Abgasverlust

Eine Abgasmessung dient dazu, die Energieverluste durch das Abgas und die Schadstoffkonzentrationen im Abgas einer Heizung zu ermitteln. Für die Energieverluste durch das Abgas wird der Abgasverlust qA herangezogen, der Teil einer Abgasmessung ist:

Verringern alle Haushalte ihren Abgasverlust um ein Prozent, so reicht die eingesparte Energiemenge, um 500.000 Einfamilienhäuser zu beheizen. Die eingesparte Energie steht jedoch nicht zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung, da die eingesparte Menge anderwertig verbraucht wird.

Im Bereich Haushalt und Kleinverbraucher wird die eingesetzte Primärenergie zu ca. 70% von der Heizung verbraucht. Neben der Wärmedämmung des Hauses ist die Verringerung des Abgasverlustes der Heizung, als Teil einer Optimierung des ganzen Systems Heizung, Haus und Benutzerverhalten, eine Möglichkeit, Heizenergie einzusparen.

Inhaltsverzeichnis

Gesetzliche Bestimmung und Durchführung in Deutschland

Die Abgasmessung (nicht zu verwechseln mit der Abgasuntersuchung) ist eine vom Schornsteinfeger durchzuführende Messung, die in der Hausheizungsanlage Gas- und Ölkessel betrifft (ausgenommen sind Raumheizgeräte bis 4 kW Leistung und in der Trinkwasseranlage Trinkwassererwärmer bis 28 kW Leistung). Es ist eine wichtige Untersuchung, die in Deutschland das Bundes-Immissionsschutzgesetz und die Kleinfeuerungsverordnung, in Österreich das Luftreinhaltegesetz vorschreibt. Die Messung wird mit einer Lambda-Sonde im Kernstrom des Verbindungsrohres zwischen Kessel und Schornstein/Abgasrohr durchgeführt, die Messwerte gehen auf einen Kleinrechner und können ausgedruckt werden. Die Messung wird einmalig bei Kesseln von 4 kW bis 11 kW Nennwärmeleistung vier Wochen nach der Inbetriebnahme durchgeführt, und sie ist eine wiederkehrende Messung für Kessel ab 11 kW und Trinkwassererwärmer ab 28 kW. Für Trinkwassererwärmer bis 28 kW und für Kombithermen bei maximaler Leistung (Warmwasserbereitung) ist nur eine CO-Messung des Abgases vorgeschrieben. Handelt es sich um eine Pelletheizung, werden anstelle des CO2- und CO-Gehaltes die Staub- und SO2-Emissionen gemessen.

Änderungen durch die Novellierung der 1. BImSchV

Die Novellierung (voraussichtlich ab 2008) sieht eine Überprüfungspflicht für alle Heizungsanlagen ab 4 kW vor. Hinzu kommen zahlreiche Nachrüstverpflichtungen für Festbrennstoffheizungen.[1]

Erfasste Messwerte

Bei der Messung werden

  1. der Abgasverlust qA (nach der Siegertschen Formel)
  2. die Konzentrationen der Abgaskomponenten
    • Kohlendioxid CO2, Kohlenmonoxid CO, Sauerstoff O2, sowie
    • bei einer Ölheizung zusätzlich die Rußzahl und Ölderivate gemessen
  3. sowie Abgastemperatur, Zulufttemperatur/Verbrennungslufttemperatur,
    • Taupunkttemperatur, Luftüberschusszahl (Lambda) und Schornsteinzug.

Messwert Abgasverlust

Der Abgasverlust qA gibt an, wie viel Prozent der Heiz-Nennwärmeleistung mit dem Abgas verloren gehen. Er ist desto kleiner, je niedriger die Abgastemperatur und je größer der CO2-Gehalt des Abgases ist, was mit einer kleinen Luftüberschusszahl einhergeht. Der Abgasverlust darf ab dem 1. November 2004 für Kessel bis 25 kW 11 %, für Kessel über 25 bis 50 kW 10 % und für Kessel über 50 kW nur mehr 9 % betragen. Werden diese Grenzwerte überschritten, müssen die Kessel gegen neue ausgetauscht werden oder von einem zuständigen Fachmann gegebenenfalls gereinigt und eingestellt werden.

Konzentrationen der Abgaskomponenten

Kohlendioxid

Damit der Abgasverlust qA gering ist, muss der CO2-Gehalt im Abgas möglichst hoch sein. Bei idealer Vermischung des Brennstoffes mit der Zuluft ist der CO2-Gehalt im Abgas bei Erdgas LL max. 10,8 %, bei Heizöl EL maximal 15,4 %. Da diese Gemischaufbereitung praktisch nicht zu erreichen ist, ist ein Luftüberschuss erforderlich, der unnötigerweise erwärmt wird und dann mit dem Abgas verloren geht. Mit dem Luftüberschuss sinkt die CO2-Konzentration im Abgas, weshalb für Hausheizungen je nach Kesselleistung und Teillastverhalten Werte entsprechend untenstehender Tabelle auftreten.

