Warum Verbrennungsluft für Sicherheit, Wirkungsgrad und Brennwerttechnik unverzichtbar ist
Grundlagen 4 von 30 – Luft und Sauerstoff
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Vorkenntnisse
Für dieses Kapitel empfehlen wir Ihnen folgende Grundlagen:
- ✔ Grundlagen 1 – Was ist eine Verbrennung?
- ✔ Grundlagen 2 – Brennstoffe – Die Grundlage jeder Verbrennung
- ✔ Grundlagen 3 – Erdgas – Aufbau, Eigenschaften und Bedeutung für die Verbrennung
Warum beschäftigen wir uns mit Luft?
Jede Feuerungsanlage benötigt drei Voraussetzungen für eine Verbrennung:
- einen Brennstoff,
- eine Zündenergie,
- ausreichend Sauerstoff.
Während der Brennstoff die Energie liefert, stellt die Luft den Sauerstoff bereit, der für die chemische Reaktion erforderlich ist.
Ohne Luft ist keine Verbrennung möglich.
Doch Luft ist weit mehr als nur Sauerstoff. Ihre Zusammensetzung beeinflusst den Wirkungsgrad einer Heizungsanlage, die Zusammensetzung der Abgase und letztlich auch die Messergebnisse einer Abgasmessung.
Wer später verstehen möchte, warum ein Abgasmessgerät bestimmte O₂-, CO₂- oder CO-Werte anzeigt, muss deshalb zunächst verstehen, welche Rolle die Verbrennungsluft spielt.
Verbrennungsluft bei Heizungen Was ist Luft?
Luft ist kein einzelner Stoff, sondern ein natürliches Gasgemisch.
Die Zusammensetzung trockener Luft beträgt ungefähr:
| Bestandteil | Anteil |
|---|---|
| Stickstoff (N₂) | 78,08 Vol.-% |
| Sauerstoff (O₂) | 20,95 Vol.-% |
| Argon (Ar) | 0,93 Vol.-% |
| Kohlendioxid (CO₂) | ca. 0,04 Vol.-% |
| übrige Edelgase / Spurengase | Spuren |
Für die Verbrennung wird hauptsächlich der Sauerstoff benötigt.
Die übrigen Bestandteile begleiten den Verbrennungsprozess und beeinflussen unter anderem Temperatur, Abgasmenge und Wirkungsgrad.
Die Aufgabe des Sauerstoffs bei
Verbrennungsluft bei Heizungen.
Sauerstoff ist der eigentliche Reaktionspartner des Brennstoffs.
Während der Verbrennung verbindet sich der Sauerstoff mit den Bestandteilen des Erdgases.
Der Kohlenstoff (C) reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO₂).
Der Wasserstoff (H) reagiert ebenfalls mit Sauerstoff. Dabei entsteht Wasser (H₂O), das bei den hohen Temperaturen innerhalb der Feuerungsanlage zunächst als Wasserdampf vorliegt.
Die dabei frei werdende Energie wird als Wärme genutzt.
Bei einer vollständigen Verbrennung entstehen daher hauptsächlich:
- Kohlendioxid (CO₂),
- Wasserdampf (H₂O),
- Wärme.
Dieser zunächst einfach erscheinende Zusammenhang ist für das Verständnis der Heizungs- und Abgastechnik von großer Bedeutung.
Warum ist Wasserdampf so wichtig?
Der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf ist keineswegs ein unbedeutendes Nebenprodukt. In ihm steckt ein Energiepotenzial, das bei konventionellen Heizgeräten nicht genutzt wird.
Bei Erdgas liegt der Brennwert (Hₛ) typischerweise etwa 10 bis 11 % über dem Heizwert (Hᵢ). Der Unterschied entsteht im Wesentlichen dadurch, dass beim Brennwert zusätzlich die Wärme berücksichtigt wird, die bei der Kondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs nutzbar wird.
Bei älteren Heizkesseln bleibt der Wasserdampf gasförmig und verlässt die Feuerungsanlage mit dem Abgas über den Schornstein. Die darin enthaltene Kondensationswärme wird nicht zurückgewonnen.
Genau hier liegt der wesentliche Unterschied zwischen Heizwert (Hᵢ) und Brennwert (Hₛ):
- Heizwert Hᵢ: Die bei der Kondensation des Wasserdampfs frei werdende Wärme wird nicht berücksichtigt.
- Brennwert Hₛ: Auch dieser zusätzliche Energieanteil wird berücksichtigt.
