2. Softwarefehler in der Primärluftklappensteuerung

2.1 Problemstellung

Abb.1 SHV30 Scheitholzkessel

Die amtliche Prüfung 2017 des eigenen Heizkessels ergab infolge eines inzwischen behobenen Softwarefehlers in der Primärluftklappensteuerung (Aufdatierung KWB S3.65.3 auf KWBS3.65.4, im Menü "Kundendienst" des Hauptmenüs) während der Schwelphase (0,5-3,0h nach Anfeuerung), deutlich erhöhte Kohlenmonoxid (CO) (ref.1) Konzentrationen im Rauchgas, die mit einem signifikanten Heizenergieverlust verbunden ist. Der Softwarefehler zeigt sich bei betroffenen Kesseln im vollständigen Verschluss (0%) der Primärluftklappe bei minimalem Gebläsesog (35%) (siehe: zweiter Bildschirm im Menu "Kessel" (Abb.3unten) des Menus "Betriebszustand" (Hauptmenu)), obwohl eine minimale Öffnung (10-20%) für eine ordnungsgemäße Kesselfunktion erforderlich ist. Möglicherweise besteht der Fehler auch bei anderen Kesseln, weshalb seine Auswirkungen, eine provisorische Abhilfe sowie Maßnahmen zur deutlichen Steigerung der Holzgasausbeute durch Minimalverbrennung bei Querscheit-Stufenfeuerungfeuerung beschrieben werden.

Der im Frühjahr 2009 in Betrieb genommene Kessel (Abb.1) ist insgesamt solide gebaut sowie bis auf etwa 50cm Abdichtungsschnur zwischen unterer Brennkammer und Kesselwand bisher reparaturfrei geblieben.

2.2 Heizbetrieb

Bei der Verbrennung von Buchen- (ca 70%), Nadel- (ca 20%) sowie Birken-, Pappel-, Erlen- und Obstbaumholz (insgesamt ca 10%) von jeweils 14-16% Holzfeuchte kommt es im eigenen Heizbetrieb ohne die beschriebene Drehung des Primärklappenmotors (Abb.4) anhaltend zu Teerablagerung und Glanzrußbildung mit spröden, grobschaligen Rußplättchen im Kesselraum, Ofenrohr und Kamin sowie schwärzlicher Holzasche. Im voll mit Buchenscheiten gefüllten Kesselraum kommt es zeitweise zu Schwingungen der Luftsäule (wabern) d.h. Nahezuverpuffungen sowie mehr oder weniger heftige Verpuffungen. Diese Begleitsymptome wurden bis zur Rauchgasmessung 2017 als typisch für die Holzverbrennung angesehen und deshalb längere Zeit nicht hinterfragt. Die Softwaresteuerung des Heizkessels verhält sich dabei grundsätzlich robust, hat alle im Langzeitbetrieb vorgekommenen Kesselzustände ausreguliert und sich dabei nie festgefahren.

In der Zeitfolge werden Anbrenn- (0-0,5h), Schwel- (0,5-3h), Hauptbrenn- (3-5,5h) und Ausbrennphase (5,5-6h) unterschieden.

Die Kaminkehrermessungen der Holzverbrennung im SHV30 Kessel erfolgten 2009 und 2013 in der Hauptbrennphase (ref.2). Sie erbrachten CO Werte von 0,30 und 0,41g/m3 deutlich unterhalb des 4,5g/m3 Grenzwerts. Die Bestimmung 2017 in der Schwelphase führte zu einem über 15min gemittelten Wert von 3,7g CO/m3 d.h. einer fast 10 fach höheren CO Konzentration, trotz maximaler Luftversorgung durch im Vorfeld rechts und links des Kessels von außen her mit Pressluft durchgeblasenen bzw. von innen mittels Staubsauger ausgesaugten Lufteintrittsschlitzen, Durchgängigkeit der seitlichen und unteren Luftauslassbohrungen der Kesselschutzplatten, Dichtigkeit zwischen Feuerungsraum und dem über der Kesseltür liegenden Rauchabsaugkanal sowie sauberen Lüftungsschlitzen neben der unteren Brennkammer und rußfreien Wärmetauscherrohren vor dem Absauggebläse.

