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Experten-Check: Heiztechnik von atmosphärischen Brennern im Vergleich

Was ist ein atmosphärischer Brenner? Wie ist er aufgebaut und nach welchem Prinzip funktioniert er? Wie unterscheidet sich ein atmosphärischer Brenner von einem Gebläsebrenner? Welche Vor- und Nachteile hat der Brennertyp?

Wir erklären Ihnen in diesem Beitrag, was ein sogenannter atmosphärischer Brenner ist. Sie erfahren dabei Wissenswertes zu seiner Aufgabe, seinem Aufbau und seiner Funktionsweise. Indem wir den atmosphärischen Brenner direkt mit dem Gebläsebrenner vergleichen, arbeiten wir die Vor- und Nachteile des Gerätetyps atmosphärischer Brenner deutlich heraus.

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Geräte-Definition: Abgrenzung zu anderen Brennertypen

Gas-Kessel mit atmosphärischem Brenner sind einfach, preiswert und robust und daher in Deutschland millionenfach im Einsatz. Sie können mit allen Gasbrennstoffen wie Erdgas, Flüssiggas, teilgereinigtes Kokereigas, Stadtgas, Grubengas, Klärgas, Deponiegas oder Biogas betrieben werden und ähneln in ihrer Funktionsweise der von Kochstellenbrennern bei Gasherden oder Laborbrennern (sogenannten Bunsenbrennern).

Der atmosphärische Gas-Brenner ist der für die Verbrennung zuständige Teil eines Gas-Heizkessels, bei Gas-Kesseln kleineren Kalibers ist er in diesen integriert. Die technischen Anforderungen werden in der DIN EN 297 (Ausgabe: 2005-10) "Heizkessel für gasförmige Brennstoffe - Heizkessel der Art B mit atmosphärischen Brennern, mit einer Nennwärmebelastung kleiner als oder gleich 70 kW" geregelt.

Atmosphärische Gasbrenner werden unter verschiedenen Bezeichnungen gehandelt, je nachdem, von welchem Hersteller beziehungsweise Anbieter sie kommen. Handelsüblich sind Gerätebezeichnungen wie:

  • atmosphärischer Brenner
  • atmosphärischer Gaskessel
  • atmosphärischer Kessel
  • Gasbrenner ohne Gebläse
  • Brenner ohne Gebläse
  • Gaskessel ohne Gebläse
  • Kessel ohne Gebläse
Bei atmosphärischen Brennern wird die Luft der Flamme bei Umgebungsluftdruck zugeführt. Ihr Funktionsprinzip ähnelt dem von Kochstellen- und Bunsenbrennern. (Foto: energie-experten.org)
Bei atmosphärischen Brennern wird die Luft der Flamme bei Umgebungsluftdruck zugeführt. Ihr Funktionsprinzip ähnelt dem von Kochstellen- und Bunsenbrennern. (Foto: energie-experten.org)

Art der Verbrennungsluftzuführung

Nach der Art der Verbrennungsluftzuführung unterscheidet man folgende Brennertypen: 

  • Brenner ohne Gebläse: Er saugt die erforderliche Verbrennungsluft durch die Injektorwirkung des Gasdurchflusses an.
  • Brenner mit Gebläse: Die Verbrennungsluft wird über einen Ventilator zur Verfügung gestellt.
  • Vormischbrenner: Gas und Verbrennungsluft werden vor der Verbrennung durchmischt.

Für die Gerätebezeichnung atmosphärischer Brenner ist der Luftdruck verantwortlich, bei dem die Verbrennungsluft der Flamme zugeführt wird: Da es sich dabei um die Umgebungsluft mit zugehörigem normal-atmosphärischem Druck ohne eine Gebläseunterstützung handelt, nennt man diese Brennertypen atmosphärische Brenner oder Naturzugbrenner. Die Arten der Luftzuführung unterscheidet man nach Primär- und Sekundärluft.

