Schlussbericht
(Deutsch)
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Zur Zeit existieren keine Prüfnormen für die Messung von Wärmeleistung, Wirkungsgrad und Emissionen von Stückholz-Speicheröfen (Zeitbrand-Feuerstätten). Die Typenprüfung von Speicheröfen erfolgt heute behelfsmässig nach den Normen für Feuerstätten leichter Bauart (z.B. DIN 18891). Die Diskrepanz zwischen der heute angewendeten Typenprüfung und dem Praxisbetrieb von Speicheröfen hat zur Folge, dass die erzielten Leistungswerte in der Prüfung nicht den Leistungskenndaten der Feuerungen im Betrieb entsprechen. Das Ökozentrum Langenbruck machte es sich zur Aufgabe, Grundlagen für eine Prüfnorm zu entwickeln, die eine praxisnahe Typenprüfungen von Stückholz-Speicheröfen ermöglicht.Ausgehend von den Prüfnormenentwürfen für Feuerstätten der europäischen Normenkommission (CEN/TC 295) und der internationalen Normenkommission (ISO/TC 116 SC 3) wurde ein neues Prüfverfahren für Feuerstätten schwerer Bauart (Speicheröfen) entwickelt und den zuständigen Normengremien vorgeschlagen.Die Grundlagenarbeiten umfassten die folgenden Schwerpunkte:? Evaluation möglicher Messverfahren für Stückholz-Speicheröfen zur Bestimmung von Wirkungsgrad, Wärmeabgabe (Heizkurve) sowie der gas- und staubförmigen Emissionen.? Entwicklung eines neuen Prüfverfahrens mit geeigneten Mess- und Prüfprozederes für eine praxisgerechte Typenprüfung von Stückholz-Speicheröfen.? Das vorgeschlagene Prüfverfahren soll an drei typischen Vertretern von Stückholz-Speicheröfen anhand von Laborversuchen getestet werden.Die Messinfrastruktur im Labor für nachhaltige Energiesysteme am Ökozentrum Langenbruck basiert auf den CEN- und ISO-Normenentwürfen für Feuerstätten. Sie erlaubt die simultane Untersuchung einer Feuerstätte nach den beiden Prüfnormen. Der Messaufbau zur Erarbeitung der Grundlagen für ein neues Prüfverfahren von Stückholz-Speicheröfen umfasste einen Kalorimeterraum und einen Verdünnungstunnel. In dem isolierten, geschlossenen Kalorimeterraum liess sich direkt die Wärmeabgabe und der Wirkungsgrad des Speicherofens ermitteln. Aussenluft führte als Kühlluft die von der Feuerung an den Raum abgegebene Wärme aus dem Kalorimeterraum ab. Für den Speicherofen mit Kesseleinsatz war ein Wasserkreislauf eingerichtet worden. Aus der Wärmeabfuhr von Luft und Wasserergibt sich die insgesamt nutzbare Wärmeleistung der Holzfeuerung. Neben der direkten Wärmeabgabemessung der Speicheröfen im Kalorimeterraum wurde ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Wärmeabgabe untersucht. Dazu erfolgten Temperaturmessungen an verschiedenen Stellen der Ofenoberfläche. Anhand der Oberflächentemperaturen wurde der Heizkurvenverlauf der Feuerstätte qualitativ angenähert. Die Wirkungsgradmessung basierte auf den CEN-Normen mit der Erfassung der Abgasverluste im Kamin. Dazu wurden im Kamin die Abgastemperatur sowie der Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidgehalt (CO2 bzw. CO) im Abgas erfasst. Die Kohlenmonoxidwerte dienen gleichzeitig auch für die Erfassung der CO-Emissionen. Die staubförmigen Emissionen wurden in einem Verdün-nungstunnel gemessen. Der Verdünnungstunnel sammelte das Abgas der Feuerstätte am Ende des Abgaskamins und verdünnte es mit Umgebungsluft. Ein Ventilator im Verdünnungstunnel sorgte für einen konstanten Volumenstrom (Constant Flow Sampling, CFS).Als Testöfen standen ein Kachelofen, ein Specksteinofen und ein Speicherofen mit Kesseleinsatz zur Verfügung. Am Speicherofen mit Kesseleinsatz konnte das neue Messverfahren auf die Erfassung der direkten Wärmeabgabe an den Raum und an die Zentralheizung ausgetestet werden. Mit jedem der drei