13. Der Anwendungsbereich der Normen

13.1. EN 13384-1

Die EN 13384-1 ist die Norm für die feuerungstechnische Berechnung von Abgasanlagen mit einer Feuerstätte. Sie gilt für Abgasanlagen und Verbindungsstücke aller Art, für Feuerungen mit festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen, für alle Wärmeleistungen. Sie gilt sowohl für Unterdruck- als auch für Überdruckanlagen in feuchter und trockener Betriebsweise. Sie gilt für Abgasanlagen von Feuerstätten mit Brennstoffen, deren Abgaskennwerte, die für die Berechnung benötigt werden, bekannt sind.

Das in der Abgasanlage nach oben strömende Abgas hat eine höhere Temperatur als die Außenluft. Dadurch entsteht in der Abgasanlage ein Auftrieb, der Ruhedruck PH. Andererseits entsteht durch Reibung und eventuell vorhandene Formwiderstände (Verzug, Schleifung) ein Druckverlust, der Widerstandsdruck PR, der den Ruhedruck teilweise oder sogar ganz aufzehren kann. Die Differenz zwischen Ruhedruck PH und Widerstandsdruck PR und dem Winddruck PL an der Mündung ist der netto übrig bleibende Zug der Abgasanlage, der tatsächliche Unterdruck an der Abgaseinführung in die Abgasanlage PZ :

 PZ = PH – PR – PL.

Betrachtet man den Strömungsweg bis zur Abgaseinführung (Zuluft, Feuerstätte, Verbindungsstück), so treten hier verschiedene Druckverluste auf:

 

PFV der notwendige Förderdruck für das Verbindungsstück,

PW der notwendige Förderdruck für die Feuerstätte,

PB der notwendige Förderdruck für die Zuluft.

 

Die Summe aller Druckverluste (notwendigen Föderdrücke) ist der an der Abgaseinführung in die Abgasanlage erforderliche Unterdruck PZe.

PZe = PFV + PW + PB

In EN 13384-1 (Einfachbelegung) wird nun einfach der tatsächliche Unterdruck an der Abgaseinführung PZ (Ist-Wert) verglichen mit dem an dieser Stelle erforderlichen Unterdruck PZe (Soll-Wert). Die Druckbedingung ist erfüllt, wenn der tatsächliche Unterdruck PZ an der Abgaseinführung in die Abgasanlage mindestens so groß ist wie die Summe der Verluste PZe von Verbindungsstück, Feuerstätte und Zuluft.

 

Es ist insgesamt nur eine Druckbedingung zu überprüfen. Der von der Abgasanlage erzeugte tatsächliche Unterdruck an der Abgaseinführung in die Abgasanlage muss mindestens so groß sein wie der notwendige Unterdruck an dieser Stelle: 

PZ ≥ PZe

Obere Innenwandtemperatur Tiob

Das in der Abgasanlage nach oben strömende Abgas kühlt sich wegen der Wärmeverluste durch die Wange kontinuierlich ab. Die Temperatur beim Austritt aus der Abgasanlage ist das Tob. Der Index b bezeichnet den Zustand der Temperaturbeharrung.

Die Temperaturen für die Temperaturbedingung werden stets für den Zustand der Temperaturbeharrung durchgeführt, das heißt für den angenommenen Fall, dass in der Abgasanlage keine Temperaturschwankungen durch Ein- und Ausschalten / Takten der angeschlossenen Feuerstätten auftreten. Aus der Temperatur des Abgases an der Mündung Tob und der Temperatur der Umgebungsluft an der Mündung Tuo ergibt sich die obere Innenwandtemperatur Tiob.

Die obere Innenwandtemperatur Tiob ist also die Ist-Größe, die mit einer Soll-Größe Tg (Grenztemperatur) verglichen wird. Allgemein formuliert lautet die Temperaturbedingung der EN 13384, dass die obere Innenwandtemperatur nicht unter der Grenztemperatur liegen darf:

Tiob ≥ Tg und Tirb ≥ Tg.

Die neue Temperaturbedingung Tirb ≥ Tg ist zu überprüfen, wenn die herkömmliche Temperaturbedingung nur mit zusätzlicher Wärmedämmung des Schornsteinkopfes eingehalten werden kann. Welches die Soll-Größe Tg ist, hängt davon ab, ob die Abgasanlage in feuchter oder trockener Betriebsweise ausgeführt bzw. eine druckdichte Abgasleitung ist.

