Brennstoffbedarfsprognose durch Bestimmung der Brennstoffrestmenge im Stückholzheizkessel

Am Institut für Sensorik und Informationssysteme der Hochschule Karlsruhe wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem während des Verbrennungsprozesses die Menge des Restbrennstoffs, der sich noch im Brennraum befindet, bestimmt werden kann. Die Wärmemenge, die aus der verbleibenden Befüllung des Brennraumes gewonnen wird, kann also jetzt im Wärmebedarfsmanagement berücksichtigt werden. Ein möglichst genaues, vorausschauendes Management des Wärmeeinsatzes ist unumgänglich, um Teillastbetrieb von Kleinfeuerungsanlagen und den damit verbundenen erhöhten Schadstoffausstoß zu vermeiden.

Gerade in privaten Haushalten steigt die Tendenz, Holz zur Wärmegewinnung einzusetzen, weiterhin an. Holzfeuerungen können nach dem Stand der Technik bei genügend hoher Verbrennungstemperatur schadstoffarm gestaltet werden – solange die Kessel nicht in Teillast betrieben werden müssen. Um den Ausstoß von Emissionen, insbesondere Ruß und unverbrannte Kohlenwasserstoffe gering zu halten, ist es nötig, dass der Abbrand auch bei schwankendem Wärmebedarf und diskontinuierlicher Zuführung von Brennstoff stets bei optimaler Verbrennungstemperatur verläuft. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Masse des noch nicht verbrannten Brennstoffes im Brennraum zu bestimmen und somit in das Wärmebedarfsmanagement mit einzubeziehen.

Sensorisch geregelte Kleinfeuerungsanlagen sind bspw. aus der DE 10 2006 046 599 A1 der Hochschule Karlsruhe bekannt. Derartige Anlagen sind mit Sensorik zur Ermittlung z. B. der Abgastemperatur, des Gehaltes an Restsauerstoff und an nachverbrennbaren Gasen ausgestattet. Sie können durch auf den Sensorsignalen basierende Regelung der Verbrennungsluftzufuhr schadstoffarm betrieben werden. Eine weitere Senkung der Abgase durch Vermeidung des Teillastbetriebs unter Nutzung eines Wärme-Pufferspeichers (mittlerweile gesetzlich vorgeschrieben) erfordert allerdings ein möglichst genaues, vorausschauendes Management des Wärmeeinsatzes. Standardparameter wie z. B. Tageszeit und Witterung werden zur Prognostizierung des Wärmebedarfs herangezogen. Bislang war es allerdings nicht möglich, genau zu bestimmen, wie viel Brennstoff zur Deckung des erwarteten Wärmebedarfs aktuell zugeführt werden muss, da eine wichtige Größe, nämlich die Menge an noch nicht verbranntem Brennstoff im Kessel nicht messbar war.

Am Institut für Sensorik und Informationssysteme der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem während des Verbrennungsprozesses eine aktuelle Messung des Restbrennstoffs im Brennraum durchgeführt werden kann.
Dazu wird über Sensoren, die zwischen dem Gehäuse des Heizkessels und dessen Standfläche angeordnet sind, das Gewicht der Anlage bestimmt. Da die thermische Ausdehnung während des Betriebs gemeinhin mechanische Verspannungen auslöst, ist die Feuerstätte gebäudeseitig flexibel verbunden, so dass das Ergebnis der Messungen nicht verfälscht wird.
Ein Algorithmus zur Berechnung der Restbrennstoffmasse bietet mit einer Messwertauflösung von mindestens 1 kg Aufschluss über die Restbrennstoffmenge im Brennraum.
Die daraus resultierende Wärmemenge kann dann zusammen mit der Wärmebedarfsprognose zur genauen Ermittlung des aktuell zuzuführenden Brennstoffs herangezogen werden.

Bestimmung der aktuell unverbrannten Masse des Brennholzes im Stückholzheizkessel ermöglicht:

• Verbessertes Wärmebedarfsmanagement mit zuverlässiger Wärmebedarfsprognose
• Bedarfsgerechtes Nachlegen von Brennstoff
• Vermeidung von Teillastbetrieb durch Berücksichtigung der im Kessel aktuell verfügbaren Wärme

Regelungstechnische Optimierung von Holzverbrennung / Verringerung des Schadstoffausstoßes von Kleinfeuerungsanlagen.