Schornsteine und Abgasleitungen

Für die Beheizung von Gebäuden ist es notwendig, dass im Wärmeerzeuger ein kontinuierlicher Verbrennungsprozess ablaufen kann. Dafür ist nicht nur eine ausreichende Versorgung mit Brennstoffen erforderlich, sondern auch eine ebenso kontinuierliche Abführung von Abgasen und anderen Verbrennungsprodukten (Schwebstoffe, Wasserdampf).

Abhängig von den Ursachen für den Auftrieb im Schornstein werden Wärmeerzeuger (im Zusammenhang mit Schornsteinen auch als Feuerstätten bezeichnet) in Naturzug- und Überdrucksysteme unterschieden.

Bei Naturzugsystemen wird durch den natürlichen Auftrieb der warmen Rauchgase im (ebenfalls warmen) Schornstein der notwendige Druckverlust erzeugt, durch den der heizgasseitige Widerstand im Kessel überwunden wird. Im Feuerungsraum entsteht dadurch zwangsläufig ein Unterdruck (Zug). Bei kleineren Undichtigkeiten des Kessels tritt daher bei diesem Typ kein Abgas in den Heizraum aus, sondern es wird „nur“ zusätzliche Luft (sog. Falschluft) angesaugt. Dadurch steigt der Abgasanteil im Feuerungsraum, es werden in größerem Maße Schadstoffe emittiert und die Energieausbeute sinkt. Der Druckverlust (auch Zugbedarf pz genannt) eines Naturzugkessels ist eine gerätespezifische Größe, die vom Hersteller des Wärmeerzeugers angegeben werden muss.

Im Unterschied dazu wird bei Überdrucksystemen der rauchgasseitige Widerstand im Kessel durch ein Gebläse überwunden. Die höhere Geschwindigkeit der Heizgase im Kessel hat eine bessere Wärmeübertragung zur Folge und die Kessel können wegen der höheren spezifischen Heizflächenbelastung kleinere Abmessungen haben. Weil sie vom Schornsteinzug unabhängig sind, lassen sich bei Überdruckkesseln verbrennungstechnisch bessere Werte erzielen. Allerdings sind sie wegen der stärkeren Flammengeräusche und der Brennerventilatoren lauter als Naturzugkessel.

Zugbedarf

Der Zugbedarf (pz) ergibt sich aus dem Druckunterschied der für die Verbrennung im Wärmeerzeuger (pw) zur Überwindung der Strömungsverluste im Abgaskanal (pA) und bei der Zuluftzufuhr (pL) erforderlich sind.

Druckverluste bei Schornsteinen mit Naturzug und Überdrucksystemen

In der Vergangenheit war die Hauptaufgabe von Schornsteinen die verlustarme und störungsfreie Abführung von Verbrennungsabgasen. Es sollte in erster Linie sichergestellt werden, dass Abgase nicht in den Wohnraum gelangen und die Gebäude vor Brandschäden bewahrt werden. In Folge dessen sind alte Schornsteine häufig überdimensioniert. Heute ist es ebenso wichtig geworden, dass Fehlfunktionen der Kessel vermieden und Wärmeverluste minimiert werden. Daher ist eine exakte Ermittlung des notwendigen Schornsteinquerschnitts in Abhängigkeit vom angeschlossenen Wärmeerzeuger zunehmend wichtiger. Die Berechnung orientiert sich dabei an den Vorgaben der DIN 4705.

Nomogramm für Schornsteinberechnungen

Bei sehr großen Schornsteinquerschnitten stellt sich grundsätzlich ein relativ kleiner Unterdruck am Kessel ein, da sich die Abgase sehr stark abkühlen können. Mit abnehmendem Durchmesser steigt der Unterdruck an, weil sich die Auftriebskraft im Schornstein in Folge der geringeren Abkühlung der Abgase vergrößert. Die Strömungswiderstände aufgrund niedrigerer Strömungsgeschwindigkeiten nehmen dabei zuerst nur geringfügig zu. Wird der Durchmesser noch weiter verringert, steigt einerseits der Unterdruck langsam nur weiter an. Andererseits wirken den größer werdenden Auftriebskräften dann aber die wachsenden Strömungswiderstände entgegen.