Moderne Brennwertgeräte kühlen die Abgase so weit ab, dass ein Teil des bei der Verbrennung entstandenen Wasserdampfs kondensiert. Dabei wird Kondensationswärme frei und zusätzlich an das Heizungswasser übertragen.
Bei Erdgas sprechen wir dabei nicht über einen unbedeutenden Rest: Der Unterschied zwischen Heizwert und Brennwert liegt in einer Größenordnung von rund 10 bis 11 %.
Gerade diese zusätzliche Nutzung der im Wasserdampf enthaltenen Energie ist eines der wesentlichen Prinzipien der Brennwerttechnik.
Welche Rolle spielt Stickstoff in der
Verbrennungsluft bei Heizungen:
Mit rund 78 Vol.-% ist Stickstoff der Hauptbestandteil unserer Luft.
An der eigentlichen Verbrennung beteiligt er sich unter normalen Bedingungen nur in geringem Umfang. Er wird gemeinsam mit der Verbrennungsluft angesaugt, in der Flamme erwärmt und anschließend mit den Abgasen über die Abgasanlage abgeführt.
Dennoch beeinflusst Stickstoff die Verbrennung.
Da auch er erwärmt wird, nimmt er einen Teil der erzeugten Wärme auf. Diese Wärme kann anschließend mit dem Abgas die Feuerungsanlage verlassen und beeinflusst damit den Abgasverlust.
Bei hohen Verbrennungstemperaturen können zudem Stickstoff und Sauerstoff miteinander reagieren. Dabei können Stickoxide entstehen, die unter der Bezeichnung NOₓ zusammengefasst werden.
Die Entstehung und Messung von NO und NO₂ behandeln wir später in der CheckWerk Akademie ausführlicher.
Ausreichend Verbrennungsluft ist lebenswichtig
Eine Feuerungsanlage benötigt jederzeit ausreichend Verbrennungsluft.
Fehlt Sauerstoff, kann die Verbrennung unvollständig werden. Dadurch können unter anderem erhöhte Kohlenmonoxidkonzentrationen entstehen.
Kohlenmonoxid (CO) ist besonders gefährlich, weil es:
- farblos,
- geruchlos,
- geschmacklos
- und hochgiftig ist.
Der Mensch kann Kohlenmonoxid mit seinen Sinnen nicht zuverlässig wahrnehmen.
Gelangt CO in die Atemluft, wird es über die Lunge aufgenommen und bindet sich wesentlich stärker an den roten Blutfarbstoff Hämoglobin als Sauerstoff. Dadurch wird der Sauerstofftransport im Körper erheblich beeinträchtigt.
Eine CO-Vergiftung kann unter anderem Kopfschmerzen, Schwindel, Übelkeit und Bewusstseinsstörungen verursachen. Bei entsprechend hoher Konzentration und Expositionsdauer besteht akute Lebensgefahr.
Deshalb besitzt die sichere Versorgung einer Feuerungsanlage mit Verbrennungsluft oberste Priorität.
Moderne Gebäude stellen neue Anforderungen
Früher gelangte Verbrennungsluft häufig durch Undichtigkeiten an Fenstern, Türen und anderen Bauteilen in das Gebäude.
Die Bauweise moderner Gebäude hat sich grundlegend verändert.
Moderne Fenster, Wärmedämmverbundsysteme und luftdichte Gebäudehüllen reduzieren den unkontrollierten Luftaustausch erheblich.
Das ist aus energetischer Sicht gewollt, verändert aber gleichzeitig die Bedingungen für Feuerungsanlagen.
Insbesondere raumluftabhängige Feuerstätten benötigen eine dauerhaft ausreichende Versorgung mit Verbrennungsluft.
Bereits bei der Planung und Installation einer Feuerungsanlage muss deshalb berücksichtigt werden, wie die erforderliche Verbrennungsluft bereitgestellt wird.
Je nach Anlage und baulicher Situation können hierzu beispielsweise gehören:
- Verbrennungsluftöffnungen,
- ein geeigneter Verbrennungsluftverbund zwischen Räumen,
- oder eine vom Aufstellraum unabhängige Verbrennungsluftversorgung.
Die Anforderungen an die Verbrennungsluftversorgung sind unter anderem Bestandteil der Technischen Regel für Gasinstallationen (DVGW G 600 – TRGI) sowie der jeweiligen Feuerungsverordnung des Bundeslandes.