Im Scheitholzofen wird eine möglichst vollständige Holzverbrennung zu Kohlendioxid (CO2 ) (ref.3) mit maximaler Wärmeentwicklung angestrebt. Im Glutbett der oberen Kesselbrennkammer entwickelt sich während der Verbrennung Holzgas, das wesentlich aus Methan (CH4) (ref.4) und Wasserstoff (H2) besteht, die sich bei Verbrennung unter Energiefreisetzung idealerweise in und Wasser (H2O) umwandeln.

Abb.2 Schwelphase: Geschlossene Primärklappe (0%) (++ durch Anklicken)

Die Glutbettverbrennung in der Schwel- und später auch in der Hauptbrennphase wird periodisch durch schrittweise Erhöhung des Gebläsesogs auf Maximalsog (100%) gesteigert, bis 180C Rauchgastemperatur (Abb.2 Messpunkte: 0:0-0:46, 6:13-7:51, 14:06-16:00 min/sec) erreicht sind, wobei Rauchgas mit hohen CO Konzentrationen (14 bis über 60g/m3, Messpunkte: 0:0-1:22, 4:21-8:39, 11:21-15:15 min/sec) bei gleichzeitig hohen Sauerstoff (O2) (12,1-17,4%) und niedrigen CO2 Werten (2,64-6,53%) als Anzeichen für geringe Holzgasverbrennung in der unteren Brennkammer entsteht. Anschließend sinkt der Gebläsesog schrittweise auf 35% (Werkseinstellung). Der Lufteintritt in die Kesselbrennkammer wird dabei durch angepasste Öffnung der Primär- und Sekundärluftklappen mit dem Ziel geregelt, stets möglichst genau 10% O2-Konzentration (Lambdasonde) im Rauchgas zu halten.

Während der Sogabsenkung steigt die Rauchgastemperatur infolge überschießender Glutbettanfachung zunächst weiter auf 195-220C. Im Glutbett der Kesselbrennkammer entsteht neben CO und CO2 haltigem Rauchgas auch CH4 und H2 haltiges Holzgas, das im Primärluftstrom sowie durch Eigenausdehnung in die untere Brennkammer bei geöffneten Sekundärklappe (100%) eintritt und im Sekundärluftstrom bei Rauchgastemperaturen zwischen 170-190C in der unteren Brennkammer zu CO2 verbrennt (Abb.2 Messpunkte: 1:45-3:04, 9:24-10:40 min/sec), was erniedrigte O2 (7,7-10.7%) bei erhöhten CO2 (7,55-9,75%) Werten erklärt.

Ab einem bestimmten Zeitpunkt ist die Primärluftklappe infolge des Softwarefehlers verschlossen, was den Weitertransport von Rauch- und Holzgas in die untere Brennkammer behindert. Die O2-Konzentration im Rauchgas erhöhen sich dabei auf 12,1-17,4%, die CO2 Werte fallen infolge O2 Mangel auf 2,64-6,53% ab. (Abb.2 Messpunkte: 4:21-8:38, 11:21-15:15 min/sec), während sich die CO Werte wegen O2 Mangel auf über 60g/m3 bei deutlich teerhaltigem Rauchgas ansteigen. Die entstandenen Kesselgase dehnen sich dabei in Eigendynamik in die untere Brennkammer aus, wo sie zusammen mit der O2 haltigen Sekundärluft ins Rauchgas abgesaugt werden. Dabei können sich explosible Gasgemische bilden mit Tendenz zum Entstehen von Luftsäulenschwingungen im Kessel und Ofenrohr sowie zu mehr oder weniger heftigen Verpuffungen.