Kohlenmonoxid

Kohlenmonoxid CO ist schon in geringen Mengen hochgiftig und entsteht bei Sauerstoffmangel (Luftmangel), der einerseits von zu geringem Luftüberschuss, von verunreinigten Brennern oder von nicht ausreichender Frischluftzufuhr am Aufstellort des Kessels herrührt. Der CO-Gehalt soll im unverdünnten Abgas (wird mit Lambda errechnet) unter 80 ppm (0,008 %) betragen, bei 500 ppm (0,05 %) ist dringend eine Inspektion anzuraten. Die Überschreitung des Grenzwerts 1000 ppm (0,1 %) Kohlenmonoxid hat zunächst eine Bemängelung durch den Bezirks-Schornsteinfegers zufolge und nach einer Frist von 6 Wochen ist eine Nachmessung vorzunehmen. Bei einem hohen CO-Gehalt und Abgasrückstau in den Aufstellraum wird die Feuerstätte unter Mitwirkung der Stadtwerke (Gaslieferant) stillgelegt (Gefahrenabwehr).

Sauerstoff

Der Sauerstoff-Gehalt O2 geht mit der Luftüberschusszahl einher und soll möglichst niedrig sein, je nach Kessel und Betriebsart nimmt er unten stehende Werte an.

Rußzahl bei Ölheizungen

Des Weiteren wird der bei einer Ölheizung im Abgas mögliche Kohlenstoffgehalt C nach Bacharach ermittelt und als Rußzahl angegeben, die max. 1, bei Altanlagen vor 1988 2 sein darf. Ruß ist unverbrannter Kohlenstoff, der bei unzureichender Gemischbildung entsteht. Gründe können Luftmangel, eine falsch ausgewählten Öldüse (Sprühwinkel) oder ein zu geringer Zerstäubungsdruck sein. Ölderivate (unverbranntes Öl), welche sich auf einer Filterpapierprobe als gelbe Ablagerungen zeigen, dürfen im Abgas nicht vorhanden sein.

Stickoxide

Nicht zur Abgasmessung gehörend, aber vom Gerätehersteller nachzuweisen sind Stickoxide (NOx), die sich bei zu heißen Verbrennungstemperaturen aus dem Stickstoff der Zuluft bilden. Moderne Geräte haben wassergekühlte Brenner oder sind mit Kühlstäben an den Brennerdüsen ausgestattet, deren hitzebeständiges Material einen Anteil der Flammenwärme aufnimmt und als Wärmestrahlung wieder abgibt. Aufgrund der niedrigeren Flammentemperaturen kann der Grenzwert von 80 mg/kWh auch mit geringem Luftüberschuss erreicht werden.

Abgastemperatur

Die Abgastemperatur beträgt bei Gas-Kesseln etwa 60–140 °C, bei Ölheizungen 120-180 °C. Geringe Abgastemperaturen verschlechtern den Schornsteinzug und können, sofern sie unter der Taupunkttemperatur liegen, zur Kondensation des Wasserdampfes im Abgas führen, was zu Schornsteinversottung oder Korrosion der Abgasanlage führen kann. Dies kann durch eine Schornsteinsanierung (z.B. ein Edelstahlabgasrohr einziehen lassen) verhindert werden. Hohe Abgastemperaturen deuten auf einen schlechten Wärmeübergang an den Wärmeübertragern hin, was eine Folge von Rußablagerungen sein kann und durch eine Kesselreinigung zu beheben ist. Sind die Abgastemperaturen selbst bei gereinigten Wärmeübertragern noch zu hoch, deutet das auf eine Überbelastung der Wärmeübertragerflächen hin. Da meist die eingestellten Feuerungsleistungen erheblich höher sind, als der eigentliche Wärmebedarf des Hauses, kann dies sehr oft durch eine Leistungsreduzierung des Brenners korrigiert werden. Eine Leistungsreduzierung ist jedoch nur dann möglich, wenn die neue, reduzierte Brennerleistung noch innerhalb des Leistungsbereiches des verwendeten Brenners liegt. Hierbei wird bei Gasbrennern der Gasdurchsatz reduziert, bei Ölbrennern wird entweder der Zerstäubungsdruck verringert,oder die Größe der Zerstäubungsdüse reduziert. Es sind jedoch in jedem Fall die Herstellerangaben von Brenner und Wärmeerzeuger zu beachten. Nach jeder Leistungsreduzierung sind die Brenner wie bei einer Neuinbetriebnahme mittels Abgasmessgerät neu einzuregulieren.

