Zastosowanie materiałów odpornych na działanie kwasu
Odebranie przez wodę większej ilości ciepła w wymienniku kotła wydaje się być proste. Wystarczy zwiększyć powierzchnię wymiany ciepła. Spaliny mogłyby być schładzane do 25°C – woda o takiej temperaturze krążąca w instalacji c.o. może jeszcze zapewnić ogrzewanie pomieszczeń do temperatury komfortu (tak jest w przypadku ogrzewania podłogowego). Do instalacji grzewczej trafia wtedy więcej ciepła – sprawność kotła jest wyższa. Ale jednocześnie pojawia się kilka problemów.
Przede wszystkim kondensat – o kwaśnym odczynie spowodowanym głównie obecnością w paliwie związków siarki. Podzespoły prostych kotłów gazowych (wymienniki ciepła, palniki) są z metali nieodpornych na działanie kwasu, przez co w kontakcie ze skroplinami szybko ulegają zniszczeniu. Zastosowanie lepszych materiałów sprawia, że kocioł jest znacznie droższy.
Konstrukcja palnika i wymiennika ciepła
Kolejny problem to konstrukcja palnika i wymiennika ciepła. Kotły niekondensacyjne mają palniki atmosferyczne – ze swobodnym dopływem powietrza z otoczenia. Gorące spaliny w naturalny sposób się unoszą, więc wymiennik ciepła musi być umieszczony nad płomieniem, bo tam jest najwyższa temperatura. Ściekający z wymiennika kondensat nie może zakłócać pracy palnika, dlatego w kotłach kondensacyjnych jest on zupełnie inny – nie atmosferyczny, tylko wentylatorowy.
Dzięki działaniu wentylatora spaliny są kierowane poziomo – do wymiennika ciepła o kształcie cylindrycznym – albo w dół – wtedy wymiennik ciepła może być umieszczony pod palnikiem. W obu przypadkach spływający z wymiennika kondensat nie zakłóca pracy palnika. Kształt nowoczesnych wymienników ciepła kotłów kondensacyjnych jest też zoptymalizowany pod kątem odprowadzania z nich skroplin do kanalizacji w taki sposób, aby przy okazji spłukiwały zanieczyszczenia z jego powierzchni.
Wentylator
Kolejny istotny problem wynika z niskiej temperatury spalin. Efekt kominowy – tak zwany ciąg – jest niewystarczający, by spaliny w naturalny sposób wypłynęły na zewnątrz przez komin. Rozwiązaniem jest wentylator. Zasysa powietrze oraz paliwo, a powstałą mieszankę tłoczy do palnika. Spaliny są wpychane do przewodu spalinowego i bez problemu wypływają na zewnątrz.
Sprawność i efektywność
Różnicę w ilości zużywanego przez kotły paliwa obrazuje ich sprawność – wyższa o 1% oznacza, że kocioł zużywa o 1% mniej paliwa. Współczesne niskotemperaturowe kotły niekondensacyjne mają sprawność średnioroczną (ustalaną na podstawie znormalizowanych badań w warunkach symulujących rzeczywiste warunki pracy kotła) na poziomie 90-94%. Zbadana w ten sam sposób sprawność kotła kondensacyjnego jest wyższa o kilkanaście procent.
Wnikliwi zauważą, że oznacza to, iż jest ona wyższa od 100%, co wydaje się przeczyć zdrowemu rozsądkowi. Ale to nie pomyłka, tylko skutek odnoszenia sprawności kotłów do wartości opałowej paliwa – wielkości, w której nie uwzględnia się obecności pary wodnej. Kiedyś uznano, że ciepło kondensacji nie będzie w kotłach odzyskiwane, i taki sposób obliczania ich sprawności energetycznej uznano za właściwy. Wartość opałowa jest ilością energii uwalnianej w postaci ciepła z paliwa podczas jego spalania całkowitego i zupełnego przy założeniu, że para wodna zawarta w spalinach nie skrapla się i że spaliny mimo to osiągają początkową temperaturę paliwa (przed spaleniem).
Z czego wynika wysoka sprawność kotła kondensacyjnego
Ponieważ w kotle kondensacyjnym dochodzi do skroplenia się pary wodnej, uzyskuje się dodatkową ilość energii i w rezultacie sprawność kondensacyjnego kotła na gaz ziemny może wynosić nawet 111%. Nieco mniejszą osiągają kotły na propan. Z czego to wynika?
W cząsteczce metanu (głównego składnika gazu ziemnego) na jeden atom węgla przypadają cztery atomy wodoru, a w cząsteczce propanu tylko trzy. To się przekłada na mniejszą zawartość pary wodnej w spalinach kotłów na propan, a w konsekwencji na nieco mniejszą i lość ciepła, które można z nich odzyskać. Dlatego maksymalna sprawność kotła na propan to 109%. Z tego samego powodu jeszcze mniejsza jest sprawność kondensacyjnych kotłów na olej opałowy – 104%. Oczywiście podane wartości są teoretyczne – w praktyce maksymalna sprawność kotłów jest o 2-4% mniejsza, co jest spowodowane nieuniknionymi stratami energii do otoczenia.
Realne oszczędności w trakcie eksploatacji
Ogrzewanie przeciętnie ocieplonego domu (o wskaźniku zapotrzebowania na energię do ogrzewania 120 kWh/(m2·rok)), nawet niezbyt dużego (o powierzchni 150 m2), oraz przygotowywanie ciepłej wody dla zaledwie trzyosobowej rodziny przy obecnych cenach gazu ziemnego (mniej więcej 2,3 zł/m3) kosztuje rocznie blisko 5,5 tys. zł, jeśli wykorzystuje się do tego zwykły kocioł gazowy o sprawności 90%. Zakładając, że kocioł kondensacyjny zużyje o 15% mniej paliwa (w praktyce oszczędność bywa nawet większa), otrzymujemy różnicę 910 zł rocznie.
Zatem przez pięć lat oszczędzimy ponad 4,5 tys. zł (zwłaszcza gdy gaz będzie drożał) i jeszcze więcej, jeżeli paliwem będzie nie gaz ziemny, tylko propan, bo ogrzewanie nim kosztuje co najmniej o połowę więcej, więc i oszczędności są o połowę większe. Ale nawet 4,5 tys. zł wystarczy na pokrycie różnicy między ceną kotła kondensacyjnego i zwykłego. A ponieważ trwałość tych urządzeń ocenia się na co najmniej dziesięć lat, to dopiero wtedy, gdy inwestycja w kocioł kondensacyjny jest droższa o 9 tys. zł, można mieć wątpliwości, czy jest opłacalna.
