Neuartiger Holzofen für Minergie-Häuser

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• Ein neuartiger Holzofen basiert auf einer durch Nachrutschen beschickten Verbrennungsretorte und einer anschließenden Nachbrennkammer mit Sekundärluft.
• Durch die zweistufige Verbrennung werden niedrige Schadstoffemissionen erzielt und die Bedienung weitgehend vorgegeben.
• Die kleine Wärmekapazität der Primärzone ermöglicht eine Abbranddauer einer Holzcharge von über 5 h bei einer geringen Heizleistung von 7,4 kW.
• Über den ganzen Abbrand ab dem Anzünden werden CO-Emissionen von rund 500 mg/m³ und Staub­emissionen von rund 15 mg/m³ bei 13 Vol.-% O₂ erzielt.
• Das Prinzip ist für Naturzug und die Verwendung auf Stückholz mit 25 cm Länge und ohne Eingriff nach dem Schließen der Anzündtüre geeignet.

In der Schweiz und in Deutschland trägt die Holzenergie zu je rund 4 % zum Endenergieverbrauch bei und hat damit eine wichtige Bedeutung unter den erneuerbaren Energieträgern. Nach einem starken Zuwachs in den letzten 20 Jahren ist nun jedoch nur noch eine moderate Erhöhung der Energieholznutzung um voraussichtlich rund 50 % möglich. Weil die Ausschöpfung des Potenzials im Gegensatz etwa zur Solarenergie absehbar ist, gilt es, Holz als Energieträger mit maximaler Effizienz einzusetzen. Das speicherbare Energieholz ist dabei eine ideale Ergänzung zu saisonal anfallenden Energien wie Solarenergie und auch der durch Wärmepumpen nutzbaren Umweltwärme.

Für zu Heizzwecken eingesetzte Luft/Wasser-Wärmepumpen ist zu beachten, dass die Effizienz bei abnehmender Umgebungstemperatur sinkt, während gleichzeitig der Wärmebedarf steigt Abb. 2 . Durch den Einsatz einer Holz-Zusatzheizung kann die Wärmepumpe deshalb kleiner dimensioniert und gleichzeitig die durch die Jahresarbeitszahl beschriebene Effizienz der Wärmepumpe erhöht werden. Für Minergie-Häuser besteht somit ein Bedarf nach hochwertigen Holz-Zusatzheizungen mit Heizleistungen von deutlich weniger als 10 kW. Für Minergie-P-Gebäude kommt zudem auch eine Wärmeverteilung mit Luft infrage, was den Einsatz eines Holzofens als monovalente Heizung ermöglicht.

Diese neuen Anwendungen stellen hohe Anforderungen an den Komfort moderner Holzheizungen bei immer strengeren Emissionsvorschriften. Dazu sind lange Abbrandphasen bei kleinen Heizleistungen notwendig und der Abbrand sollte zudem ohne manuelle Eingriffe auskommen.

Nutzung weicht von Typenprüfung ab

Moderne Holzöfen erfüllen zwar die Vorschriften etwa der Luftreinhalte-Verordnung (LRV) oder der 1. Bundesimmissionsschutzverordnung (1. BImSchV). Der Nachweis dieser Anforderungen erfolgt jedoch anhand einer Typenprüfung, bei der die Bedienung und Messung teilweise unter idealisierten Bedingungen erfolgen, die in der Praxis nicht oder nur selten auftreten. So kann der Start des Ofens aus betriebswarmem Zustand erfolgen und es ist ein Eingriff nach dem Anzünden zugelassen. Außerdem werden in der Regel nur kleine Holzmengen aufgelegt. Dies entspricht nicht dem typischen Praxisbetrieb, bei dem Holzöfen regelmäßig aus dem kalten Zustand gestartet und oft mit großen Holzchargen befüllt werden.

Untersuchungen an Holzöfen und Stückholzkesseln zeigen, dass gerade der Kaltstart wesentlich zu den Gesamtemissionen beiträgt und dass eine ungünstige Betriebsweise der Feuerungen die Schadstoffemissionen deutlich erhöhen kann [2, 3, 4]. Zur Beurteilung der in der Praxis zu erwartenden Umweltbelastung sind deshalb eine für die Praxis typische Bedienung und eine Bewertung über einen ganzen Abbrand erforderlich [5]. Im ­Weiteren ist vorteilhaft wenn der Andzündvorgang und der Abbrand durch die Bauart der Feuerung vorgegeben sind und ein geringer Betreibereinfluss besteht.