Zulufttemperatur

Die Zulufttemperatur entspricht der Raumtemperatur des Kesselaufstellraums, sofern es sich um Heizöl oder Gasgeräte handelt, die die Luft aus dem Aufstellraum entnehmen. Gasgeräte und Heizölgeräte, die raumluftunabhängig arbeiten und die Frischluft von außen nachziehen, sind mit einem Luft-Abgas-System (LAS) ausgestattet, welches in einem Rohr-in-Rohr-System Abgas ableitet und im Gegenstrom Frischluft ansaugt. Diese vorgewärmte Frischluft geht als Verbrennungslufttemperatur in die Abgasverlustberechnung ein.

Taupunkttemperatur

Mit der Taupunkttemperatur des Wasserdampfes im Abgas kann abgeschätzt werden, ob im Schornstein/Abgasrohr Wasser kondensiert. Dazu nimmt man an, dass die Abgase sich pro Meter Schornsteinhöhe um 5 °C abkühlen. Zieht man die auf die Schornsteinhöhe bezogene Abkühlung von der Abgastemperatur ab, so erhält man eine Abgastemperatur, die am Schornsteinaustritt vorliegen kann. Liegt diese Temperatur unter der Taupunkttemperatur, so ist Wasserdampfkondensation möglich, liegt sie darüber, ist die Wasserbildung wenig wahrscheinlich.

Luftüberschusszahl

Die Luftüberschusszahl Lambda gibt das Verhältnis von tatsächlicher zu theoretisch notwendiger Luftmenge an, was gleichbedeutend ist mit dem Verhältnis von CO2max. zu CO2gem. Atmosphärische Brenner arbeiten mit einer Luftüberschusszahl von etwa 1,8; fest eingestellte Gebläsebrenner mit etwa 1,2 bis 1,4. Geregelte Gebläsebrenner (mit Lambdasonde) erzielen λ = 1,03. Der Luftüberschuß beträgt also je nach Brennertyp 0,6% bis 80%.

Ein geringer Luftüberschuss verringert den Abgasverlust und verbessert den Wärmeübergang, kann aber zu vermehrter CO-Entstehung führen.

Schornsteinzug

Der Schornsteinzug hat die Aufgabe, das bei der Verbrennung entstehende heiße Abgas abzuführen und gleichzeitig die notwendige kalte Verbrennungsluft anzusaugen. Abgasseitige Undichtigkeiten haben positiven oder negativen Einfluss auf die Verbrennung, da der Schornsteinzug durch Nebenluft verringert wird. Zu hohe Abgastemperaturen werden u. a. auch gemessen, wenn der Schornsteinzug zu hoch, der Luftüberschuss bei der Verbrennung aber normal ist. Abhilfe kann hier der Einbau einer Nebenluftklappe schaffen.

Siegertsche Formel zur Berechnung des Abgasverlustes

(Zahlengleichung)

q_A = (\theta_A - \theta_L) \cdot  \left(\frac{A1}{CO_2} + B \right)

bzw.

q_A = (\theta_A - \theta_L) \cdot  \left(\frac{A2}{21%-O_2} + B \right)

mit:

qA Abgasverlust [%]
θA Abgastemperatur [°C]
θL Zulufttemperatur/Verbrennungslufttemperatur [°C]
CO2 Kohlendioxid-Gehalt des Abgases [Vol%]
bzw.
O2 Sauerstoff-Gehalt des Abgases [Vol%]


Brennstoffparameter für Brennstoffe nach Siegert Konstanten:

NATG, Erdgas PROP, Propan, Flüssiggas OIL2, leichtes Heizöl OIL6, Schweres Heizöl TGAS, Stadtgas CGAS, Kokereigas
A1 0,37 0,42 0,50 0,50 0,35 0,29
A2 0,66 0,63 0,68 0,68 0,63 0,60
B 0,009 0,008 0,007 0,007 0,011 0,011

Hinweis: Die Angaben beziehen sich auf den Heizwert, nur der Brennwert beschreibt die vollständige enthaltene Energie.

