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Abgassysteme

Alle Komponenten einer Feuerungsanlage, beginnend beim Brenner mit dem zugehörigen Gebläse über den Kessel, Abgaswärmetauscher, Abgasleitungen, Schalldämpfer bis hin zum Schornstein, müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Nur dann ist in allen Betriebszuständen und auf Dauer ein einwandfreier Betrieb gewährleistet. Fehlende Abstimmung oder falsche Ausführung einzelner Komponenten führen im Gesamtsystem zu Vibrationen, Geräuschen, erhöhten Emissionen oder einer instabilen Verbrennung.

Die Abgasanlage beginnt am Kesselende und hat die Aufgabe, die bei der Verbrennung entstehenden Abgase sicher an die Umgebung abzuleiten. Hierzu zählen die Abgasleitungen innerhalb und außerhalb des Kesselraumes, der Schornstein und vorhandene zusätzliche Einbauten wie Kompensatoren, Schalldämpfer oder Abgasklappen.

Abgasanlagen müssen entsprechend den nationalen und lokalen Vorschriften sowie einschlägigen Normen ausgelegt werden.

Hinweis auf BDH-Infoblatt und TI 024

Allgemeine Anforderungen an Abgasanlagen in und an Gebäuden sind in der DIN EN 1443 festgelegt. Die Ausführung der Abgasanlagen muss dem lokal geltenden Baurecht sowie der DIN V 18160 entsprechen.

Für freistehende Schornsteine gelten neben dem Baurecht die DIN 1056, die DIN 4133 und die DIN EN 13084-1.

Festlegungen zur strömungstechnischen Bemessung sind den Normen DIN EN 13384 für Abgasanlagen in und an Gebäuden bzw. DIN EN 13084-1 für freistehende Schornsteine zu entnehmen.

Abgaskanäle müssen aus nicht brennbaren Baustoffen bestehen und widerstandsfähig gegen Abgas- und Wärmeeinwirkung sein. Das Material der kompletten Abgasanlage für Heißwasserkessel muss für Temperaturen bis 350 °C geeignet sein. Ist der Kessel mit einem vierten Zug ausgestattet bzw. bei einem Abhitzekessel zur Abwärmenutzung von Abgasen aus einem BHKW bzw. einer Gasturbine, muss die Abgasanlage für die jeweils höchste Temperatur geeignet sein.

An die Auslegung des Abgassystems und die Höhe des Schornsteins werden oft zusätzliche länderspezifische Anforderungen gestellt. Daher werden hier nur die wichtigsten, funktionalen Planungsgrundsätze beschrieben.

Abgasleitung

Die Abgasleitung stellt die Verbindung zwischen Kesselende und dem Eintritt in den Kamin dar. Sie sollte möglichst direkt, strömungsgünstig und mit wenigen Bögen verlegt werden, um den Druck- und Wärmeverlust klein zu halten. Reduzierungen oder auch Erweiterungen sollen nicht sprungartig, sondern immer mit einem Übergangswinkel von maximal 30° erfolgen. Die Anbindung der Abgasleitung an den Schornstein sollte außerdem mit einem Anstich im Winkel von 30 – 45° geschehen.

Anforderung	Ausführung
Konstante Feuerraumbedingungen	Auslegung auf +0/-1 mbar am Kesselende oder nach Abgas-/Brennwertwärmetauschern Ein Schornsteinzug je Kessel empfohlen
Geringer Druckverlust	Kurz, wenig Bögen und strömungsgünstig
Geringer Wärmeverlust	Isolierung vorsehen
Kondensat ableiten	Kondensatentwässerungsstutzen und Neutralisation
Freien Durchgang gewährleisten	Besichtigungs- und Reinigungsöffnungen vorsehen
Emissionsmessung	Emissionsmessstutzen vorsehen
Reinigung und Besichtigung	Reinigungs- und Besichtigungsöffnungen an allen Umlenkungen vorsehen
Wärmedehnung ausgleichen	Kompensatoren verpflichtend
Beständigkeit	Temperatur- (bis 350 °C), Kondensat-, Korrosionsbeständigkeit
Druckfestigkeit	Über- und Unterdruck
Gasdichte	Gasdichtheit nach EN 1856
Gefährdung durch Luftmangel	Abgas- und Zuluftklappen mit sicherheitsgerichtetem Endlagenschalter einbinden

Allgemeine Anforderungen an die Abgasleitungen

Dimensionierung

Die Abgasleitung mit allen Komponenten wie Abgasklappen, Kompensatoren und Schalldämpfern kann meistens in der gleichen Nennweite des Abgasanschlussstutzens am Kessel bis zum Kamin fortgeführt werden.