Für Anwendungen in Minergie-Häusern werden somit hohe Anforderungen an den Bedienungskomfort und an die Luftreinhaltung moderner Holzheizungen gestellt. Um einen hohen Bedienungskomfort bei gleichzeitig niedrigen Emissionen zu erzielen, sind lange Abbrandphasen bei kleinen Heizleistungen notwendig. Zudem sollte die Verbrennung ohne manuelle Eingriffe auskommen. Konventionelle Holzöfen mit einstufigem oberem Abbrand erfüllen diese Anforderungen nicht oder nur bedingt [2]. In Bezug auf die Luftreinhaltung sind dabei vor allem die Emissionen an Ruß und organischen Verbindungen entscheidend [6, 7]. Zur Vermeidung hoher Emissionen ist zudem eine kurze und gute Anzündphase wichtig [8]. Während des Starts und der stationären Phase dient der Gehalt an Kohlenmonoxid (CO) im Abgas als Leitgröße für die Verbrennungsqualität, da bei tiefen CO-Konzentrationen in der Regel auch die schädlichen organischen Verbindungen auf niedrigem Niveau sind [9].

Entwicklungsziel

Ziel der vorgestellten Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Verbrennungskonzepts für Stückholz, das eine Abbranddauer von mindestens 4 h mit einer einmaligen Holzaufgabe von 6 bis 12 kg ermöglicht und zur Ausführung eines emissionsarmen Holzofens geeignet ist. Durch einen kontinuierlichen Abbrand sollen die Emissionen an Kohlenmonoxid, flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und Staub verringert und die Grenzwerte der Luftrein­halte-Verordnung [10] um mindestens 50 % ­unterschritten werden. Die entsprechenden Zielwerte betragen somit: CO < 750 mg/m_n³, VOC < 100 mg/m_n³, Gesamtstaub < 37,5 mg/m_n³ bei 13 Vol.-% O₂.

Diese Werte sollen als Mittelwert ab dem Anzünden der Feuerung und mit Berücksich­tigung der Start- und Abbrandphase eingehalten werden, was einer strengeren und praxisnäheren Bewertung als gemäß Typenprüfung entspricht. Zusätzliche Ziele sind eine kurze Startphase sowie ein stabiles Verhalten während des ganzen Abbrands ohne manuellen Eingriff nach dem Zündvorgang. Im Weiteren soll die Feuerung für Naturzugbetrieb geeignet sein und entsprechend geringe Druckverluste aufweisen. Schließlich soll das Vorgehen zum Betrieb der Feuerung mit Befüllung und Anzündvorgang eine fehlerhafte Bedienung einschränken.

Holzofen mit Verbrennungsretorte

Um eine lange Abbranddauer bei kleiner Leistung zu erreichen, weist die Feuerung eine Aufteilung der Verbrennung in eine Primär- und Sekundärzone auf. Damit werden die Wärmefreisetzung aus der Feststoffumwandlung und der anschließende Gasausbrand in der Flamme entkoppelt. Für die Untersuchung wurde der in Abb. 3 gezeigte Holzofen konstruiert, der aus drei Modulen aufgebaut ist. Modul 1 dient der Feststoffvergasung, Modul 2 dem Gasausbrand und Modul 3 der Wärmeabfuhr.

Durch den modularen Aufbau können die einzelnen Elemente unabhängig verändert werden. Daneben ermöglicht eine separat eingefügte Sekundärluftverteilung die Variation von Größe, Anzahl und Anordnung der Sekundärluftdüsen. Das Projekt widmet sich dem Verbrennungskonzept, während die Wärmeübertragung je nach Anwendung ausgeführt wird. Für die Versuche kommt eine Wasserkühlung zum Einsatz, mit der Abgastemperaturen von 160 °C bis 180 °C sichergestellt und eine optimale Analyse der Abgase ermöglicht wird. Zum Vergasungsmodul und für die Sekundärluftzufuhr werden verschiedene Varianten mittels Experimenten und Berechnungen verglichen.