In älteren Brennern reißt das Gas in der Armatur nur einen Teil der benötigten Verbrennungsluft (Primärluft) mit, der fehlende Anteil (Sekundärluft) wird in die Flamme selbst hineingesaugt. (Grafik: energie-experten.org)
In älteren Brennern reißt das Gas in der Armatur nur einen Teil der benötigten Verbrennungsluft (Primärluft) mit, der fehlende Anteil (Sekundärluft) wird in die Flamme selbst hineingesaugt. (Grafik: energie-experten.org)

Verbrennungstechniken

Die Verbrennung selbst kann über Edelstahl-Stabflächen-Brenner oder keramische Flächenbrenner erfolgen. Alternativ kommen auch wassergekühlte Lamellenbrenner bzw. Segmentbrenner zum Einsatz. Dabei wurden zum einen Kühlstäbe eingesetzt, die von der Flamme aufgeheizt wurden und die Wärme durch Strahlung an die Umgebung abgeben. Dadurch werden die Temperaturspitzen in der Flamme abgebaut. Dies führt zu einer deutlichen NOX-Reduzierung. Einen Beitrag zur Stickoxid-Senkung wird auch durch eine Wasserkühlung von Brennzone und Gemischraum erreicht, wodurch sich die Primärluft stabilisiert. Moderne Vormischbrenner erreichen durch ein Vermischung der gesamten zur Verbrennung benötigten Luftmenge vor der Verbrennung niedrigere Flammentemperaturen NOX-Werte.

Technische Entwicklungsschritte des atmosphärischen Brenners (Grafik: energie-experten.org / Quelle: Buderus)
Technische Entwicklungsschritte des atmosphärischen Brenners (Grafik: energie-experten.org / Quelle: Buderus)

Atmosphärischer Ölbrenner

Ganz selten findet man auch im Bereich der Ölheizungen atmosphärische Brenner. Dort läuft der Gerätetyp allerdings meist unter der Kategorie „Verdampfungsbrenner“. Atmosphärische Ölverdampfungsbrenner lassen den flüssigen Brennstoff (Heizöl) aus einem Gefäß heraus verdampfen – und zwar in Folge der eigenen Verbrennungswärme. Wegen der stetig abziehenden Rauchgase wird kontinuierlich neue Verbrennungsluft angesogen.

Bei solchen atmosphärischen Ölbrennern handelt es sich um Geräte, die als Einzelfeuerstätte betrieben werden. Zum Beispiel gibt es spezielle Einsätze für Kachelöfen (Kachelofeneinsatz): sogenannte Ölbrennereinsätze. Noch seltener werden Verdampfungsbrenner in Heizkesseln verwendet, die als zentraler Wärmeerzeuger in einer Zentralheizung arbeiten.

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Funktionsprinzip: So funktioniert die Dosierung des Gas-Luft-Gemisches

Die Aufgabe des atmosphärischen Brenners ist es, der Verbrennungsflamme exakt das Gemisch an Gas (als Brennstoff) und Luft (als Verbrennungsluft) zuzuführen, die sie braucht,

  • um einerseits den Brennstoff vollständig zu verbrennen, ohne dass Ruß oder Kohlenmonoxid (CO) gebildet werden und,
  • um andererseits die Abgasverluste möglichst gering zu halten.

Die Menge an Luft, die zugeführt wird, nimmt auch Einfluss darauf, wie viele Stickoxide bei der Verbrennung entstehen.

Injektion sorgt für Unterdruck

Die Verbrennungsluft wird bei diesem Gerätetyp quasi „gespritzt“ (also injiziert). Das dem atmosphärischen Brenner zugrunde liegende Funktionsprinzip heißt deshalb Injektion. Dabei bläst man das Gas mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse in ein größeres Rohr. Dieses umgibt die Düse koaxial. Die Luft, die sich in diesem Rohr befindet, wird wegen des Unterdrucks, der sich daraus ergibt, dass das Gas schnell einströmt, angesaugt und so in die Verbrennungszone befördert, wo sie für den Verbrennungsprozess des Gases zwingend nötig ist.

Atmosphärischer Gasbrenner eines Viessmann Atola Niedertemperaturkessels aus den 90er Jahren (Foto: energie-experten.org)
Atmosphärischer Gasbrenner eines Viessmann Atola Niedertemperaturkessels aus den 90er Jahren (Foto: energie-experten.org)

Aufgabe des Schornsteins

Der systemimmanente Zug des Schornsteins (der auch Kamin genannt wird, daher: Kaminzug) sorgt bei atmosphärischen Brennern dafür, dass die Verbrennungsluft überhaupt zugeführt werden kann, indem durch die Nebenluftöffnung des atmosphärischen Kessels vom Kaminzug Luft angesaugt wird. Da auch im Stillstand ständig Luft durch den Heizraum und den Kamin gezogen wird, wird zusätzlich zum Abgasverlust dem Kessel, dem Aufstellraum und dem Kamin fortwährend Wärme entzogen.