Auf den Weg vom Wärmeerzeuger über das Verbindungsstück und den Schornstein kühlen die Abgase ab. Die auftretenden Wärmeverluste der Abgase werden im Wesentlichen von vier Kriterien bestimmt:

Temperaturverlauf im Schornstein

Beim Ersatz eines alten Heizkessels durch einen Niedertemperaturkessel müssen einschalige (d.h. nur aus einer Mauerschale bestehende) Schornsteine angepasst werden, da es aufgrund der niedrigeren Abgastemperaturen des neuen Kessels zur Kondensatbildung kommen kann. Bei einem zweischaligen Schornstein (d.h. Mauerschale mit keramischem Innenrohr) kann abhängig von der Bauart ggf. auf eine Anpassung verzichtet werden. Die Entscheidung muss aber immer im Einzelfall getroffen werden und - wie auch beim Einsatz einer Nebenluftvorrichtung (Lüftungsklappe) - mit dem Schornsteinfeger abgestimmt werden. An einem dreischaligen Schornstein (d.h. Mauerwerk, keramischem Innenrohr und Wärmedämmung) können problemlos Niedertemperaturkessel angeschlossen werden.

Schema für einen dreischaligen Schornstein

Es ist möglich die Abgastemperaturen der Wärmeerzeuger drastisch zu senken und so den Wirkungsgrad der Heizungsanlage zu erhöhen (vgl. Brennwertkessel). Eine der Voraussetzungen für die Nutzung dieser Möglichkeit besteht darin, dass eine feuchteunempfindliche, korrosionsfeste und überdruckdichte Abgasleitung vorhanden ist, die die Kondensation von Wasserdampf erlaubt. Bei konventionellen Schornsteinen muss die Innenwandtemperatur bis zum Kaminkopf immer über der Taupunkttemperatur liegen, um Wasserdampfkondensation im Kamin und damit eine Kaminversottung zu verhindern. Bei feuchteunempfindlichen Schornsteinen ist der Nachweis einer ausreichenden Innenwandtemperatur nicht erforderlich. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass auch bei diesen Schornsteinen die notwendigen Druckbedingungen eingehalten werden.

Bei der Planung und Ausführung von feuchteunempfindlichen Schornsteinen sind zusätzliche Anforderungen einzuhalten, die in den Zulassungen des Deutschen Instituts für Bautechnik, Berlin für den jeweiligen Schornsteintyp definiert sind. Dazu gehören z.B. die Möglichkeit der Kondensatableitung am Schornsteinfuß, zusätzliche Abdichtungen im Bereich der Schornsteinreinigungsverschlüsse oder zusätzliche Wärmedämmungen für Schornsteinabschnitte, die durch unbeheizte Räume gehen oder über dem Dach liegen.

Bei der Heizungsmodernisierung im Mehrfamilienhausbereich ist es häufig notwendig mehrere Wärmeerzeuger an einen Schornstein anzubinden. Bei einer solchen „Mehrfachbelegung“ bieten sich die so genannten Luft/Abgas-Systeme (LAS) an. Sie ermöglichen eine raumluftunabhängige Betriebsweise der Heizungsanlage, so dass auch eine Verbesserung der Luftdichtigkeit der Gebäudehülle keine Auswirkungen auf den Heizungsbetrieb hat. Bei diesen Systemen wird der als konzentrische Rohrleitung ausgeführte Zuluft/Abgasanschluss des Wärmeerzeugers an das ebenfalls konzentrisch aufgebaute LAS angeschlossen. Die für die Verbrennung benötigte Zuluft wird durch den äußeren Kranz der doppelschaligen Konstruktion dem Wärmeerzeuger zugeführt, die Abgase im zentralen Rohr wieder abgeführt.

Das System bietet den Vorteil, dass auf bauliche Maßnahmen im Aufstellungsraum der Heizung verzichtet werden kann und gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Verbrennungszuluft frei von so genannten „Haushaltschemikalien“ ist, die z.B. Fluor, Chlor oder Schwefel enthalten können. Bei diesem System kann der Wärmeerzeuger daher auch in einem Wohnraum stehen und Mehrfamilienhäuser wohnungs- oder Etagenweise z.B. mit solchen Wärmeerzeugern ausgestattet werden, die an der Wand hängen.

Bei der Montage von Abgasleitungen außerhalb von Gebäuden wird der Leitungsweg vom Kessel bis zum Wanddurchbruch genauso wie bei der Montage innerhalb von Gebäuden ausgeführt. Die Befestigung des Abgasrohres außen am Gebäude erfolgt dann mit Hilfe von Wandkonsolen, Wandschellen und Dübeln. Die maximale freie Auskragung beträgt dabei zwei Meter. Der Abstand zwischen zwei Wandbefestigungen darf 4 m nicht überschreiten. Es darf nur die unterste Wandschelle fest mit dem Abgasrohr verbunden werden. Alle weiteren müssen eine Längenänderung der Abgasleitung durch Temperaturschwankungen ermöglichen, jedoch die Aufnahme der horizontalen Windlast sicherstellen. Abgasleitungen müssen von Fenstern einen Abstand von mindesten 20 cm haben.