Bei 12% O2 Konzentration im Rauchgas (Abb.2 11:21 min/sec) besteht dieses überschlagsmäßig aus 57% Sekundärluft und 43% durch Ausdehnung aus der Kesselbrennkammer in die untere Brennkammer übergetretenen Rauchgasen. Nach 12:48 min/sec besteht das Rauchgas bei 17% O2 Konzentration aus etwa 80% Sekundärluft und nur noch 20% Rauchgas. Nach einiger Zeit geht die Primärklappe wieder auf, von 17:00-18:10 min/sec kommt es zur erneuten Holzgasproduktion und dessen Verbrennung in der unteren Brennkammer, wie O2 Absenkung (8.7 und 7.7%) und CO2 Anstieg (9.02 und 9.76%) anzeigen.

Verpuffungen können unerwünschte Rußausblasung durch die Zuluftkanäle mit Ascheverschmutzung der Regelelektronik bewirken. Weiterreichende Konsequenzen der unter O2 unterschuss erfolgende Holzverbrennung können die Bildung von Teer und Glanzruß in der Kesselbrennkammer sowie Ablagerung von dickflockigem, spröden Teerruß im Ofen- und Kaminrohr (Edelstahl) sein. Die Rußflocken können beim Kehren des Kamins herunterfallen und sich unbemerktermaßen in der unter der Kehrstelle gelegenen Ofenrohreinmündung verfangen und anhäufen. Dies kann zu Rauchgasstau, Übertritt von giftigem CO haltigem Rauchgas in die Raumluft durch die nicht gasdichten Ofenrohrvermuffungen sowie zu lokaler Ofenrohrüberhitzung (Rotglut) mit Brandgefahr führen. Außerdem bedingt die bei Luftmangel überwiegend zu CO anstelle von CO2 erfolgende Holzgaserbrennung einen signifikanten Heizenergieverlust von etwa einem Drittel (ref.5), was auf etwa 5-8% Gesamtheizenergieverlust hinausläuft.

2.3 Softwarefehler & Abhilfe

Abb.3 Luft- & Gebläsewerte

Dem geschilderten Brennverhalten kann gedanklich durch Festlegung einer minimalen Primärluftmenge z.B. mit Begrenzung des Primärluftklappenverschlusses auf Werte zwischen 10-20% der maximalen Öffnung begegnet werden. Die minimale Öffnung der Primärluftklappe wird im Untermenu Lufteinstellungen (Abb.3oben) des Menus Grundeinstellungen (Hauptmenu) eingestellt. Dieses Menu erscheint nach Eingabe der Zahl 235 im Untermenu Fachmannebene (Hauptmenu). Die tatsächliche Werteübernahme für die Programmausführung wird im Menu Betriebszustand (Hauptmenu) im Untermenu Kessel überprüft (Abb.3unten).

Während die "Saugzug min: 35%" Einstellung (grüne Pfeile) für die Programmausführung übernommen wird (Abb.3unten), blieb die Primärklappeneinstellung, unabhängig vom voreingestellten Wert beim eigenen Kessel (rote Pfeile) stets bei 0% (Abb.3unten).

Abb.4 20 Grad (11%) Drehung des Primärklappenmotors

Eine provisorische Verbesserung des Kesselbrennverhaltens (Abb.4) bis zur Korrektur des Softwarefehlers bringt eine Verdrehung des Stellmotors der Primärklappe um etwa 20Grad, zweckmäßigerweise durch den Kundendienst. Nach Ausschalten des Netzschalters bei kaltem Ofen wird die linke Schutzabdeckung des Kessels abgeschraubt, die Feststellschraube des Stellmotors (Abb.4 roter Pfeil) etwas gelöst, der Motor gedreht, und die Feststellschraube wieder angezogen. Bei Anzeige von 0% Öffnung im Kesseldisplay besteht nunmehr eine Klappenöffnung von 11%, wie sie in der Abbildung sichtbar wird (weißer Pfeil).

Dadurch verbessern sich die Betriebswerte deutlich. Allerdings führt dies bei angezeigter voller Klappenöffnung (100%) zu einer um 11% verminderten Luftzufuhr . In der eigenen Erfahrung ergibt sich daraus aber keine wahrnehmbare Verschlechterung des Kesselbrennverhaltens.