Bei der Auslegung sollte dabei eine Richtgeschwindigkeit von 16,5 m/s bezogen auf die Kesselaustrittstemperatur nicht überschritten werden. Da sich die Richtgeschwindigkeit auf den Betriebsvolumenstrom bezieht muss der meistens angegebene Abgasmassenstrom noch auf den Betriebsvolumenstrom um-gerechnet werden.

Für die Umrechnung kann das ideale Gasgesetz verwendet werden.

Umgestellte ideale Gasgleichung zur Berechnung der Betriebsdichte von Gasen

$ρ_{b} = ρ_{n} \cdot \frac{T_{n}}{T_{b}} \cdot \frac{p_{b}}{p_{n}}$

$ρ_{b}$	Betriebsdichte
$ρ_{n}$	Normdichte
$T_{b}$	Betriebstemperatur [K]
$T_{n}$	Temperatur Normbedingung (273,15 K)
$p_{b}$	Betriebsüberdruck [bar]
$p_{n}$	Druck Normbedingung (1,01325 bar)

Formel: Normzustand und Standardzustand

Beispiel Erdgas H:
λ	1,15 Luftüberschuss
$ṁ_{AG}$	10.000 Abgasmassenstrom [kg/h]
$p_{n,AG}$	1,244 Normdichte Abgas [kg/m³n]
$T_{b}$	250 / 523,15 Abgastemperatur [°C]/[K], nach Kessel und vor Abgaswärmetauscher
$p_{b}$ = $p_{n}$	1,01325 Umgebungsdruck [bar] (Abweichung von der Normbedingung wird vernachlässigt)

Beispielrechnung zur Ermittlung der Betriebsdichte des Abgases

Formel zur Berechnung der erforderlichen Nennweite der Abgasleitung

$DN \geq \sqrt{\frac{4 \cdot \dot{V}}{π \cdot \dot{u}}} = \sqrt{\frac{4 \cdot \dot{m}}{π \cdot ρ \cdot \dot{u}}}$

DN	Rohrnennweite
$\dot{V}$	Volumenstrom [kg/h]
ṁ	Massenstrom [kg/s]
ρ	Dichte [kg/m³]
u	Richtgeschwindigkeit nach Tabelle [m/s]

Beispielrechnung zur Ermittlung der erforderlichen Nennweite der Abgasleitung

DN \geq \sqrt \bar{\frac{4 \cdot \frac{kg}{h}}{π \cdot \frac{kg}{m^{3}} \cdot \frac{m}{s}} \cdot \frac{1}{h} \cdot \frac{1}{3.600} s \cdot (\frac{1.000}{{mm}^{2}} / m)} = 574 mm

→ Mindestnennweite DN 630

Vor allem bei geringen Kaminhöhen und langen Abgasleitungen kann die Zugberechnung des Kaminherstellers auch eine größere Nennweite erfordern.

Abgasschalldämpfer
Abgasschalldämpfer haben die Aufgabe, die Emission der Verbrennungsgeräusche zu reduzieren. Um die Wirksamkeit zu gewährleisten, muss der Schalldämpfer auf die vom Brenner abgegebenen Frequenzen, die Kesselleistung und die vorgegebenen, zulässigen Geräuschemissionen ausgelegt werden.

A-bewertete Frequenzanalyse und entsprechender Summenschalldruckpegel in Abhängigkeit von der Kesselwärmeleistung

Kesselwärmeleistung	[kW]	≤ 600	≤ 1.350	≤ 2.500	≤ 5.000	≤ 10.000	≤ 15.000	> 15.000
Erwartungswert für den Summenschalldruckpegel	[dB(A)]	75	81	85	87	94	100	107

Die in der Abbildung oben (A-bewertete Frequenzanalyse und entsprechender Summenschalldruckpegel in Abhängigkeit von der Kesselwärmeleistung) dargestellten Werte sind nur Anhaltswerte, die sich auf einen einzelnen Kessel ohne Abgasschalldämpfer beziehen. Gemessen wurde an der Schornsteinmündung in 1 m Abstand unter einem Winkel von 45°.

Die bei der Verbrennung entstehende Schallentwicklung wird als Luftschall über die Oberfläche des Abgassystems abgestrahlt und tritt am Schornsteinkopf aus. Die Geräusche einer Kesselanlage enthalten überwiegend tieffrequente Geräuschanteile.

Diese Schallemission kann wirkungsvoll durch Abgasschalldämpfer vermindert werden. Um die vorgeschriebenen Schallemissionswerte einzuhalten, muss zur Auslegung eines Abgasschalldämpfers das Frequenzspektrum der Abgasgeräusche an der Schornsteinmündung der Kesselanlage berücksichtigt werden.