Testöfen wurden mehrere Versuchsreihen durchgeführt, die einen Konditionierungsabbrand sowie mindestens 3 Versuchszyklen umfassten. In einem Versuchszyklus wurde die vom Hersteller angegebene maximal zulässige Holzmenge verbrannt. Der Heizzyklus lag zwischen 12 und 24 Stunden. Die Emissionen in Abgaskamin und Verdünnungstunnel wurden während dem Abbrandzyklus erfasst. Der Abbrandzyklus dauerte vom Entfachen des Feuers bis zum Unterschreiten des CO2-Wertes von 2 Vol % im Abgas. Die Kalorimeter- und Oberflächentemperaturmessung liefen jeweils bis zum Ende des Heizzyklus weiter. Für den Specksteinofen und den Speicherofen mit Kesseleinsatz ergaben sich für die direkte wie indirekte Wirkungsgradbestimmung sehr ähnliche Werte. Die Abweichungen lagen zwischen 1.1 % und 2.1 % Wirkungsgradpunkten. Der Wirkungsgrad des Specksteinofens liegt bei gut 70 %, der des Spei-cherofens mit Kesseleinsatz bei ca. 88 %. Die Unterschiede zwischen der direkten und indirekten Wirkungsgradbestimmung lagen beim Kachelofen bedingt durch Auskühlverluste bei ca. 15 % Punkten. Der feuerungstechnische Wirkungsgrad lässt sich mit guter Genauigkeit mit der indirekten Wirkungsgradmessung nach CEN/prEN bestimmen. Vergleichende Untersuchungen der CEN/prEN- und ISO/DIS-Prüfnormenentwürfe am Ökozentrum Langenbruck zeigten, dass die indirekte Wirkungsgradmessung robuster ist als die direkte Messung mit dem Kalorimeterraum.Für die Erfassung des qualitativen Verlaufs der Heizkurven erwies sich die Temperaturdifferenzmessung in der Zu- und Abluft im Kalorimeterraum als zuverlässig. Beim Specksteinofen verliefen die Oberflächentemperaturen und die kalorimetrisch gemessene Leistung recht synchron. Der konvektive Anteil der Wärmeabgabe führt jedoch zu Abweichungen. Für eine Prüfnorm eignet sich die Oberflächentemperaturmessung nicht, da die Genauigkeit bei der Applikation des Verfahrens auf unter-schiedliche Feuerstätten nicht gegeben ist.Bei Parallelmessungen von Staub im Verdünnungstunnel und im Kamin mit Planfiltern wurden im Verdünnungstunnel ca. 12 % tiefere Staubemissionen ermittelt als im Abgas. Die Streubreiten der Messungen im Verdünnungstunnel und im Abgas überlappten sich jedoch. Die Messung des Staubes im Verdünnungstunnel hat den Vorteil, dass der zu Beginn des Abbrandzyklus wegen der Brennstofffeuchtigkeit auftretende Wasserdampf im Abgas nicht zu Messproblemen führt. Mit dem CFS ergebensich gewichtete Emissionswerte.Auf Grund der gewonnenen Erfahrung wurde ein Entwurf für ein neues Messverfahren für Speicheröfen ausgearbeitet. Die wichtigsten Punkte im Prüfnormenentwurf sind:? Indirekte Wirkungsgradbestimmung über die Messung der thermischen und chemischen Verluste im Abgas.? Qualitative Bestimmung der Heizkurve durch ein vereinfachtes Temperaturmessverfahren im Kalorimeterraum. Mit der Heizkurve werden die nominelle Heizdauer und die mittlere Heizleistung des Speicherofens bestimmt.? Emissionsmessung der gasförmigen Schadstoffe (CO und ggf. Stickoxide, NOx) im Abgas und des Staubs im Verdünnungstunnel.Mit dem vorliegenden Prüfverfahren wurde eine wichtige Basis für eine Speicheröfen-Prüfnorm gelegt. Bereits konnte dem europäischen Normengremium CEN/TC 295 der Prüfnormenentwurf unterbreitet werden. Ein Ausschuss wird das Prüfverfahren weiter evaluieren. Mit der vorliegenden Arbeit war es möglich, aus der Schweiz rechtzeitig mit Unterlagen für neue Normengrundlagen aufwarten zu können.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Ökozentrum Langenbruck ÖZL
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Gaegauf,Christian
Macquat,Yves
Zugehörige Dokumente
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