2.4 Verbessertes Brennverhalten

Abb.5 Schwelphase: Primärklappe 11% offen (++ durch Anklicken)

Mit der provisorischen Offenhaltung des Primärklappenluftstroms kommt es in der Schwelphase (Abb.5) nunmehr zu einem stetigen Holzgasfluss in die untere Brennkammer. Infolge des O2 Angebots aus der dort eingesaugten Sekundärluft wird es unter geringer CO Bildung (0,051-0,531mg/m3) und bei 7,0-9,8% O2 weitgehend zu CO2 (8,21-10,27%) verbrannt. In der Mittelung über die etwa 16min Messzeit ergeben sich mit etwa 0,80g/m3 CO deutlich weniger als die 3,7g/m3 CO der amtlichen Messung von 2017. Eine nach Softwarekorrektur einstellbare Primärklappenschwelle von 20% würde mehr Schwelgas in die untere Brennkammer bringen als die mittels Primärklappenmotordrehung erreichbare Steigerung von 0% auf 11%. Eine Überhitzungsgefahr für den Heizkessel durch die teilweise Primärklappenöffnung während der Schwelphase zwischen den Glutbettanfachungen besteht beim voreingestellten Gebläsesog(min) von 35% nicht.

Ohne Softwareänderung oder Motordrehung hat der SHV30 Kessel die funktionelle Charakteristik eines Glutbettkessels mit hohen CO Abgaswerten (Abb.2) und Heizenergieverlust.

In der Hauptbrenn- und Ausbrennphase (5-6h bzw. 6-6,5h) hat der Softwarefehler geringere Auswirkungen auf die Rauchgaszusammensetzung, da die Primärluftklappe, angesichts niedrigerer Energiefreisetzung pro Zeiteinheit während den Glutbett Anfachungszyklen meist teilgeöffnet bleibt und so den Holzgastransport in die unteren Brennkammer sicherstellt. Dies erklärt die vergleichsweise geringen CO Werte bei den amtlichen Messungen 2009 und 2013 trotz bestehendem Softwarefehler.

2.5 Schlussfolgerungen

- Die minimale Offenhaltung (etwa 10-20%) der Primärluftklappe in der Schwel- und Hauptbrennphase ist von entscheidender Bedeutung für die CO Reduktion im Rauchgas sowie eine höchstmögliche Heizenengieausbeute durch maximale Holzgasbildung und Verbrennung (Abb.5). Bis zur Korrektur des Softwarefehlers empfiehlt sich die beschriebene Verdrehung des Primärklappenmotors (Abb.4).

- Der im Verlauf der ersten Stunde bei Horizontalbrand auftretende Hohlbrand im Vorderbereich der Kesselbrennkammer reduziert die Holzgasbildung deutlich. Ihm kann durch Querscheit-Stufenfeuerung entgegengewirkt werden, die bei Gebläsekonstanz, anstatt der üblichen Gebläsemodulation von selbst zur Minmalverbrennung führt.

- Die Querscheit-Stufenfeuerung verlagert das Glutzentrum von vorne weiter nach hinten in der Kesselbrennkammer, was den normalerweise beobachteten Hohlbrand verhindert.

- Bei Minmalverbrennung ensteht bereits ab etwa 15-30min nach Brennstart anhaltend Holzgas. Der Kesselbetrieb erfordert dabei, außer einer Packung der Scheite nach ca 45-60min mit dem Rechteckfeuerhaken zum besseren Kontakt des Scheitstapels mit dem Glutbett, bis zum Ausbrennen üblicherweise keine Zusatzbedienung. Auf diese Weise erreichbare CO und Feinstaubwerte bei Gebläse 60% und Primärluftklappe 10% liegen im eigenen Fall entsprechend offizieller Kaminkehrermessung vom 15.12.21 bei CO 0,1 und Feinstaub 0,02g/m3 unterhalb bzw. gleichauf mit den Anforderungen von <0,4 und <0,02g/m3 der 1.BImSchV §5 (PDF) für nach dem 31.12.2014 errichtete Anlagen, was zusätzlich durch zahlreiche eigene Testmessungen belegt wird, d.h. der SHV30 Kessel kann bei Minimalfeuerungsbetrieb auch heutigen Abgasanforderungen genügen.

2.6 Referenzen