Bei älteren atmosphärischen Brennern geschieht die Mitnahme von Verbrennungsluft in der Armatur durch das einströmende Gas nur teilweise. Das, was noch an Verbrennungsluft fehlt (auch Sekundärluft genannt), saugt das Gerät in die Flamme hinein. Das heißt, dass die Luftzufuhr teils erst in der Flamme erfolgt, während moderne atmosphärische Brenner die Luftzufuhr bereits erledigen, bevor die Flamme gebildet wird. Solche moderneren atmosphärischen Brenner bezeichnet man deshalb auch als Vormischbrenner.

Der Nachteil dieses Funktionsprinzips ist der: Die zugeführte Luftmenge variiert, sprich: sie hat eher selten den für die Verbrennung optimalen Wert. Das ist auch der Grund, warum atmosphärische Brenner vor allem dort eingesetzt werden, wo kleinere Heizleistungen (bis etwa zwei Kilowatt / kW) genügen. Andernfalls setzt man eher auf leistungsstärkere Gebläsebrenner.

Thermisch gesteuerte Abgasklappen öffnen automatisch den Abgasweg durch eine Bimetalltechnik, sobald sie den heißen Abgasen ausgesetzt ist, ansonsten verschließt sie den Querschnitt weitgehend. Die thermisch gesteuerten Modelle eignen sich vor allem für atmosphärische Gasfeuerstätten (Bauart B1) sowie Einzel- bzw. Gasöfen und Gas-Kochherde mit Schornsteinbetrieb. (Foto: Kutzner + Weber GmbH, Maisach)
Thermisch gesteuerte Abgasklappen öffnen automatisch den Abgasweg durch eine Bimetalltechnik, sobald sie den heißen Abgasen ausgesetzt ist, ansonsten verschließt sie den Querschnitt weitgehend. Die thermisch gesteuerten Modelle eignen sich vor allem für atmosphärische Gasfeuerstätten (Bauart B1) sowie Einzel- bzw. Gasöfen und Gas-Kochherde mit Schornsteinbetrieb. (Foto: Kutzner + Weber GmbH, Maisach)

Vormischende Systeme

Da normale atmosphärische Brenner nur vergleichsweise niedrige Primärluftzahlen erreichen und der restliche zur vollständigen Verbrennung notwendigen Luftanteil als Sekundärluft beim Ausbrand zugeführt wird, wurde teil- und später vollvormischende Systeme entwickelt. Bei der sogenannten Vollvormischung wird durch ein spezielles Perforationsfeld die gesamte zur Verbrennung benötigte Luftmenge vor der Verbrennung vermischt. Dies führt dazu, dass die Flammentemperaturen und auch die NOX-Werte sinken als bei den früher eingesetzten Kühlstäben.

Der Gas-Brennwertkessel Logano plus GB212 ist ein bodenstehender Gas-Vormischbrenner mit einem Modulationsbereich von 20 bis 100 Prozent. (Grafik: Buderus)
Der Gas-Brennwertkessel Logano plus GB212 ist ein bodenstehender Gas-Vormischbrenner mit einem Modulationsbereich von 20 bis 100 Prozent. (Grafik: Buderus)

Vor- und Nachteile: Atmosphärischer Brenner vs. Gebläsebrenner

Um die Vor- und Nachteile eines atmosphärischen Brenners gegenüber einem Gebläsebrenner herauszustellen, vergleichen wir beide Gerätetypen im Folgenden miteinander.

Besonderheiten des atmosphärischen Gasbrenners

In seiner technisch einfachen Auslegung ist der atmosphärische Gasbrenner ein Gerät, das den Nachschub an Verbrennungsluft (auch Primärluft genannt) erhält, ohne dass dafür Energie aufgewendet werden muss. Das ist bei einem Gebläsebrenner anders. Für den atmosphärischen Brenner heißt das: Seine Verbrennungsflamme bekommt die Luft bei Umgebungsluftdruck zugeführt.

