Nowoczesne kotły gazowe

Kotły gazowe to szeroki asortyment urządzeń grzewczych, których wspólną cechą jest rodzaj stosowanego paliwa — gaz ziemny. Wśród nich do najbardziej zaawansowanych rozwiązań należą kotły kondensacyjne, które w swoim działaniu wykorzystują zjawisko kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach.

Kotły gazowe są najczęściej stosowanym źródłem ciepła w instalacjach centralnego ogrzewania. Można je podzielić na:

• kotły tradycyjne i kondensacyjne (ze względu na sposób działania);
• kotły jedno- i dwufunkcyjne (ze względu na funkcjonalność);
• kotły stojące i wiszące (ze względu na usytuowanie);
• kotły z otwartą i zamkniętą komorą spalania (ze względu na budowę komory spalania).

Do niedawna na szeroką skalę stosowane były przede wszystkim tradycyjne kotły gazowe stałotemperaturowe oraz niskotemperaturowe osiągające maksymalną sprawność na poziomie 95–96 proc. Obecnie używane są głównie kotły kondensacyjne, które umożliwiają uzyskanie jeszcze wyższej efektywności pracy (przekraczającej 100 proc.). Ze względu na niewielką ilość zajmowanego miejsca, z reguły stosowane są dwufunkcyjne kotły wiszące zapewniające jednoczesne pokrycie zapotrzebowania na ciepło instalacji centralnego ogrzewania i energię do podgrzania wody użytkowej.

Działanie kotłów kondensacyjnych

Mechanizm działania kotłów kondensacyjnych polega na skropleniu pary wodnej zawartej w spalinach i wykorzystaniu dodatkowego ciepła reakcji endotermicznej. Spaliny usuwane są przez odpowiednio zaprojektowany, wysokowydajny wymiennik ciepła, który zapewnia ich schłodzenie poniżej temperatury punktu rosy (w praktyce wynosi ona ok. 56°C dla kotłów zasilanych gazem ziemnym, ok. 52°C gazem płynnym i ok. 47°C olejem). Dzięki temu para wodna zawarta w spalinach zmienia swój stan skupienia z gazowego w ciekły. Wydzielone w tym procesie ciepło skraplania (ciepło utajone) jest wykorzystywane przez kocioł do dodatkowego podgrzewania wody znajdującej się w płaszczu wodnym. Jako, że spaliny są schładzane przez wodę powracającą z instalacji do kotła, jej temperatura musi być odpowiednio niska.

Sprawność wyższa niż 100 proc.

W tradycyjnych kotłach niskotemperaturowych (także w starszych rozwiązaniach), ciepło skraplania pary wodnej jest tracone wraz ze spalinami opuszczającymi kocioł, co powoduje występowanie znacznej straty kominowej. W kotłach kondensacyjnych, dzięki obniżeniu temperatury spalin do 50–60°C, strata kominowa ulega zmniejszeniu. Dalsze zwiększenie efektywności systemu grzewczego osiąga się przez połączenie kotła z kolektorami słonecznymi.

Kocioł ©VIESSMANN

Najbardziej efektywna praca kotłów kondensacyjnych występuje przy niewielkim obciążeniu, dlatego sprawdzają się one najlepiej w instalacjach pracujących przy niskich parametrach (np. w ogrzewaniu płaszczyznowym). Dodatkowo wpływ na ich sprawność ma także m.in. wartość opałowa paliwa, ciśnienie w sieci gazowej i wilgotność powietrza do spalania.

Sprawność tego typu kotłów przewyższa znacznie wydajność tradycyjnych urządzeń gazowych i może wynieść nawet 109 proc. Tak wysoki wskaźnik wynika ze sposobu obliczania sprawności kotłów, odnoszonej do wartości opałowej paliwa, a nie jego ciepła spalania (czyli całkowitej ilości energii powstającej przy spalaniu paliwa). Wartość opałowa jest mniejsza od ciepła spalania o ciepło skraplania pary wodnej. Gdyby obliczyć sprawność kotła kondensacyjnego względem ciepła spalania, wyniosłaby ona ok. 98 proc. (w ten sposób sprawność kotłów jest podawana np. w Stanach Zjednoczonych).

Budowa instalacji centralnego ogrzewania

Ze względu na możliwość występowania zjawiska kondensacji, temperatura wody grzewczej w instalacji centralnego ogrzewania nie powinna przekraczać 50°C. Najlepszy efekt ekonomiczny uzyskuje się w przypadku temperatury wody powracającej z instalacji do kotła na poziomie 30–40°C. Jeżeli woda grzewcza powracająca z instalacji nie jest odpowiednio ochłodzona, kondensacja nie zachodzi w ogóle lub występuje w ograniczonym stopniu.

