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Modulierender Brenner

Definition: ein Brenner mit variabler thermischer Leistung

Englisch: modulating burner

Kategorien: Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.06.2010; letzte Änderung: 03.11.2018

Viele Brenner z. B. für Erdgas oder Heizöl arbeiten mit einer festen Wärmeleistung. Die Anpassung an den tatsächlichen Leistungsbedarf erfolgt dann durch Takten, d. h. durch Ein- und Ausschalten, meist mit einem Thermostaten. Da dieser Taktbetrieb diverse ungünstige Nebenwirkungen hat, insbesondere eine reduzierte Energieeffizienz und möglicherweise erhöhte Schadstoffemissionen, versucht man es nach Möglichkeit zu vermeiden oder zu reduzieren. Eine besonders wirksame Lösung ist der Einsatz eines modulierenden Brenners, also eines Brenners, dessen Wärmeleistung in gewissen Grenzen eingestellt werden kann. Es gibt beispielsweise Gas-Brennwertkessel, bei denen die Leistung zwischen ca. 3 kW und 15 kW variieren kann.

Vorteile der modulierenden Brenner-Betriebsweise

Ein modulierender Brenner muss nur dann getaktet werden, wenn die benötigte Leistung geringer ist als die minimal einstellbare Leistung (die Modulationsgrenze). Bei geeigneter Dimensionierung tritt das Takten dann also viel seltener auf als bei Brennern mit fester Leistung.

Wenn der Brenner mit reduzierter Leistung läuft, anstatt manchmal mit voller Leistung und dann wieder gar nicht, ist bei gleichem Heizkessel die Abgastemperatur niedriger: Das Abgas strömt langsamer durch den Kessel und hat entsprechend mehr Zeit, die Wärme abzugeben. Dies bewirkt unmittelbar eine höhere Energieeffizienz, die sich in einem höheren Jahresnutzungsgrad ausdrückt. Allerdings ist dieser Effekt nur nutzbar, wenn das Abgassystem die niedrigeren Abgastemperaturen tolerieren kann. Bei alten Schornsteinanlagen ist dies oft nicht der Fall, da sie zur Versottung (zum Feuchtwerden mit der Folge von Schäden) neigen.

Besonders vorteilhaft ist die modulierende Betriebsweise bei Brennwertkesseln, da auch die Kondensation und damit die Gewinnung von Kondensationswärme bei geringer Brennerleistung besonders gut funktioniert. Die Abgasleitung muss hier ohnehin für niedrige Abgastemperaturen ausgelegt werden.

Ein weiterer Vorteil der modulierenden Betriebsweise ist, dass das häufige “Spülen” des Brennraums mit Luft vor dem Brennerstart, welches zusätzliche Wärmeverluste erzeugt, seltener nötig ist.

Das verminderte Takten ist auch bezüglich der Schadstoffemissionen oft vorteilhaft, da die Bildung von unverbrannten Brennstoffanteilen und evtl. auch von Stickoxiden beim Brennerstart verstärkt auftreten kann.

Manche Gasthermen enthalten einen Durchlauferhitzer für die Warmwasserbereitung. Hier ist eine modulierende Betriebsweise sehr wichtig, um die Warmwassertemperatur auch bei schwankender Fließgeschwindigkeit stabil halten zu können. Der Taktbetrieb wäre hier besonders ungünstig, da es ein sehr häufiges An- und Abschalten erzwingen würde und dabei erhebliche Schwankungen der Warmwassertemperatur entstünden.

Technische Voraussetzungen für den modulierenden Betrieb

Um einen modulierenden Betrieb zu realisieren, ist ein etwas erhöhter technischer Aufwand nötig. Es genügt nicht, einfach nur die Brennstoffzufuhr zu modulieren. Es muss bei jeder Leistung die Luftmenge der jeweiligen Brennstoffmenge genau angepasst werden, um ein angemessenes Verbrennungsluftverhältnis zu gewährleisten. Dies ist schwieriger zu erreichen als beim Betrieb mit konstanter Leistung. Eine Möglichkeit ist, die Brennstoffzufuhr automatisch zu regeln auf der Basis des Signals von einer Lambdasonde im Abgas, welche den Restsauerstoffgehalt misst. Es wird also primär die Luftmenge entsprechend der gewünschten Leistung variiert, und die Brennstoffmenge wird so eingestellt, dass der Restsauerstoffgehalt den gewünschten (meist recht geringen) Wert erreicht. So wird einerseits die Bildung von Ruß und giftigem Kohlenmonoxid vermieden, die bei Luftmangel aufträte, und andererseits ein energetisch ungünstiger Luftüberschuss vermieden. Ein solcher Brenner kann sich auch automatisch optimal an variable Verbrennungslufttemperaturen und Brennstoffqualitäten anpassen, z. B. wenn Erdgas mit einem etwas anderen Methangehalt geliefert wird.

Weitere Anforderungen stellen sich an die Regeleinrichtung, die etwas aufwendiger ausfällt als ein einfacher Thermostat. Diese sind freilich mit modernen mikroprozessorbasierten Regelungen leicht erfüllbar.

Mit Erdgas-Brennern ist es technisch wesentlich einfacher als bei Heizöl, die Brennerleistung in einem weiten Bereich (teils mehr als 1 zu 5) zu variieren.

Eine besonders geeignete Bauform für die Variation der Brennerleistung in einem sehr weiten Bereich ist die des Porenbrenners. Dieser ist nur für gasförmige Brennstoffe nutzbar, bzw. für flüssige Brennstoffe nach deren Verdampfung.

Zusätzlich muss geprüft werden, ob der vorhandene Heizkessel und der Schornstein für den Betrieb mit niedriger Feuerungsleistung und entsprechend reduzierter Abgastemperatur geeignet sind.

Alternativer Ansatz: zweistufiger Brenner

Die Vorteile modulierender Brenner sind zu einem guten Teil auch mit zweistufigen Brennern erzielbar, die nur zwei unterschiedliche Leistungsstufen haben. Die kleine Stufe kann so bemessen sein, dass auch bei niedrigem Wärmebedarf lange Brennerlaufzeiten möglich sind. Allerdings dürfte die technische Realisierung von zwei Stufen nicht unbedingt viel einfacher sein, da wiederum das Verbrennungsluftverhältnis bei beiden Stufen richtig eingestellt werden muss.

Siehe auch: Leistung, Brenner, Porenbrenner, Heizkessel, Brennwertkessel, Teillastbetrieb, Taktbetrieb, Verbrennungsluftverhältnis, Lambdasonde
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