Die sichere Abgasführung und die Voraussetzungen für den Betrieb einer Feuerstätte spielen außerdem bei der Beurteilung durch das Schornsteinfegerhandwerk eine wichtige Rolle.
Für den SHK-Fachbetrieb bedeutet dies:
Die Verbrennungsluftversorgung muss sowohl bei einer Neuinstallation als auch bei Wartungs- und Servicearbeiten im Blick behalten werden.
Eine Anlage, die technisch einwandfrei eingestellt ist, kann nur dann sicher betrieben werden, wenn auch die Bedingungen ihrer Umgebung stimmen.
Moderne Lösung: Raumluftunabhängige Feuerungsanlagen und LAS-Systeme
Eine wichtige technische Entwicklung als Reaktion auf zunehmend luftdichte Gebäude sind raumluftunabhängig betriebene Feuerstätten.
Die benötigte Verbrennungsluft wird dabei nicht aus dem Aufstellraum entnommen, sondern von außen zur Feuerstätte geführt.
Bei modernen Gas-Brennwertgeräten erfolgt dies häufig über ein Luft-Abgas-System (LAS).
Bei einem konzentrischen System werden beispielsweise:
- die Abgase über das innere Rohr abgeführt,
- während die Verbrennungsluft über den Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr zur Feuerstätte geführt wird.
Daneben existieren weitere zugelassene Luft-Abgas-Führungen.
Der entscheidende Unterschied zur raumluftabhängigen Betriebsweise besteht darin, dass die Feuerstätte ihre Verbrennungsluft nicht aus dem Aufstellraum beziehen muss.
Gerade in modernen, luftdichten Gebäuden ist dies von großer Bedeutung.
💬 Aus der Praxis
Während meiner Tätigkeit als SHK-Meister hat sich die Bauweise von Wohngebäuden grundlegend verändert.
Früher waren Undichtigkeiten an Fenstern und Türen selbstverständlich. Heute werden Gebäude möglichst luftdicht errichtet.
Deshalb gehört für mich bei jeder Neuinstallation und jeder Wartung nicht nur die Heizungsanlage selbst in den Fokus, sondern immer auch die Frage:
Ist die Verbrennungsluftversorgung dauerhaft sichergestellt?
Gerade bei älteren raumluftabhängigen Feuerstätten darf die Umgebung der Anlage nicht vergessen werden.
Ein Fenstertausch, eine energetische Sanierung oder bauliche Veränderungen können die Bedingungen verändern, unter denen eine Feuerstätte ursprünglich errichtet und betrieben wurde.
Ebenso wichtig ist der Arbeitsschutz.
Nach dem Arbeitsschutzgesetz muss der Arbeitgeber die mit der Tätigkeit verbundenen Gefährdungen beurteilen und daraus erforderliche Schutzmaßnahmen ableiten.
👉 Meister-Tipp
In meinem Betrieb gehört ein persönlicher CO-Warner zur Grundausstattung jedes Kundendiensttechnikers.
Er ersetzt weder eine fachgerechte Arbeitsweise noch die erforderlichen Prüfungen oder eine professionelle Abgasmessung.
Er kann den Techniker jedoch frühzeitig auf eine gefährliche CO-Konzentration in seiner Umgebung aufmerksam machen.
Bei einem Gas, das der Mensch weder sehen noch riechen kann, kann eine solche zusätzliche Warnung im Ernstfall lebenswichtig sein.
💡 Praxis mit CheckWerk
Arbeitsschutz endet nicht mit der Erstellung einer Gefährdungsbeurteilung.
Entscheidend ist, dass die für eine Tätigkeit relevanten Informationen dem Servicetechniker auch dort zur Verfügung stehen, wo die Arbeit ausgeführt wird.
In CheckWerk können zu den digitale Checklisten und Wartungslisten einfach zu den Geräte- und Anlagendaten auch Gefährdungsbeurteilungen, Betriebsanweisungen und weitere sicherheitsrelevante Unterlagen hinterlegt werden.
Der Techniker kann diese Informationen direkt an der jeweiligen Anlage aufrufen und vor oder während der Wartung berücksichtigen.
Technische Anlagendaten, Wartungsdokumentation und arbeitsschutzrelevante Informationen bleiben damit an einer Stelle nachvollziehbar zusammengeführt.
Gerade bei Arbeiten an Feuerungsanlagen kann dies helfen, Gefährdungen wie Kohlenmonoxid bereits vor Beginn der Arbeiten stärker ins Bewusstsein zu rücken.