Gazowy kocioł dwufunkcyjny ©VIESSMANN

Odpowiednio niskie wartości temperatury można osiągnąć w przypadku ogrzewania niskotemperaturowego płaszczyznowego (podłogowego, ściennego lub sufitowego). W systemach takich parametry pracy wynoszą z reguły ok. 45/35/20°C. Obecnie dąży się do tego, by były jeszcze niższe. Instalacja taka charakteryzuje się dużą pojemnością cieplną, co gwarantuje długie cykle działania palnika z minimalną mocą, a w konsekwencji — wydłużenie pracy z kondensacją (przy małej pojemności wodnej instalacji, palnik po włączeniu szybko podgrzewa wodę i wyłącza się). Koszt wykonania instalacji płaszczyznowej jest ok. 20 proc. wyższy od tradycyjnej instalacji z grzejnikami ściennymi. Komfort użytkowania oraz różnica w kosztach eksploatacyjnych sprawia, iż jej stosowanie jest coraz bardziej popularne.

Kotły kondensacyjne mogą znaleźć zastosowanie także w tradycyjnych systemach grzewczych, których obliczeniowa temperatura zasilania wynosi nie więcej niż 75°C (jest to standardowa wartość w projektowanych obecnie instalacjach CO przeznaczonych do pracy z kotłami tradycyjnymi). W tym przypadku kondensacja zachodzić będzie praktycznie przez 90 proc. czasu trwania sezonu grzewczego, gdyż automatyka utrzymywać będzie w instalacji odpowiednio niską temperaturę. Ze względu na to, że obliczeniowe wartości temperatury zewnętrznej (w zależności od strefy klimatycznej od –16 do –24°C) występują bardzo rzadko, ryzyko wychłodzenia pomieszczeń praktycznie nie występuje. W skrajnych przypadkach kocioł kondensacyjny, pracując z niższą sprawnością, może zasilać instalację wodą o temperaturze tak samo wysokiej jak kocioł tradycyjny.

Obecnie produkowane kotły gazowe posiadają wbudowaną armaturę zabezpieczającą (przeponowe naczynie wzbiorcze oraz zawór bezpieczeństwa), która chroni przed nadmiernym wzrostem ciśnienia wody w instalacji. W celu podłączenia zakupionego kotła do instalacji, konieczne jest jedynie posiadanie rur oraz zaworów odcinających. W przypadku tradycyjnych kotłów mających współpracować z instalacją niskotemperaturową, występuje ponadto konieczność zakupu zaworu mieszającego i regulatora.

Instalacja kominowa

Ze względu na niską temperaturę spalin usuwanych z kotłów kondensacyjnych, w kominie nie powstaje naturalny ciąg. Dlatego też wszystkie kotły kondensacyjne posiadają zamkniętą komorę spalania i są wyposażone w wentylator zasysający powietrze niezbędne do spalania, a jednocześnie wypychający spaliny przez dołączony do kotła przewód spalinowy.

Kotły z zamkniętą komorą spalania często wyposaża się w specjalne koncentryczne przewody powietrzno-spalinowe (konstrukcja typu „rura w rurze”), które zapewniają wstępne nagrzanie powietrza nawiewanego do komory spalania. Ze względu na skropliny pojawiające się także w przewodach spalinowych, należy wykonywać je z materiału odpornego na korozję (np. stali kwasoodpornej).

Obniżenie kosztów eksploatacyjnych

Prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych SPBT (Simply Pay Back Time) kotła kondensacyjnego w odniesieniu do kotła tradycyjnego można szybko obliczyć. Zakładając, że budynek ma powierzchnię 150 m2 i charakteryzuje się wskaźnikiem zużycia ciepła na poziomie 90 kWh/m2 na rok, jego roczne zapotrzebowanie na ciepło jest równe 13500 kWh. Dla standardowych parametrów instalacji grzewczej wymagana ilość energii końcowej w przypadku kotła kondensacyjnego o sprawności 109 proc. wyniesie ok. 13 170 kWh/rok, natomiast w przypadku kotła tradycyjnego o sprawności 94 proc. będzie to ok. 15 270 kWh/rok. Roczne zużycie gazu na potrzeby ogrzewania wyniesie odpowiednio 1320 i 1530 m3/rok. To przy cenie gazu ziemnego na poziomie 2 zł/m sześc. da roczne koszty ogrzewania równe 2640 i 3060 zł. Doliczając do tego koszty przygotowania ciepłej wody użytkowej, odpowiednio 830 i 910 zł, sumaryczna roczna oszczędność wynikająca z zastosowania kotła kondensacyjnego wyniesie 500 zł. Przy szacunkowej różnicy w cenie kotła tradycyjnego i kondensacyjnego równej 2500 zł, zakup kotła kondensacyjnego zwróci się po ok. 5 latach.