Es soll vermieden werden, dass die Abgasanlage feucht wird, also Wasser kondensiert. Daher ist die Soll-Größe Tg der Wasserdampftaupunkt Tp. Die Temperaturbedingung ist erfüllt, wenn die obere Innenwandtemperatur nicht unter der Taupunkttemperatur liegt:

Tiob ≥ Tsp.

Hier spielt es keine Rolle, ob die Abgasanlage feucht wird oder nicht. Es wird entsprechend überhaupt nicht geprüft, ob die Taupunkttemperatur unterschritten wird. Die Temperaturbedingung für feuchteunempfindliche Abgasanlagen macht also keine Aussage darüber, ob in der Abgasanlage Wasser kondensiert. Statt dessen soll vermieden werden, dass sich Eis an der Mündung bildet. Daher ist die Soll-Größe Tg der Gefrierpunkt des Wassers 0 °C. Die Temperaturbedingung ist erfüllt, wenn die obere Innenwandtemperatur nicht unter dem Gefrierpunkt liegt:

Tiob ≥ 0 °C (273,15 K).

13.2. EN 13384-2 Mehrfach belegte Abgasanlagen

Die EN 13384-2 ist die Norm für die feuerungstechnische Berechnung von mehrfach belegten, planmäßig mit Unterdruck betriebenen Abgasanlagen und Abgasleitungen sowie für Feuerstätten für feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe. Sie gilt für Abgasanlagen ebenso wie für Abgasleitungen. Dieser Normteil umfasst

a)     Abgasanlagen, in die mehrere Verbindungsstücke von einzelnen oder mehreren Feuerstätten in Mehrfachanordnung münden, und

b)     Abgasanlagen, in die ein bestimmtes Verbindungsstück mündet, das mehrere Feuerstätten in Kaskadenschaltung verbindet.

Der Fall von Mehrfachanschlüssen von Kaskadenschaltungen ist durch a) abgedeckt.

13.2.1. Einschränkungen des Anwendungsbereichs für EN 13384-2

Die Norm EN 13384-2 gilt nicht für Abgasanlagen mit Mehrfachanschlüssen aus mehr als 5 Geschossen (gilt nicht für Luft-Abgasanlagen). Wenn nämlich bei einer Mehrfachbelegung eine oder mehrere Feuerstätten über dem 5. Vollgeschoß aufgestellt sind, können durch Windanströmung des (hohen) Gebäudes Druckdifferenzen zwischen den Aufstellräumen der Feuerstätten auftreten, die mit den Mitteln der EN 13384-2 nicht berechenbar sind.

EN 13384-2 gilt nicht für Abgasanlagen für offene Feuerstätten, z. B. offene Kamine oder Abgaseinleitungen in die Abgasanlage, die bestimmungsgemäß offen im Raum betrieben werden. Hierfür ist weiterhin die EN 13384-1 zuständig. Für Hausschornsteine regelt DIN 18160, welche Feuerstätten an einer eigenen Abgasanlage anzuschließen sind.

EN 13384-2 gilt nicht für Abgasanlagen, an denen Feuerstätten aus einem Gemisch aus Abgasen von ventilatorunterstützten Überdruckbrennern oder Naturzugkesseln angeschlossen sind.

EN 13384-2 gilt nicht für raumluftunabhängige Feuerstätten, die ihre Verbrennungsluft durch Zuluftöffnungen oder dichte Leitungen (Zuluftkanäle) vom Freien beziehen, falls nicht alle diese Feuerstätten im gleichen Raum aufgestellt sind.

13.2.2. Druckbedingung nach EN 13384-2 (Mehrfachbelegung)

Der einfache Vergleich funktioniert nicht mehr, wenn mehrere Feuerstätten an der Abgasanlage angeschlossen sind, die sich untereinander beeinflussen. Physikalisch gesehen stellt sich nämlich in der Abgasanlage ein Unterdruck-Gleichgewicht ein, das heißt, dass an jeder Abgaseinführung der tatsächliche Unterdruck PZ dem an dieser Stelle erforderlichen Unterdruck PZe genau gleich ist. Rechnerisch wird dieser Gleichgewichtszustand durch wiederholte (iterative) Berechnung ebenfalls hergestellt:

Der Abgasmassenstrom jeder Feuerstätte wird so lange verändert, bis an jeder

Abgaseinführung Druckgleichgewicht PZ = PZe (also Gleichheit!) herrscht. Für jede Feuerstätte ist eine Druckbedingung zu überprüfen. Zunächst ist rechnerisch in der Abgasanlage das Druckgleichgewicht herzustellen: Das ist der Fall, wenn der von der Abgasanlage erzeugte tatsächliche Unterdruck an jeder Abgaseinführung gleich ist dem notwendigen Förderdruck an dieser Stelle:

PZ = PZe .