Warum ist dieses Wissen für die Abgasmessung wichtig?
Die Qualität der Verbrennung hängt unmittelbar von der verfügbaren Verbrennungsluft ab.
Zu wenig Luft kann zu einer unvollständigen Verbrennung und erhöhten CO-Werten führen.
Zu viel Luft ist ebenfalls unerwünscht. Überschüssige Luft muss mit erwärmt werden und verlässt die Feuerungsanlage anschließend wieder mit dem Abgas. Dadurch können die Abgasverluste steigen und die Effizienz sinken.
Die richtige Luftmenge bildet daher eine wesentliche Grundlage für:
- eine möglichst vollständige Verbrennung,
- geringe Emissionen,
- einen hohen Wirkungsgrad,
- sichere Betriebsbedingungen
- und aussagekräftige Messergebnisse.
Doch wie viel Luft benötigt eine Verbrennung tatsächlich?
Genau diese Frage führt uns zum nächsten Kapitel.
Zusammenfassung
Verbrennungsluft liefert den Sauerstoff, ohne den keine Verbrennung stattfinden kann.
Während einer vollständigen Verbrennung reagiert Sauerstoff mit den Bestandteilen des Brennstoffs. Bei der Verbrennung von Erdgas entstehen dabei insbesondere Kohlendioxid, Wasserdampf und Wärme.
Der Wasserdampf ist zugleich für das Verständnis von Heizwert und Brennwert von entscheidender Bedeutung. Moderne Brennwertgeräte nutzen zusätzlich die bei der Kondensation des Wasserdampfs frei werdende Wärme.
Die Verbrennungsluft beeinflusst jedoch nicht nur die Effizienz.
Eine dauerhaft ausreichende Verbrennungsluftversorgung ist eine grundlegende Voraussetzung für den sicheren Betrieb einer Feuerstätte. Dies gewinnt insbesondere durch die zunehmend luftdichte Bauweise moderner und sanierter Gebäude an Bedeutung.
Verbrennungsluftöffnungen, Verbrennungsluftverbund sowie raumluftunabhängige Feuerstätten und Luft-Abgas-Systeme sind unterschiedliche technische Antworten auf diese Anforderungen.
Für den SHK-Fachbetrieb bedeutet dies:
Bei Planung, Installation und Wartung einer Feuerungsanlage müssen Brennstoff, Verbrennungsluft und sichere Abgasführung immer gemeinsam betrachtet werden.
Das erwartet Sie im nächsten Kapitel
Grundlagen 5 von 30 – Das ideale Gas-Luft-Gemisch
Im nächsten Kapitel beschäftigen wir uns mit der Frage, wie viel Luft eine Verbrennung tatsächlich benötigt.
Sie erfahren unter anderem:
- was unter einer stöchiometrischen Verbrennung verstanden wird,
- wie viel Luft für die vollständige Verbrennung von Erdgas benötigt wird,
- warum reale Feuerungsanlagen mit Luftüberschuss arbeiten,
- was der Lambda-Wert (λ) bedeutet,
- wie O₂ und CO₂ miteinander zusammenhängen,
- und warum ein falsches Gas-Luft-Verhältnis zu erhöhten CO-Werten führen kann.
Damit nähern wir uns Schritt für Schritt den Messwerten, die später auf dem Display eines Abgasmessgerätes erscheinen.
Quellen und weiterführende Regelwerke
- DVGW Arbeitsblatt G 600 (TRGI) – Technische Regel für Gasinstallationen; insbesondere Anforderungen an Aufstellung, Verbrennungsluftversorgung und Betrieb von Gasgeräten.
- Feuerungsverordnungen (FeuVO) der Bundesländer – Anforderungen an Aufstellung von Feuerstätten, Verbrennungsluftversorgung und Abgasanlagen.
- DIN EN 15502 – Heizkessel für gasförmige Brennstoffe.
- DIN EN 16798 – Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden.
- Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG), insbesondere §§ 5 und 6 – Beurteilung der Arbeitsbedingungen und Dokumentation.
- DGUV Vorschrift 1 – Grundsätze der Prävention.
- DGUV Information 213-056 – Gaswarneinrichtungen für den Explosionsschutz – Einsatz und Betrieb.
- Fachkunde Sanitär-, Heizungs- und Klimatechnik, Verlag Europa-Lehrmittel – Grundlagen der Verbrennungs- und Feuerungstechnik.