Beispiele zur Abgasmessung

Abgasmessung an einem atmosphärischen Brenner

(Kombi-Therme, Erdgas LL, CO2 max. = 11,8%)

Start-Gas 12-kW-Heizlast Max.-Last
Abgastemperatur °C 80,6 90,2 113,9
Zulufttemperatur °C 26,4 26,4 26,4
Taupunkttemperatur °C 35,7 41,3 48,8
CO2  % 2,8 4,1 6,6
O2  % 16,0 13,6 9,3
Abgasverlust qA  % 7,6 6,2 5,7
CO ppm 24 12 14
CO unver. ppm 99 35 25
Lambda - 4,21 2,88 1,79
Schornsteinzug hPa −0,02 −0,02 −0,03

Die Abgaswerte qA der Heizlast (mittlere Spalte) müssen die Anforderungen der 1.BImschV (Verordnung über Kleinfeuerungsanlagen), welches auf dem BImSchG beruht, erfüllen. Die Max.-Last (rechte Spalte) wird für die Warmwasserbereitstellung benötigt, weshalb nur der CO-Gehalt nachgewiesen werden muss. Das Startgasverhalten unterliegt keiner Überprüfung. Die in der Tabelle vorliegenden maßgeblichen Messwerte, der Abgasverlust qA und die CO-Konzentration, erfüllen die Anforderungen. Der Schornsteinfeger bescheinigt dies anschließend mit einer so genannten Messbescheinigung

Abgasmessung an einem fest eingestellten Gebläsebrenner

(Heizkessel, Heizöl EL, CO2 max. = 15,4%, gem. im ungestörten Dauerbetriebzustand)

Volllast
Abgastemperatur °C 142,6
Zulufttemperatur °C 24,8
Taupunkttemperatur °C 48
CO2  % 11,9
O2  % 4,8
Abgasverlust qA  % 5,8
CO ppm 5
CO unver. ppm 6
Lambda - 1,29
Schornsteinzug hPa −0,1

Der Abgasverlust qA und die Kohlenmonoxidkonzentration CO liegen unter den Grenzwerten, die Filterprobe ergab keine Rückstände, womit die Messung den Erfordernissen der BimSchV entspricht.

Abgasmessung an einem geregelten Gebläsebrenner

(Heizkessel, Heizöl EL, CO2 max. = 15,4%, gem. im Dauerbetrieb bei unterschiedlichen Witterungseinflüssen)

Der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsgase wird im Feuerungsraum mit einer Lambdasonde laufend gemessen. Ein Regler verändert die Luftzufuhr so, dass in den Rauchgasen nur noch 0,6 % Sauerstoff enthalten ist, das entspricht λ = 1,03 (Luft enthält 21 % Sauerstoff). Diese Regelung hat einige Vorteile:

  • Es muss nicht unnötig viel „Ballast“-Gas (Sauerstoff und vor allem Stickstoff) erwärmt werden
  • Die Verbrennungsgase werden deshalb mit geringerer Geschwindigkeit durch den Brennraum und die nachfolgenden Wärmetauscher geblasen, was zu besserem Energieübergang auf den Wärmeträger führt.
  • Variable Witterungseinflüsse wie Feuchtigkeit und Druckschwankungen bei Wind werden ausgeregelt
  • Schleichende Veränderungen der Einstellungen beispielsweise an der Zerstäuberdüse werden ausgeregelt und sorgen für konstante Verbrennungsergebnisse bis zur nächsten Wartung
  • Wird ein vorgegebenes Intervall zulässiger Lambda-Werte zwischen 1,02 < λ < 1,06 überschritten, kann vorzeitig Wartung angefordert werden.
Volllast
Abgastemperatur
(Brennwertkessel)
°C 66
Zulufttemperatur °C 22
Taupunkttemperatur °C 48
CO2  % 15,2
O2  % 0,6
Abgasverlust qA  % 2,0
CO ppm 15
Lambda - 1,03
Schornsteinzug hPa 0,08

Der Abgasverlust qA und die Kohlenmonoxidkonzentration CO liegen unter den Grenzwerten, die Filterprobe ergab keine Rückstände, womit die Messung den Erfordernissen der BimSchV entspricht.

Aktueller Stand

Alle vom Gesetzgeber eingeräumten Fristen und Übergangsfristen sind seit 1. November 2004 abgelaufen. Erfüllt im Rahmen einer Abgasmessung die Heizungsanlage die gesetzlichen Bestimmungen nicht und der Schornsteinfeger als maßgeblicher Prüfer stellt dies schriftlich fest, muss der Betreiber der Anlage für Abhilfe sorgen, indem er beispielsweise den alten Kessel ersetzt oder durch Brennertausch o.ä. modifiziert. Will er das nicht tun, so begeht er eine Ordnungswidrigkeit und muss mit Sanktionen des Umweltamtes rechnen. Schlimmstenfalls wird ihm ein Bußgeld auferlegt und die Heizung wird zwangsweise stillgelegt. Unter bestimmten Voraussetzungen wie unbilliger Härte kann das Umweltamt im Einzelfall die Anforderungen an die Heizungsanlage temporär außer Kraft setzen.


Quellen

  1. FAQ des BMU

Siehe auch

Weblinks

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