Da der Brennstoff und die Anzündmethode einen großen Einfluss auf die Startphase haben [2, 4, 8], werden die Befüllung und der Anzündvorgang beim neuen Verbrennungskonzept vorgegeben Abb. 4. Zuerst werden Buchenholzscheiter in den Füllschacht eingelegt, anschließend in der Verbrennungsretorte fein gespaltenes Holz eingebracht und der Füllschacht ganz gefüllt. Zum Anzünden dienen zwei wachsgetränkte Holzwollestücke, die auf das Anzündholz gelegt werden und so zu einem Anzünden von oben führen [8]. Sobald diese Anzündhilfen sicher brennen, wird die Türe geschlossen. Eine Befüllung umfasst insgesamt 10 bis 12 kg trockenes Holz unterteilt in rund 200 g feine Fichte, 1,8 kg feine Buche sowie rund 8 kg bis 10 kg Buchenscheite zu je 500 bis 900 g.

Numerische Strömungsoptimierung

Die Ausbrandqualität wird durch die Mischung zwischen Sekundärluft und brennbaren Gasen und durch das Strömungsverhalten der Nachbrennkammer beeinflusst. Die Verbrennung wird dazu als zweistufiger Prozess mit Feststoffvergasung und Gasphasenausbrand beschrieben [9, 11]. Um eine günstige Lösung zu erzielen, wurde der Einfluss der Sekundärlufteindüsung auf die Mischung und den Ausbrand der Gase auf Basis einer numerischen Strömungsoptimierung im CFD untersucht [12]. Abb. 5 zeigt die Geometrie für die Strömungsberechnung. Für die Sekundärluftzuführung wurden drei Fälle unterschieden: die Zuführung auf der Rückseite, auf der Vorderseite sowie beidseitig versetzt. Zudem wurden Anordnung, ­Anzahl und Durchmesser der Düsen variiert. Für jede Variante wurde die Strömung durch die Reynolds-Zahl sowie das Impulsverhältnis zwischen Düsen- und Grundströmung charakterisiert. Die CFD-Berechnungen zeigen ­folgende Trends [13]:

• Ein hohes Impulsverhältnis als Folge einer reduzierten Querschnittsfläche der Sekundärluftdüsen ist meist vorteilhaft für die ­Mischung und die Ausbrandqualität. Gleichzeitig nimmt jedoch der Druckverlust zu. Für die einseitige Anströmung sind wegen der Asymmetrie zudem weitere Effekte zu beachten.
• Eine Verteilung der Düsen auf beide Seiten liefert auch bei großem Gesamtquerschnitt und somit kleinem Druckverlust sehr gute Ausbrandwerte. Da die beidseitig versetzte Anordnung in allen Fällen sehr gute Ausbrandwerte liefert, wird diese Anordnung als Referenz-Variante ausgeführt.
• Unter Inkaufnahme höherer Druckverluste kann die Mischeffizienz noch verbessert werden. Dies kann bei Einsatz eines Venti­lators von Interesse sein, nicht jedoch für die Naturzug-Anwendung.

Abb. 6 zeigt die Modellierung des Verbrennungsfortschritts für die Referenz-Variante. Durch die beidseitig versetzte Eindüsung der Sekundärluft wird eine gute Vermischung über den ganzen Querschnitt erzielt, sodass vor dem Eintritt in den Wärmeübertrager über den ganzen Querschnitt niedrige CO-Gehalte erzielt werden. Demgegenüber können bei einer einseitigen Luftzuführung Strähnen unvermischter Abgase auftreten [13].

Messungen und Versuche

Abb. 1 zeigt die Versuchsanordnung im Forschungslabor. Für die Erfolgskontrolle werden folgende Messgrößen erfasst:

• Abgaszusammensetzung: O₂, CO₂, CO, VOC, CH₄, und NMVOC.
• Luftüberschuss λ (berechnet aus O₂).
• Abgasvolumenstrom.
• Zuluftvolumenströme für Primärluft 1 und 2 sowie Sekundärluft.
• Temperaturen in Abgas, Nachbrennkammer, Primärzone und im Füllschacht.
• Feuerungstechnischer Wirkungsgrad ­(berechnet).
• Gesamtstaub gravimetrisch nach VDI 2066 mit Probenahme auf Planfilter.

Für die Datenauswertung dient der Messbeginn t₀ unmittelbar nach dem Anfeuern und Schließen der Türe. Als Abbruchkriterium dient die Erreichung des ersten der zwei folgenden Kriterien: CO₂/CO < 10 oder O₂> 17 Vol.-%. Für die Mittelwertbildung der Emissionsdaten erfolgt eine Gewichtung anhand des Abgasvolumenstroms [5].