Der tatsächliche Abgasmassenstrom für jede Feuerstätte mWc ist entsprechend seiner Kennlinie so zu variieren, dass diese Bedingungen zutreffen. Dann lautet die Druckbedingung:

Für jede Feuerstätte muss der im Gleichgewicht sich einstellende errechnete (tatsächliche) Abgasmassenstrom mWc mindestens so groß sein wie der Nennmassenstrom mW :

mWc ≥ mW .

In EN 13384-2 haben wir es also nicht mehr wie in EN 13384-1 mit demvereinfachten Fall zu tun, dass der Abgasmassenstrom einen konstanten Wert mW hat. Vielmehr pendelt sich der errechnete (tatsächliche) Abgasmassenstrom mWc auf einen Wert ein, der mehr oder weniger von dem planmäßigen Wert mW abweicht: Je höher der Zug im der Abgasanlage, desto größer ist mWc, und umgekehrt. DieDruckbedingung für eine Feuerstätte ist dann erfüllt, wenn der sich einpendelnde Abgasmassenstrom mWc nicht unter dem (vom Hersteller angegebenen) planmäßigen Massenstrom mW liegt. Wie der tatsächliche Abgasmassenstrom variiert, ist durch die Kennlinie für den notwendigen Förderdruck PW angegeben.

Bei drei Feuerstätten sind für die Druckbedingung der EN 13384-2 (Mehrfachbelegung) also die folgenden drei Bedingungen zu überprüfen:

Für Wärmeerzeuger 1: mWc,1 ≥ mW,1

Für Wärmeerzeuger 2: mWc,2 ≥ mW,2

Für Wärmeerzeuger 3: mWc,3 ≥ mW,3

wobei mW,1, mW,2, mW,3 die (vom Hersteller angegebenen) planmäßigen Abgasmassenströme sind und mWc,1, mWc,2, mWc,3 die errechneten (tatsächlichen) Abgasmassenströme der einzelnen Feuerstätten, die sich aus den Kennlinien ergeben, wenn sich die Abgasanlage im Druckgleichgewicht befindet. Das ist aber noch nicht alles! Die genannte Druckbedingung gilt nämlich nur für einen bestimmten Betriebszustand der Abgasanlage, zum Beispiel für den Fall, dass alle drei Feuerstätten gleichzeitig mit Volllast in Betrieb sind. Es können aber noch andere Fälle auftreten: Einige oder alle Feuerstätten sind nur mit Teillast in Betrieb, oder einige Feuerstätten sind gar nicht in Betrieb. In allen denkbaren Betriebszuständen soll die Abgasanlage ja, was den ausreichenden Unterdruck betrifft, funktionieren. Daher wird nach EN 13384-2 geprüft, ob die Druckbedingungen für jede Feuerstätte für jeden nur möglichen Betriebszustand erfüllt sind:

Druckbedingung a) Alle Feuerstätten sind gleichzeitig mit Volllast in Betrieb.

Druckbedingung b) Alle Feuerstätten sind gleichzeitig mit Teillast in Betrieb.

Druckbedingung c) Nur eine Feuerstätte ist mit Volllast in Betrieb, alle anderen sind außer Betrieb.

Druckbedingung d) Nur eine Feuerstätte ist mit Teillast in Betrieb, alle anderen sind außer Betrieb.

Die Druckbedingungen c und d gelten für den Fall, dass nur eine Feuerstätte in Betrieb ist und alle anderen außer Betrieb sind. Die Ergebnisse müssen für alle möglichen Fälle (nur Feuerstätte 1 in Betrieb, nur Feuerstätte 2 in Betrieb, nur Feuerstätte 3 in Betrieb, usw.) durchgerechnet werden.

