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Ausrüstung und Regelung

Die Mindestanforderungen an den Betrieb und die sicherheitstechnische Ausrüstung von Heißwasserkesseln sind in der DIN EN 12953-6 geregelt. Dazu zählen alle Erstabsperrarmaturen an den am Kessel angeschlossenen Leitungen, die Sicherheitseinrichtungen gegen Druck- und Temperaturüberschreitung und Wassermangel, die Einrichtungen für die Beheizung und alle für den Betrieb und die Regelung notwendigen Armaturen und Messeinrichtungen. All diese Ausrüstungseinrichtungen benötigen eine Zulassung nach Druckgeräterichtlinie.

Grundausrüstung eines Heißwasserkessels

Die Grundausrüstung eines Heißwasserkessels beinhaltet hauptsächlich folgende Komponenten:

Absperrarmatur für Vorlauf und Rücklauf
Vollhubsicherheitsventil (Überdruckabsicherung)
Vorlaufzwischenstück mit
- Temperaturbegrenzer (TRZA+)
- Strömungswächter (FS-)
- Temperaturregler (TICA+-)
- Niveaubegrenzer (LRZA-)
- Manometer-Manostatbalken mit Absperrarmatur, Druckbegrenzer max. (PRZA+), Druckbegrenzer min (PRZA-), Manometer (PI)
Rücklaufzwischenstück mit
- Temperaturwächter (TS-)
- Anschluss für Sicherheitsausdehnungsleitung
Injektoreinrichtung für innere Temperaturanhebung
Umwälzpumpe
Rücklauftemperaturregelung
Abgastemperaturanzeige (TI)
Brenner

Leistungsregelung

Die Leistungsregelung für die Wärmeabgabe des Kessels erfolgt über die im Wärmeverbraucher benötigte Vorlauftemperatur.

Wird durch die Verbraucher mehr Wärme abgenommen und sinkt die Vorlauftemperatur am Kesselaustritt, erhöht die Leistungsregelung die Wärmezufuhr bzw. die Feuerungsleistung des Brenners. Grundsätzlich ist dabei zu beachten, dass das Brenner-/Kesselsystem ein träge reagierendes System ist. Alle Regelgeräte und Stellglieder, die mit diesem System verbunden sind, werden auf dieses Verhalten abgestimmt, um Regelungsschwingungen sowie unnötige Belastungen und Störungen am Kessel zu verhindern. Bei gleichmäßiger Leistungsabnahme, richtig eingestellter Regelung und stufenlosem Brenner stellt sich eine für die gerade benötigte Wärmeleistung notwendige Feuerungsleistung am Brenner ein und die Vorlauftemperatur wird innerhalb geringer Abweichungen vom eingestellten Sollwert konstant gehalten.

Schema des Temperaturverlaufs mit Brennerschaltpunkten bei Heißwasserkesseln

Abhängig von der benötigt Wärmeleistung beim Verbraucher passt sich die Feuerung des Kesselsystems gemäß dem oben ersichtlichen Schema an. Als Wärmeträger im Heizkreislauf ist vorwiegend Wasser in Verwendung. Die benötigte Wärme kann jedoch nur an den Verbraucher übertragen werden, wenn ein dementsprechender Volumenstrom umgewälzt wird. Dieser wird mit folgender Formel berechnet:

Volumenstromberechnung des Wärmeträgers

$V̇ = \frac{Q̇}{ρ \cdot c_{p} \cdot ΔT}$

V̇	Volumenstrom [m³/s]
Q̇	Wärmeleistung [kW]
cₚ	spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck [kJ/(kg·K)]
ρ	Dichte [kg/m³]
$Δ T$	Temperaturdifferenz [°C]

Info zu Wärmeleistung

Hieraus lässt sich prinzipiell erschließen, dass die Kesselspreizung in Verbindung mit der Kesselleistung den benötigten Volumenstrom ergibt. Prinzipiell gibt es zwei Typen von Umwälzpumpen.

Drehzahlgeregelte Pumpen

Sinkt der Umwälzstrom im Verbrauchernetz, regeln die Kesselpumpen den Durchfluss am Wärmeerzeuger zurück und senken gleichzeitig ihre elektrische Leistungsaufnahme. Durch die Regelung der Kesselwasserströme werden unnötige Brennermodulationen vermieden. Die Bezugsspitzen sind entsprechend geglättet.

Starre Pumpen

Die Umwälzpumpen liefern einen konstanten Volumenstrom bzw. arbeiten gemäß Pumpenkennfeld mit einer Leistung von 100 %. Die Modulation des Brenners wirkt, je nach Einsatzgebiet der Kesselanlage und des Wärmebedarfs an der Verbraucherseite, im Vergleich zur drehzahlgeregelten Pumpe, suboptimal.

Info zu Umwälzpumpen

Rücklauftemperaturabsicherung

Um zu große Wärmespannungen in konventionell befeuerten Kesseln zuverlässig zu verhindern, muss darauf geachtet werden, dass die maximale Temperaturspreizung zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur nicht überschritten wird. Ebenso ist es wichtig, dass die Kondensationstemperatur innerhalb des Kessels im Abgas nicht unterschritten wird, um Wasserbildung im Abgas und damit Korrosion zu vermeiden.

Dazu wird die zulässige Rücklauftemperatur in den Kessel nach unten auf einen Mindestwert begrenzt. Die minimalen Rücklauftemperaturen betragen für UT-L, UT-M und UT-H Kessel 50 °C für UT-HZ Kessel 60 °C.

Da jedoch aus dem Wärmeverbrauchsnetz oder beim Anfahren auch geringere Temperaturen möglich sind, muss die Rücklauftemperatur ggf. auf diese Mindestwerte angehoben werden.

Auch die maximale Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf am Kessel ist begrenzt. Für UT-L und UT-M Kessel beträgt die maximale Spreizung 50 K bei UT-H und UT-HZ Kesseln maximal 40 K. Wenn aus den Wärmeverbrauchern größere Temperaturspreizungen zurückkommen, muss auch in diesen Systemen die Rücklauftemperatur in den Kessel angehoben werden.

Hierfür stehen abhängig von der Kesselwärmeleistung bezüglich des Wasservolumenstrom im Kessel verschiedene Systeme zur Verfügung.

Rücklauftemperaturanhebung mit einer Pumpe

Diese Art der Beschaltung ist dann sinnvoll, wenn bauseitige Netzpumpen vorhanden sind, die gleichzeitig für den Wärmeabtransport aus dem Kessel verantwortlich sind, z.B. wenn netzseitig nur Vor- und Rücklaufverteiler vorhanden sind oder in Fernwärmesystemen mit zentralen Netzumwälzpumpenstationen. Die Auslegung der Anhebepumpe erfolgt nach der Netzrücklauftemperatur bzw. nach Kesselwassermindestmenge. Die Fördermenge der Pumpe ist so ausgelegt, dass so viel Wasser aus dem Vorlauf beigemischt wird, damit die für den Kessel projektspezifische Kesselrücklauftemperatur erreicht wird. Die Anhebepumpe läuft immer dann, wenn die gemessene Temperatur am Rücklauf (vor der Beimischung) kleiner als der vorgegebene Sollwert ist.

Die drehzahlgeregelte Anhebepumpe erhöht bzw. senkt die Drehzahl, wenn die Kesselrücklauftemperatur unter den Sollwert sinkt bzw. über den Sollwert ansteigt. Die Rücklauftemperatur wird dadurch auf ihrem eingestellten Mindestwert konstant gehalten. Gegenüber einer Ein-/-Aus-Pumpe kann somit elektrische Energie eingespart werden.

Rücklauftemperaturanhebung mit drehzahlgeregelter Pumpe

	Heißwasserkessel
	Rücklauf
	Vorlauf
	Rücklauftemperaturanhebung
	Wärmeverbraucher

Rücklauftemperaturhochhaltung mit 3-Wege-Mischventil und Kesselkreispumpe

Diese Art der Beschaltung bei konventionell befeuerten Kesseln ist dann sinnvoll, wenn eine hydraulische Weiche oder ein differenzdruckloser Verteiler vorhanden sind. Die Kesselkreispumpe sorgt für die Umwälzung der gesamten Wassermenge auf der Erzeugerseite. Bei der Auslegung der Kesselkreispumpe müssen wasserseitige Widerstände zur hydraulischen Weiche mitberücksichtigt werden.

Das 3-Wege-Ventil regelt die Kesselrücklauftemperatur, indem es heißes Vorlaufwasser beimischt und die Wassermenge zum Netz dabei reduziert.

Die drehzahlgeregelte Kesselkreispumpe sorgt für eine bedarfsgerechte Regelung der durch den Kessel ans Netz abgegebenen Wärmemenge. Als Ersatzgröße für die Wärmemenge, die von den Verbrauchern aus dem System entnommen wird, kann die Netz-Rücklauftemperatur (direkt vor dem 3-Wege-Ventil) herangezogen werden. Nimmt die Netz-Rücklauftemperatur ab, ziehen die Verbraucher mehr Energie aus dem System, als durch die Kessel nachgespeist wird. Die Drehzahl der Kesselkreispumpe wird daraufhin erhöht, wodurch die Wärmeabgabe ins Netz ebenfalls ansteigt (die Feuerung regelt die Leistung als unmittelbare Konsequenz hoch, um die Vorlauf-Solltemperatur beizubehalten). Nimmt die Netzrücklauftemperatur hingegen zu, wird aus dem Netz weniger Wärme entnommen. Durch die Reduzierung der Pumpendrehzahl kann elektrische Energie eingespart werden.

Schema Heißwasserkesselanlage mit Rücklauftemperaturhochhaltung

	Heißwasserkessel
	Rücklauf
	Vorlauf
	Rücklauftemperaturhochhaltung
	Wärmespeicher mit hydraulischer Trennung
	Wärmeverbraucher

Bei Brennwertnutzung ist besonders auf die Einbindung der Rücklauftemperaturabsicherung zu achten. Das Anheben der Rücklauftemperatur vor dem Brennwertwärmetauscher in Edelstahlausführung würde den Nutzen der Brennwerttechnik verhindern und damit zu höheren Brennstoffkosten führen. Die Kombination mit Solarthermie eignet sich besonders für die Rücklauftemperaturabsicherung. Vor allem in Systemen mit geringen Rücklauftemperaturen wird das kalte Rücklaufwasser aus dem Heizkreislauf durch den Solarspeicher geführt. Dieses erwärmt sich dabei und reduziert so den Brennstoffbedarf auch noch bei geringer Sonneneinstrahlung.

Vorlauftemperaturabsicherung mit 3-Wege-Regelarmatur (ELHB)

Die Vorlauftemperaturabsicherung mit 3-Wege-Regelarmatur hat folgende Aufgabe:

Sicherstellung der benötigten Vorlauftemperatur am Kesselaustritt
Sicherstellung der Durchströmung des Heizbündels

Im Gegensatz zu konventionell betriebenen Kesseln ist eine Rücklauftemperaturabsicherung bei elektrisch betriebenen Heiz- und Heißwasserkesseln nicht notwendig, da aufgrund der nicht vorhandenen Abgase keine Gefahr von Kondensationsbildung besteht. Somit beträgt die minimale Wassereintrittstemperatur bei elektrischen Kesseln nicht, wie bei konventionellen Kesseln, 50 °C oder 60 °C, sondern lediglich 5 °C.

Trotzdem gelten auch bei elektrisch betriebenen Kesseln Grenzwerte in Bezug auf die Temperaturspreizung am Kesselvorlauf und -rücklauf. Diese sind mit maximal 40 K und mindestens 20 K definiert, um zum einen die Mindestwassermenge im Heizbündel zum Wärmeabtransport nicht zu unterschreiten und zum anderen die Strömungsgeschwindigkeit bei geringerer Spreizung nicht zu hoch ausfallen zu lassen.

Hydraulik Elektro-Heißwasserkessel ELHB

	Elektro-Heißwasserkessel
	Rücklauf
	Vorlauf
	Wärmespeicher mit hydraulischer Trennung
	Wärmeverbraucher

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