Der Kesselwirkungs­grad kann also nicht ausschließlich als Maßstab für die Energieeffizienz verwendet werden. Um die entsprechenden Zeiten, die eine Kesselanlage im Stillstand und im Brennerbetrieb verbringt, besser berücksichtigen zu können, muss der Nutzungsgrad als Bewertungskriterium ermittelt werden.

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:

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 Heißwassererzeugers mit Brennwerttechnik und Gasfeuerung (Werte beispielhaft)“

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.

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 des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs entscheidend. 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. Eintrittswasser mit 15 °C), auch bei einer im Kamin gemessenen Abgastemperatur deutlich oberhalb des Abgastaupunkts, bereits erhebliche Mengen des im Abgas enthaltenen Wassers auskondensieren.

Entscheidend für die Höhe der Kondensationsrate ist neben der Wassermenge vor allem ein möglichst großer Abstand der Wassereintrittstemperatur von der minimalen Kondensationstemperatur.

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.