Die Temperaturbedingung der EN 13384-2 (Mehrfachbelegung) ist ganz ähnlich, für Abgasanlagen in feuchter Betriebsweise sogar identisch mit derjenigen der EN 13384-1 (Einfachbelegung). Bei mehrfach belegten Abgasanlagen ist im Gegensatz zu einfach belegten Abgasanlagen jedoch zu beachten, dass ja an jeder Abgaseinführung neues Abgas zugemischt wird und dadurch das in der Abgasanlage heraufströmende Abgas durch Mischung wieder erwärmt wird. Daher reicht es bei Abgasanlagen in trockener Betriebsweise nicht aus, die Temperaturen nur an der Mündung zu prüfen. Vielmehr ist für jeden Abgasanlagenabschnitt eine Temperaturbedingung zu überprüfen:

Für jeden Abgasanlagenabschnitt ist die folgende Bedingung einzuhalten: Die Temperaturbedingung für einen Abgasanlagenabschnitt ist erfüllt, wenn die obere Innenwandtemperatur Tiob am Ende des Abschnitts (also unmittelbar vor der nächsten Abgaseinführung oder an der Mündung) nicht unter der Taupunkttemperatur liegt:

Tiob ≥ Tsp

Wie im Falle der Temperaturbedingung der EN 13384-1 (Einfachbelegung) soll geprüft werden, ob die Mündung vereist. Daher ist auch hier die Soll-Größe Tg der Gefrierpunkt des Wassers 0 °C. Die Temperaturbedingung ist erfüllt, wenn die obere Innenwandtemperatur nicht unter dem Gefrierpunkt liegt:

Tiob ≥ 0 °C (273,15 K).

Es ist bekannt, dass die Temperaturbedingung der EN 13384 (dies betrifft EN 13384-1 und EN 13384-2 gleichermaßen) für Abgasanlagen für niedrige Temperaturen (Abgasleitungen und FU-Abgasanlagen) nicht praxisgerecht ist. Die nach EN 13384 rechnerisch ermittelte obere Innenwandtemperatur Tiob liegt in vielen Fällen unter dem Gefrierpunkt, obwohl in der Praxis selbst bei sehr niedrigen Umgebungslufttemperaturen keine Vereisung der Mündung zu beobachten ist.

Ursache für diese Differenz zwischen Theorie und Praxis ist, dass EN 13384 eine Reihe von Faktoren, die für die Eisbildung von Bedeutung sind, nicht berücksichtigt. Hier seien einige genannt:

Bei der Berechnung der oberen Innenwandtemperatur nach EN 13384 wird nicht berücksichtigt, dass durch  Kondensation in der Abgasleitung oder in der FU-Abgasanlage Kondensationswärme frei wird, die die Abkühlung des Abgases verringert und damit die obere Innenwandtemperatur erhöht.

Da das Wasser im Abgas bei Brennwertgeräten weitgehend auskondensiert wird (wenn der Brennwerteffekt genutzt wird) und diese Kondensation in der Abgasleitung sich fortsetzt, ist das Abgas an der Mündung trockener, als in EN 13384 angenommen. Es kann sich dann kein Eis bilden, weil das dafür erforderliche Wasser bereits auskondensiert und abgelaufen ist.

Komplexe Strömungsvorgänge an der Mündung, welche die Eisbildung anders ablaufen lassen als bei in Ruhe befindlichen Systemen, werden von EN 13384 nicht berücksichtigt (zur Veranschaulichung: Strömende Gewässer frieren nicht so schnell zu wie stehende). Statt Eisbildung kann es auch zur Bildung von Schnee kommen, der dann zur Mündung hinausgeblasen wird, statt sich an der Mündung festzusetzen.

Nachdem sich eine erste Eis- oder Reifschicht gebildet hat, vermindert diese die Wärmeleitfähigkeit an der Mündung. Die Eisbildung schreitet nach innen nicht weiter fort, weil die Temperatur an der inneren Oberfläche der Eis- bzw. Reifschicht etwa um den Gefrierpunkt 0 °C oder geringfügig darüber liegt, obwohl die obere Innenwandtemperatur der Abgasleitung selbst erheblich unter dem Gefrierpunkt liegt.

Der Schacht und der Schachtkopf werden durch das Gebäude erwärmt und geben Wärmestrahlung an die  Abgasleitungsmündung ab. Diese Wärmestrahlung wird von EN 13384 nicht berücksichtigt und trägt dazu bei, dass die obere Innenwandtemperatur der Abgasleitung in der Praxis über dem rechnerischen Wert nach EN 13384 liegt.

Bei größeren Ringspaltquerschnitten durchströmt die von der Mündung angesaugte Luft den Ringspaltquerschnitt nicht gleichmäßig. Es strömt kalte Luft nach unten, gleichzeitig aber auch warme Luft nach oben, insbesondere dann, wenn der Schacht nicht ganz dicht ist (Reinigungsverschlüsse). Diese warme Luft umspült die Mündung der  Abgasleitung und erhöht dadurch die obere Innenwandtemperatur über den rechnerischen Wert.

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