Das dargestellte Diagramm in der Abbildung "A-bewertete Frequenzanalyse und entsprechender Summenschalldruckpegel in Abhängigkeit von der Kesselwärmeleistung" stellt den durchschnittlichen Schalldruckpegel eines Kessels, gemessen an der Kaminmündung ohne Abgasschalldämpfer im Abgassystem, dar. Da das Verbrennungssystem (z.B. durch die Brennerkonstruktion oder durch das sich einstellende Strömungsprofil im Brennraum) und das Abgassystem (z. B. durch Anzahl der Bögen, Länge und Durchmesser der Abgasleitung) einen erheblichen Einfluss auf die sich einstellenden Werte haben, können hier nur Anhaltswerte für den Schalldruckpegel angegeben werden. Im Falle einer Mehrkesselanlage ist eine komplexere Rechnung nötig. Hier lautet die Empfehlung, einen Experten hinzuzuziehen.

Bei der Planung der Abgasleitung muss beachtet werden, dass für die Reduzierung der Geräuschemissionen je nach Anforderung eine erhebliche Schalldämpferlänge notwendig ist, die im oder außerhalb des Aufstellraums vor Eintritt in den Schornstein untergebracht werden muss.

Bei hohen Anforderungen an die Schallemission, z.B. im Krankenhausbereich, ist es aufgrund der Komplexität der Thematik zu empfehlen, zur konkreten Auslegung eines Abgasschalldämpfers einen Schallgutachter heranzuziehen.

Der Schornstein hat die Aufgabe, die Abgase und die darin enthaltenen Schadstoffe gefahrlos in die Umgebung abzuleiten, sodass ein ungestörter Abtransport mit der freien Luftströmung und eine ausreichende Verdünnung der Schadstoffe sichergestellt sind. Er sollte sich in unmittelbarer Nähe des Kesselhauses befinden, um lange Abgaskanäle zu vermeiden und die Ableitung der Abgase sollte senkrecht nach oben erfolgen. Eine Behinderung der freien Abströmung durch Krümmer oder Regenschutzdächer ist nicht zulässig.

Die mindestens erforderliche Höhe für den Schornstein ergibt sich aus den nationalen Anforderungen zur Reinhaltung der Luft.

In Deutschland ist dies in der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft) festgelegt. Hierzu wird unter anderem der Quotient aus dem Emissionsmassenstrom Q [kg/h] und dem Faktor S gem. Anhang 6 der TA-Luft für die Schornsteinhöhenbestimmung gebildet.

Luftverunreinigender Stoff	Faktor S^*)
Kohlenmonoxid CO	7,5
Schwefeloxide (Schwefeldioxid SO2 und Schwefeltrioxid SO3), angegeben als Schwefeldioxid	0,14
Stickstoffoxide (NOx), angegeben als Stickstoffdioxid	0,1

^*) Werte für S gem. Anhang 6 der TA-Luft

Für Heißwasserkessel sind zur Schornsteinhöhenberechnung fast immer die Stickstoffoxide ausschlaggebend.

Unter Umständen ergibt sich eine Befreiung von der Bestimmung der Schornsteinhöhe dann, wenn Q/S höchstens 10 kg/h beträgt. Bei kleineren Verhältnissen von Q/S gilt die Mindestschornsteinhöhe von 10 m; bei größeren Verhältnissen von Q/S wird die Schornsteinhöhe so ausgelegt, dass unabhängig von der Höhe des Emissionsmassenstroms am Ort der höchsten Belastung vergleichbare Werte auftreten. Dies ist individuell zu prüfen.

Q	Emissionsmassenstrom des emittierten luftverunreinigenden Stoffes aus der Emissionsquelle [kg/h]
S	Faktor für die Schornsteinhöhenbestimmung

Schornsteinquerschnitt und Kaminzug
Die Abgase im Schornstein haben eine höhere Temperatur als die Luft im Freien. Dadurch entsteht im Schornstein und in den ansteigenden Teilen der Abgasleitung eine Auftriebskraft, der sogenannte Kaminzug. Dieser unterstützt den Abtransport der Abgase und erzeugt im Schornstein und Teilen der Abgasleitung einen Unterdruck. Die Größe des Kaminzugs ist über die Dichte auch an den Temperaturunterschied zur Umgebung gekoppelt.

Der Kaminquerschnitt muss dabei so groß gewählt werden, dass die Strömungswiderstände im Kamin ab dem Kesselende durch die Auftriebskräfte überwunden werden können. Andererseits sollte der Querschnitt nicht zu groß gewählt werden, damit die Austrittsgeschwindigkeit der Abgase an der Kaminmündung noch mindestens 6 m/s beträgt und keinen zu hohen Unterdruck am Kesselende, vor allem bei sehr hohen Kaminen, erzeugt.

Die Berechnung der Abgasleitung sollte in jedem Fall von einem Fachbetrieb für den Bau von Abgasanlagen bzw. dem Kesselhersteller erfolgen.

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