Systemy micro-CHP z kotłem gazowym

Dążenie do maksymalnego obniżania kosztów eksploatacyjnych budynków sprawia, że coraz powszechniej sięga się po nowatorskie technologie lokalnej produkcji ciepła i energii elektrycznej. Od kilku lat na rynku dostępne są układy skojarzone oparte na zastosowaniu zintegrowanego układu kotła gazowego i silnika Stirlinga. Wymienić można tutaj konstrukcje Baxi Ecogen, De Dietrich Remeha oraz WhisperGen.

W przypadku modelu WhisperGen AC służącego do zaspokojenia typowych potrzeb gospodarstwa domowego, zastosowany został 4-cylindrowy silnik Stirlinga z oryginalnym układem zamiany liniowego ruchu tłoków na ruch obrotowy wału napędzającego generator energii elektrycznej. Model ten odznacza się parametrami 0,8 kWe/6 kWt i może być stosowany w budynkach o rocznym zapotrzebowaniu ciepła rzędu 18000 kWh oraz rocznym czasie pracy do 3000 h. Nieco wyższymi parametrami odznacza się mikroblok De Dietrich Remeha, którego nominalna moc wynosi 24 kW dla ogrzewania i 1 kW dla prądu elektrycznego. Urządzenie to dostarcza ok. 2500–3000 kWh energii elektrycznej rocznie, co stanowi ok. 75 proc. przeciętnego jej zużycia przez gospodarstwo domowe. Nakłady inwestycyjne mogą zwrócić się więc w ciągu ok. 5 lat.

Krzysztof Sornek
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Energetyki i Paliw

ZDANIEM EKSPERTA

Czy wymiana tradycyjnego kotła gazowego na kondensacyjny wymaga zmian w istniejącej instalacji CO ?

Kotły kondensacyjne, podobnie jak tradycyjne, mogą ogrzewać wodę zasilającą ogrzewanie domu nawet do temperatury 80°C. Pod tym względem, mogą zastąpić praktycznie każdy kocioł gazowy. Wymiana kotła na nowy kondensacyjny nie wymaga więc przerabiania istniejącej instalacji grzejnikowej. Chyba, że jest to konieczne ze względu na jej stan techniczny.

Nowoczesne kotły kondensacyjne lepiej sprawdzą się w instalacjach o dużej pojemności wody, np. z rurami o dużej średnicy. Co ważne zawierają one niemal cały osprzęt kotłowni, jak pompę, naczynie przeponowe, mogą mieć zabudowany zbiornik wody użytkowej. Dlatego wymiana kotła na kondensacyjny może wymagać przeróbek w kotłowni. Konieczna może okazać się też zmiana sposobu odprowadzenia spalin i doprowadzenia powietrza do kotła. Stare kotły gazowe najczęściej mają otwartą komorę spalania — kocioł pobiera powietrze z pomieszczenia, w którym się znajduje, a rura odprowadzająca spaliny może mieć średnicę ponad 130 mm. Z kolei kotły kondensacyjne mają zamkniętą komorę spalania — mogą pobierać powietrze z zewnątrz budynku. W rurze odprowadzającej spaliny panuje nadciśnienie, dlatego nie można bezpośrednio wykorzystać istniejącego wkładu spalinowego.

Spaliny z kotłów kondensacyjnych najczęściej odprowadzane są na zewnątrz budynku rurą ze stali nierdzewnej o średnicy 60 lub 80 mm. Taką rurę łatwo można włożyć do starej spalinowej. Wtedy wewnętrzna odprowadza spaliny, a przestrzenią między rurą spalinową a starą pobierane jest powietrze z zewnątrz budynku do kotła. W tym przypadku, jedynie odcinek łączący kocioł z kominem należy wykonać w systemie rura w rurze. Jeśli obecny kocioł pracuje z zamkniętą komorą spalania to prawdopodobnie bez większych przeróbek będzie można wykorzystać istniejący system spalinowy dla nowego kotła kondensacyjnego.

Krzysztof Gnyra,
konsultant firmy VIESSMANN

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 03/2012
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl