Bauarten

Aufgrund der nachfolgend aufgeführten spezifischen Anforderungen an Heiz- und Heißwasserkessel haben sich unterschiedliche Bauarten entwickelt:

• Aufstellung
• Betrieb
• Druck und Leistung
• Emissionsarme Feuerungen
• Hohe Wirkungsgrade
• Brennstoff

3-Zug-Kessel

Der 3-Zug-Kessel besteht aus drei liegenden Rauchzügen, die in einem großen zylindrischen Druckkörper eingebaut sind und durch zwei flache Böden abgeschlossen werden. Alle Rauchzüge liegen dabei im Wasserraum. Diese Kessel heißen auch Großwasserraumkessel, da ein großes Wasservolumen im Kessel vorhanden ist.

Elektrische Heiz- und Heißwasserkessel

Elektrische Heißwasserkessel nutzen elektrische Energie, um Wasser effizient zu erhitzen und kommen in verschiedenen Bereichen wie der Gebäudetechnik, Fernwärmeversorgung und Industrieprozessen zum Einsatz. Sie arbeiten nach dem Power-to-Heat-Prinzip, bei dem Strom direkt in Wärme umgewandelt wird und erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 99,6 %. Besonders in der Energiewende gewinnen sie an Bedeutung, da sie überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien, wie Wind- und Solarenergie, in nutzbare Wärme umwandeln können.

Ein großer Vorteil elektrischer Heiz- und Heißwasserkessel liegt in ihrer Umweltfreundlichkeit. Da keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden, entstehen weder CO₂- noch NOₓ-Emissionen. Dies macht sie zu einer attraktiven Lösung für Unternehmen, die auf emissionsarme Technologien setzen. Ihre kompakte Bauweise sowie nicht benötigte Abgasanlagen und Brennstofflager sorgen für geringen Platzbedarf.

Zusätzlich bieten diese Kessel durch schnelle Reaktion der Regelung eine hohe Flexibilität. Dadurch eignen sie sich hervorragend zum Ausgleich von Lastspitzen im Stromnetz. Sie sind daher besonders vorteilhaft für Anwendungen, bei denen eine variable Wärmeleistung gefordert ist, oder als Ergänzung zu erneuerbaren Energiequellen.

Typische Einsatzbereiche umfassen die Beheizung großer Gebäude, die Integration in Fernwärmenetze und die Bereitstellung von Prozesswärme in industriellen Anlagen. Elektrische Heißwasserkessel tragen zur Dekarbonisierung der Wärmeversorgung bei und bieten eine zukunftssichere, umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Wärmeerzeugern.

Das Konstruktionsprinzip des Elektrokessels bietet sowohl die Nutzung als Heizkessel mit einem Druck von unter 0,5 bar als auch die Nutzung als Heißwasserkessel mit einem Druck bis 16 bar.

Die Kesselkörper der Heiz- und Heißwasserkessel werden nach EN 12953 ausgelegt und produziert. Sicherheitstechnik und Ausstattung der Kesselanlage wird je nach Anwendung ausgewählt:

• Erzeugung von Warmwasser mit höchstens 110 °C (Abschalttemperatur des Sicherheitstemperaturbegrenzers) für Heizungsanlagen, die den Anforderungen der DIN EN 12828 entsprechen.
• Erzeugung von Hochdruck-Heißwasser mit höchstens 190 °C (Abschalttemperatur des Sicherheitstemperaturbegrenzers) für Heizungsanlagen, die den Anforderungen der DIN EN 12953 entsprechen.

Kessel mit Abhitzenutzung

Sonderbauformen für die Verwendung von Abhitze zur Heißwassererzeugung sind der sogenannte 4-Zug-Kessel oder der reine Abhitzekessel. Beim 4-Zug-Kessel wird ein Teil des 3. Rauchrohrzuges als separater Zug zur Durchleitung heißer Abgase verwendet und liefert bis zu 15 % der zugeführten Energie. Beim reinen Abhitzekessel wird auf einen Brenner komplett verzichtet. Er bezieht seine Energie vollständig aus heißen Abgasen (z.B. von BHKW oder Gasturbinen).

Produkt: Abhitzekessel und Abwärmerückgewinnung

Heißwasserentnahme aus Dampfkesseln für geringe Wärmeleistungen

In bestimmten Fällen kann ein vorhandener Heißwasserbedarf auch durch Entnahme aus einem bestehenden Dampfkessel gedeckt werden. Der Wärmebedarf des geschlossenen Heißwasserkreises sollte nicht mehr als 10 % der Nennwärmeleistung des Dampfkessels betragen. Der Dampfraum im Kessel wird hierbei als Druckhaltung (vgl. Ausgleichsbehälter in Heizungsanlagen) genutzt.