Bei den häufig eingesetzten atmosphärischen Brennern niederer Leistung reißt das einströmende Brenngas die Verbrennungsluft in der Gasarmatur mit (Injektionsprinzip). Dass neue Verbrennungsluft in den Feuerraum nachgeschoben wird, geschieht wegen des thermisch bedingten Auftriebs der fortströmenden Abgase der Verbrennung.

Nachteilig wird den atmosphärischen Gasbrennern ihre begrenzte Möglichkeit zur Regelung der Leistung angekreidet. Dies hat einen spürbar negativen Einfluss auf die Effizienz: Da zu wenig Sauerstoff zu einer unvollständigen Verbrennung führt und zu viel Sauerstoff die Abgasverluste unnötig in die Höhe treibt, weisen atmosphärisch arbeitende Naturzugbrenner einen ungünstigeren Wirkungsgrad im Vergleich zu den neueren Gasgebläsebrennern auf.

Gas-Kessel mit atmosphärischem Brenner haben überdies den Nachteil, dass durch den Kaminzug über die Nebenluftöffnung auch im Stillstand ständig Luft durch den Heizraum und den Kamin gezogen wird. Dadurch wird zusätzlich zum gemessenen Abgasverlust dem Kessel, dem Aufstellraum und dem Kamin fortwährend Wärme entzogen. Abhilfe kann eine thermisch oder von der Kesselsteuerung elektrisch geschaltete Raumluftklappe schaffen, die den Heizraum nur während der Betriebszeit des Brenners belüftet. Eine solche Klappe wird in das Heizraumfenster bzw. am Ende eines Zuluftkanals eingebaut.

Im Vergleich zu Gebläsebrennern sind atmosphärische Gasbrenner einerseits jedoch deutlich leiser, denn sie arbeiten ohne geräuschvolle Gebläse. Daher sind sie gut für den Einsatz in schallsensiblen Bereiche geeignet. Weil mit der nicht benötigten Gebläsefunktion auch mechanische Bauteile wegfallen, bedeutet das andererseits auch weniger Wartungsaufwand beim atmosphärischen Brenner.

Besonderheiten des Gas-Gebläsebrenners

Die Leistung des Gas-Gebläsebrenners ist auch deshalb höher als die des atmosphärischen Brenners, weil er unabhängig von den ihn umgebenden Bedingungen (umgebende Atmosphäre) arbeitet: Die Verbrennungsluft wird bei diesem Brennertyp mit Hilfe des namensgebenden Gebläses gezielt in den Brennraum geleitet.

Das eröffnet zugleich die technische Möglichkeit, den Brennstoff und die Verbrennungsluft intensiver zu vermischen, als dies beim oben beschriebenen Injektionsverfahren möglich ist. Eine bessere Vermischung von Gas und Luft jedoch fördert den Verbrennungsprozess erheblich. Ein Vorteil, für den Sie allerdings die Geräuschkulisse und die mechanisch bedingte höhere Störanfälligkeit des Gebläses im Gebläsebrenner in Kauf nehmen müssen.

Vorteilhaft gegenüber dem atmosphärischen Brenner ist die Möglichkeit, die Leistung des Gasgebläsebrenners zu regulieren. Der Grund dafür liegt in der Zwangsführung der Verbrennungsluft. Sie können die Luftzufuhr bei diesem Gerätetyp in Abstimmung mit der Brennstoffzufuhr verändern – ein sogenannter modulierender Betrieb des Gebläsebrenners bis hin zu relativ niedriger Teillast wird so machbar.

Das gilt allerdings nur für die gasbetriebenen Gebläsebrenner: Bei Ölgebläsebrennern kommt es darauf an, dass die meisten Geräte definierte Ölmengen durchsetzen müssen, um eine ordnungsgemäße Ölzerstäubung zu erzielen. Anders ausgedrückt: Die Ölmenge lässt sich nur minimal regulieren. Eine spürbare Regelbarkeit, beispielsweise dank verstellbarerer Düsen, müsste mit höherem technischem Aufwand erkauft werden.

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"Heiztechnik atmosphärischer Brenner im Vergleich" wurde am 10.07.2018 das letzte Mal aktualisiert.