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Projektbeispiel: Optimierung Holzfeuerung

Energieoptimierung einer Holzfeuerungsanlage

Ausgangslage

Das IEFE an der ZHAW School of Engineering hat verschiedene Komponenten einer Holzfeuerungsanlage des Typs UTSK untersucht und optimiert, um eine Gesamtwirkungsgradsteigerung der Heizung zu erreichen. Dies geschah im Rahmen eines zweijährigen KTI-Projekts und in Kooperation mit der Firma Schmid AG.

Der Wirkungsgrad wird durch mehrere Parameter beeinflusst: feuerungstechnischer Wirkungsgrad, benötigte Hilfsenergie, Verluste in der Wärmeauskopplung, Abgasreinigung und Wärmestrahlung. In den nachfolgend kurz vorgestellten Arbeitspaketen wurden bei verschiedenen Komponenten mit Hilfe numerischer Strömungssimulationen (CFD) und Feldmessungen (PIV, LDA und Wärmebildaufnahmen) die gewünschten Optimierungen erreicht.

Umsetzung und Ergebnis

Die Verbesserung des feuerungstechnischen Wirkungsgrads wurde unter anderem durch eine optimierte Geometrie des Brennraums erzielt. Mit PIV (Particle Image Velocimetry) und LDA (Laser Doppler Anemometrie) Messungen untersuchte das IEFE den Brennraum strömungstechnisch.

In vereinfachten CFD Simulationsmodellen wurden dann geometrische Verbesserungen ohne Verbrennungskinetik, jedoch auf Verbrennungstemperatur gerechnet. Die experimentellen Untersuchungen der besten Variante bestätigten die optimierte Verbrennungsqualität. Der Gesamtwirkungsgrad wurde dadurch um 0.2 % gesteigert.

Darstellung der Streamlines im optimierten Kessel der Holzfeuerung
Darstellung der Streamlines (blau: tiefe, rot: hohe Strömungsgeschwindigkeit) im optimierten Kessel der Holzfeuerung

In der Multizykloneinheit konnte mit einzelnen Optimierungen der Druckabfall der Zu- und Nachströmung gesenkt werden. Die Verbesserung wurde durch Messungen an einem Versuchsaufbau sowie durch CFD-Simulationen erreicht. Die Kombinationslösung entspricht einer Reduzierung der Ventilatorleistung um 9.6 %.

In einem weiteren Arbeitspaket untersuchte das IEFE den Wärmetauscher im Kessel. Der Warmwasserkessel ist als zentrales Element für die Wärmeübertragung vom Abgas zum Wasser bereits sehr gut erprobt und auch mittels Berechnungen optimiert. Es waren vor allem die Strömungsverhältnisse der Wasserseite des Wärmetauschers von Interesse. Durch eine gezielte Strömungsführung mit Wendeblechen konnte der Wärmeübergang positiv beeinflusst werden.

Das IEFE zeigte auf, dass die Druckverlustleistung über den Kessel sehr gering ist und in einer kompletten Anlage eine untergeordnete Rolle spielt. Die Wärmeübertragungsleistung steigt um 15 kW, was im Vergleich zur Ausgangssituation eine Wirkungsgradsteigerung von 2 % darstellt.

Bei den Gesamtanlagen wurde der Wärmeverlust vor Ort mit einer Wärmebildkamera bestimmt. Bei der Ist-Analyse konnte ein Gesamtverlust von 1 % ermittelt werden. Durch die vorgeschlagenen Optimierungen, wie zum Beispiel das korrekte Betreten der Anlage bei der Montage, wurde eine Zunahme des Gesamtwirkungsgrades um 0.09% erreicht.

Insgesamt lassen die erwähnten Massnahmen eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades um 2.3% erwarten. Je nach Ausführung der Anlage kann zusätzlich eine Senkung der Hilfsenergie um 3% erreicht werden.

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

Projektpartner:  

Mitfinanzierung:

Projektstatus: beendet

Projektdetails