Festlegung der Kesselgröße:

Addition aus Wärmeleistung Dampfseite + Wärmeleistung Heißwasserseite

• Vergleich mit maximaler Wärmeleistung eines Dampfkessels
• Die maximal zulässige Feuerungswärmeleistung darf bei gleichzeitiger Entnahme von Heißwasser und Dampf nicht überschritten werden.
• Beispiel: - Leistung Dampf: 5.000 kg/h (entspricht einer Wärmeleistung: 2.777 kW)
  - Leistung Heißwasser: 250 kW
  - Summe Wärmeleistung: 3.027 kW
  
• Maximal zulässige Feuerungswärmeleistung: 3.186 kW (bei einem Wirkungsgrad von 95 %)

Hinweise für die Auslegung der Anlage:

• Temperatur des entnommenen Vorlaufwassers auf der Heißwasserseite entspricht der Sattdampftemperatur des gerade gefahrenen Betriebsüberdrucks.
  - Im Auslegungsfall: Vorlauftemperatur = Sattdampftemperatur beim mittleren Betriebsüberdruck
• Für einen sicheren Betrieb des Heißwassernetzes ist eine Vorlauftemperaturabsenkung um etwa 25 K zu empfehlen.
• Maximale Spreizung auf der Heißwasserseite: 40 K Auslegung des Heißwassernetzes muss passend zur Kesselgröße ausgelegt werden.
• Ausdehnung des Heißwassernetzes zwischen Umgebungstemperatur und STB-Temperatur muss kleiner sein als Wasserinhalt zwischen NW und HW im Kessel. Sinnvoll ist es, auf ein möglichst geringes Volumen des Heißwassernetzes zu achten.
• Sofern Größe des Heißwassernetzes nicht bekannt, muss Ausdehnungsvolumen durch separate Einrichtungen aufgefangen werden.
  - Berechnung des Volumens zwischen Niedrigwasser (NW) und Hochwasser (HW)
• Für die technische Umsetzung sind zusätzliche Ausstattung und Sicherheitseinrichtungen nötig. In der Dampfversorgung ist eine zusätzliche Schnellschlusseinrichtung für die Begrenzung des unteren Druckniveaus der Heißwasseranlage vorzusehen. Für die Heißwasserentnahme müssen zudem Vor- und Rücklaufstutzen unterhalb der Wasserstandslinie integriert werden. In der Regel wird der Heißwasser-Kreislauf mit einer Vorlauftemperaturabsenkung betrieben, da das benötigte Temperaturniveau unter der vorhandenen Siedetemperatur des im Dampfkessel vorliegenden Drucks liegt. Der Heißwasserkreis muss separat abgesichert werden, durch je einen zweiten Min.- und Max.-Druckbegrenzer werden. Für den Medientransport ist eine Netzkreispumpe erforderlich. Im Vergleich zu Dampf sind größere Leitungsquerschnitte bezogen auf die Nennleistung notwendig.

Info zu Arbeitsbereich Druckhaltung

Heißwasserentnahme aus Dampfkesseln für große Wärmeleistungen

Die Heißwasserentnahme erfolgt über eigens dafür installierte Vor- und Rücklaufstutzen im Wasserraum des Dampfkessels.

Festlegung der Kesselgröße:

Addition aus Wärmeleistung Dampfseite + Wärmeleistung Heißwasserseite

• Vergleich mit maximaler Wärmeleistung eines Dampfkessels
• Die maximal zulässige Feuerungswärmeleistung darf bei gleichzeitiger Entnahme von Heißwasser und Dampf nicht überschritten werden
• Beispiel:
  Leistung Dampf: 5.000 kg/h (entspricht einer Wärmeleistung: 2.777 kW)
  Leistung Heißwasser: 2.000 kW
  Summe Wärmeleistung: 4.777 kW
  Maximal zulässige Feuerungswärmeleistung: 5.028 kW (bei einem Wirkungsgrad von 95 %), enspricht Kesselgröße UL-S 10.000.
  

Umrüstung von Dampfkesseln auf Heißwasser

Grundsätzlich besteht eine große technische Ähnlichkeit zwischen Dampf- und Heißwasserkesseln aufgrund der Analogien in der sicherheitstechnischen Ausrüstung und den ähnlichen Temperatur-/ Druckbereichen. Drei wesentliche konstruktive Unterschiede sind die Notwendigkeit eines Dampfraums in Dampfkesseln, die wesentlich größeren Leitungsquerschnitte relativ zur thermischen Leistung bei Heißwasser und die Notwendigkeit eines Heißwasser-Rücklaufstutzen im gleichen Durchmesser wie der Vorlaufstutzen. Bei der Umrüstung eines Dampfkessels auf Heißwasser ist der Dampfraum im Betrieb unweigerlich mit Wasser gefüllt, sodass ein unnötig großes Wasservolumen vorliegt, was die Trägheit des Systems und z.B. auch die Aufheizzeit aus dem kalten Zustand erhöht.

Wird ein Dampfkessel von vornherein für eine spätere Umrüstung auf Heißwasser vorbereitet, sind zudem zusätzliche Stutzen etc. vorzusehen, die den Kessel per se teurer machen. Jedoch sind diese Kosten immer noch deutlich günstiger als eine nachträgliche Umrüstung mit Eingriffen in den Druckkörper. Im Heißwasserbetrieb muss dann auch eine Regelung der Spreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf in den zulässigen Bereich erfolgen und ein Leitblech im Kessel verbaut werden. Bei einer Umrüstung muss in jedem Fall der Steuerschrank inkl. Sicherheitseinrichtungen ersetzt/angepasst werden: Neben der Implementierung der Rücklauftemperaturanhebung, muss u. a. die Kesselkreispumpe integriert werden. Teile der Wasseraufbereitung, z.B. Speisewasserbehälter und Entgasung, können entfallen.

In der Praxis sind Umrüstungen von Dampf auf Heißwasser eher die Seltenheit. Häufiger ist noch die flexible Ausführung ab Werk, insbesondere für Mietkesselanlagen und Containeranlagen, für die ein Einsatz in verschiedenen Anwendungen von vornherein absehbar ist. Dort überwiegen die Vorteile der Flexibilität die Nachteile der Funktion bzw. der höheren Anschaffungskosten.