Vor der Versuchsdurchführung wurde der Einfluss des Kaminzugs für ausgewählte Konfigurationen untersucht. Dazu wurde ein realitätsnaher Betrieb mit in Funktion der Abgastemperatur ansteigendem Kaminzug [2] mit dem Betrieb bei einem konstanten Förderdruck von 12 Pa nach EN 13240 [14] verglichen. Da die Reproduzierbarkeit bei realitätsnahem Betrieb eingeschränkt ist, erfolgt die Auswertung für den Variantenvergleich bei konstantem Förderdruck.

Resultate

Um die Eignung des Verbrennungskonzepts zu prüfen und die Heizleistung schrittweise zu reduzieren wurden drei Prototypen realisiert und folgende Resultate erzielt [13]:

• Prototyp 1 erfüllt die Vorgaben an Füllmenge, Abbranddauer und Feuerungsleistung und erzielt während guter Betriebsphasen CO-Emissionen unter 100 mg/m³. Allerdings weist das Vergasungsmodul eine große Wärmekapazität auf, die eine lange Startphase mit anschließend steigender Vergasungsleistung bewirkt, sodass bei Einhaltung der maximalen Leistung von 10 kW Luftmangel eintritt oder zur Auftrechterhaltung der Ausbrandqualität die Leistung den Zielwert deutlich übersteigt.
• Prototyp 2 verfügt über konstruktive und materialtechnische Maßnahmen zur Reduktion der Wärmekapazität. Dadurch wird die Startphase auf ein Drittel verkürzt und die Vergasungsleistung wird verringert, es treten jedoch noch kurzfristige Luftmangelsituationen auf oder die Leistung steigt über den Zielwert.
• Prototyp 3 verfügt über eine reduzierte Grundfläche durch Einschränkung der Scheitlänge von 33 cm auf 25 cm. Die Vergasungsleistung wird damit auf deutlich unter 10 kW gesenkt, sodass nach einer kurzen Startphase mit CO-Emissionen von bereits unter 1000 mg/m₃ bei 13 Vol.-% O₂ ein stabiler, stationärer Abbrand ohne Luftmangel bei CO-Emissionen von unter 100 mg/m³ erreicht wird.

Abb. 7 zeigt den Verlauf eines typischen Abbrands von Prototyp 3 und Abb. 8 das zur Charakterisierung der Feuerungstechnik geeignete CO/Lambda-Diagramm [9]. Dank des stabilen Abbrandverhaltens und einer mittels Temperaturmessung gesteuerten Luftklappe kann der Holzofen nach dem Anzünden ohne manuelle Eingriffe betrieben werden. Luftmangel wird dabei vermieden.

Abb. 9 verdeutlicht, dass sämtliche Zielwerte bei einer Feuerungsleistung von 7,4 kW und einer Abbranddauer von über 5 h sicher eingehalten werden. Die ausgewiesenen Mittelwerte über den ganzen Abbrand sind dabei erheblich durch den in der Messung berücksichtigten Ausbrandbeginn bestimmt. Eine Auswertung der Emissionsdaten während des stationären Betriebs ergibt noch deutlich tiefere Werte. Abb. 10 zeigt eine Designstudie zur geplanten Umsetzung des Ofenkonzepts.

Schlussfolgerungen

Der Aufbau eines zweistufigen Holzofens mit einer durch Nachrutschen von Stückholz in eine Verbrennungsretorte betriebenen Vergasungszone und daran anschließender Nachbrennkammer wird als funktionsfähiges Konzept bestätigt.

Um eine hohe Ausbrandqualität zu erzielen, ist eine gute Vermischung zwischen Sekundärluft und brennbaren Gasen erforderlich. Die Optimierung der Sekundärlufteindüsung und der Nachbrennkammer kann durch CFD unterstützt werden.

Die CFD-Berechnungen zeigen, dass ein hohes Impulsverhältnis zwischen Lufteindüsung und Grundströmung sowie eine Erhöhung der Turbulenz vorteilhaft sind. Da beides zu erhöhtem Druckverlust führt, sind die Möglichkeiten für Naturzug begrenzt. Aus diesem Grund ist eine gleichmäßige Verteilung der Sekundärluft über den Querschnitt vorteilhaft, da damit eine gute Mischung bei geringem Druckverlust erzielt wird.

Gute Strömungsverhältnisse sind notwendig aber nicht hinreichend für eine hohe Ausbrandqualität. Für den chargenweisen Abbrand ist zudem eine kontrollierte Leistungsfreisetzung entscheidend. Anzustreben sind eine kurze Startphase sowie eine Begrenzung der Vergasungsleistung während des stationären Betriebs.

Die Erzielung einer kleinen Leistung ist eine Herausforderung für Stückholzfeuerungen im Einsatz in Gebäuden mit niedrigem Energieverbrauch. Um die Leistung zu begrenzen, sind die Grundfläche der Vergasungszone, die Primärluftmenge, der Wärmestrom aus der Flammenzone in die Vergasungszone sowie die Wärmekapazität der Vergasungszone zu limitieren.

Das Verbrennungskonzept schränkt die Verwendung der Brennstoffe auf Holzscheiter von 25 cm Länge ein und gibt ein definiertes Vorgehen zu Befüllung und Anzündvorgang vor, womit auch der Betreibereinfluss verringert wird. Als weiterer Vorteil wird durch die einfache Verbrennungsregelung sichergestellt, dass nach dem Schließen der Anzündtüre kein manueller Eingriff mehr notwendig ist.

Dank geringer Heizleistung und langer Abbranddauer eignet sich der neuartige Holzofen als komfortables Heizsystem für Häuser mit geringem Energiebedarf und dies besonders auch in Kombination mit einer Wärmepumpe oder Solaranlage.

Verdankung: Kommission für Innovation und Technologie (KTI) und Tiba AG, Bubendorf.•

Literatur

[1] Gasser, L.; Wellig, B.: Effiziente Heizsysteme mit leistungsgeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpen. Burgdorf: 18. Wärmepumpentagung, Juni 2012

[2] Nussbaumer, T.; Doberer, A.; Klippel, N.; Bühler, R.; Vock, W.: Influence of Ignition and Operation Type on Particle Emissions from Residential Wood Combustion. Valencia: 16th European Biomass Conference and Exhibition, June 2008

[3] Good, J.; Obermayr, D.; Nussbaumer, T.: Einfluss von Kaltstart und Teillast auf die Schadstoffemissionen. Zürich: ETH Zürich, 11. Holzenergie-Symposium, September 2010, 145 – 172

[4] Schön, C.; Hartmann, H.: Log wood combustion in stoves – Influence on emissions and efficiency. Milano: 20th European Biomass Conference, June 2012

[5] Nussbaumer, T.; Wagner, D.: A New Method to measure the integrated Amount of Pollutants from nonstationary Wood Combustion Processes. Advances in Thermochemical Biomass Conversion. London: Blackie Academic & Professional, 1994

[6] Nussbaumer, T.: Russ und Methan relativieren Klimaneutralität von Holz. Leinfelden-Echterdingen: DRW-Verlag Weinbrenner, Holz-Zentralblatt, 136. Jg., Nr. 44, 2010

[7] Johansson, L.; Leckner, B.; Gustavsson, L.; Cooper, D.; Tullin, C.; Potter, A.: Emission characteristics of modern and old-type residential boilers fired with wood logs and wood pellets. Biomass and Bioenergy, Vol. 25, 2003

[8] Richtig Anfeuern – Holzfeuerungen mit oberem Abbrand. Zürich: Holzenergie Schweiz, 2007

[9] Nussbaumer, T.: Combustion and Co-combustion of Biomass. Energy & Fuels, Vol. 17, No 6, 2003

[10] Der Schweizerische Bundesrat: Luftreinhalte-Verordnung vom 16. Dezember 1985, Stand am 15. Juli 2010, Artikel 814.318.142.1

[11] Baillifard, M.; Nussbaumer, T.: Strömungsoptimierung von Feuerräumen mittels CFD. Zürich: 10. Holzenergie-Symposium, 2008

[12] Reed, T. B.: Biomass Gasification: Principles and Technology. Energy Technology Review, Vol. 67. 1981: Noyes Data Corporation

[13] Odermatt, P.; Nussbaumer, T.: Holzofen mit Verbrennungsretorte und zweistufiger Verbrennung. Zürich, ETH Zürich, 12. Holzenergie-Symposium, September 2012

[14] EN 13240 Raumheizer für feste Brennstoffe – Anforderungen und Prüfungen, Deutsche Fassung EN 13240: 2001 + A2:2004. ­Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2005

ist Professor für Erneuerbare ­Energien an der Hochschule Luzern – Technik & Architektur in Horw und Inhaber des Ingenieurbüros Verenum in Zürich, https://www.verenum.ch/

Peter Odermatt ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Luzern – Technik & Architektur in Horw, https://www.hslu.ch/de-ch/technik-architektur/