Budowa i sposób działania gazowych kotłów kondensacyjnych
Ogrzewanie domu, dzięki kondensacyjnym kotłom gazowym jest bardziej ekonomiczne. Łatwość odzyskiwania ciepła skraplania w kotłach gazowych sprawia, że modele kondensacyjne na rynku dominują. Mimo że są droższe od konwencjonalnych, stopniowo je wypierają, bo zużywają mniej paliwa.
Autor: Buderus
To, co najbardziej odróżnia kocioł kondensacyjny od konwencjonalnego, to budowa palnika i wymiennika ciepła (fot. BUDERUS)
Dzięki odzyskiwaniu ciepła z pary wodnej koszty eksploatacji gazowych kotłów kondensacyjnych są o 10-20% mniejsze, (nawet do 50% w stosunku do bardzo starych kotłów), podobnie jak ilość zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery..
W artykule przedstawiamy, jak działają gazowe kotły kondensacyjne i czym się różnią od zwykłych.
Niska temperatura - ważny czynnik w pracy kotła gazowego
Żeby doszło do kondensacji, spaliny powstające podczas spalania paliwa muszą być schłodzone do tak zwanej temperatury punktu rosy. Chłodzi je czynnik grzewczy krążący w instalacji c.o. (woda), przepływając przez wymiennik ciepła kotła. Z tego względu temperatura tego czynnika nie powinna przekraczać wartości, którą można odczytać z wykresu obok. By do kondensacji dochodziło przez cały czas pracy kotła gzaowego (na gaz ziemny), temperatura wody wracającej do niego z instalacji podczas pracy z maksymalną mocą grzewczą nie powinna przekraczać 54°C.
Nie ma problemu, gdy kocioł zasila instalację ogrzewania podłogowego, bo zawsze projektuje się ją tak, żeby temperatura czynnika grzewczego była stosunkowo niska – poniżej 55°C. Dlatego kotły kondensacyjne najlepiej stosować do współpracy z ogrzewaniem podłogowym.
W instalacjach z grzejnikami konwekcyjnymi zwykle przyjmuje się wyższe parametry. Zakłada się, że maksymalna moc będzie osiągana na przykład przy temperaturze zasilania i powrotu odpowiednio 80 i 60°C. Dzięki temu potrzebną moc grzewczą uzyskuje się, stosując grzejniki o stosunkowo niedużej powierzchni (niższe parametry oznaczają konieczność zamontowania większych grzejników). Wtedy kondensacja w kotle nie występuje w ciągu całego czasu jego pracy. Ale jeśli parametry instalacji grzejnikowej nie są zbyt wysokie (na przykład 75/65°C), odzysk ciepła utajonego jest możliwy przez mniej więcej 95% czasu pracy kotła (im łagodniejsza zima, tym dłużej dochodzi do kondensacji).
Oczywiście można zaprojektować instalację z grzejnikami tak, by kondensacja odbywała się także podczas pracy kotła z maksymalną mocą (gdy temperatura na zewnątrz jest rzędu -20°C). Ale ze względu na konieczność zastosowania wtedy grzejników o dużej powierzchni nie zawsze się to opłaca (zwłaszcza gdy grzejników jest dużo), bo koszt wykonania instalacji jest wyraźnie większy.
Najważniejsze elementy
Dlaczego zjawisko uwalniania ciepła podczas kondensacji nie jest wykorzystywane we wszystkich kotłach? Bo są z tym związane problemy techniczne, których rozwiązanie jest dość kosztowne. A przecież zakup droższego urządzenia ma sens jedynie wtedy, gdy suma oszczędności uzyskanych dzięki zastosowanej technologii zrekompensuje wyższą cenę.
Autor: Piotr Mastalerz
W zwykłym kotle gazowym skropliny spływające z powierzchni wymiennika ciepła umieszczonego nad palnikiem zakłócałyby jego działanie. Kwaśny odczyn skroplin przyczyniłby się do korozji nieodpornych na nią elementów
Co jest niezbędne, by w kotle mogła zachodzić kondensacja?
Przede wszystkim wszystkie elementy mające kontakt z kondensatem muszą być odporne na korozję. W wyniku reakcji wody z siarką obecną w spalinach powstaje kwas, więc kondensat spływający po ściankach wymiennika ciepła kotła ma odczyn kwaśny. W paliwie gazowym siarki, jest na szczęście niewiele i zabezpieczenie przed kwaśnymi skroplinami oraz ich neutralizacja przed odprowadzeniem do kanalizacji nie są tak kosztowne jak choćby w przypadku kotłów na olej opałowy, nie mówiąc już o tych na paliwa stałe.
Wymienniki ciepła w kotłach kondensacyjnych muszą zapewnić schłodzenie przepływających przez nie spalin tak duże, by ich temperatura spadła poniżej punktu rosy. Mają więc odpowiednio dużą powierzchnię i są konstruowane ze stopu aluminium i krzemu, który bardzo dobrze przewodzi ciepło, a jednocześnie jest odporny na korozję. Innym materiałem do produkcji wymienników jest stal kwasoodporna (austenityczna) potocznie nazywana szlachetną. Ma ona mniejszy współczynnik przewodzenia ciepła niż stop aluminium i krzemu, ale ponieważ wymienniki z blachy stalowej mają kilkakrotnie cieńsze ścianki niż odlewane ze stopu aluminium, mogą przewodzić ciepło co najmniej równie skutecznie, a przy tym są jeszcze bardziej odporne na korozję.
Istotne jest, by skropliny mogły swobodnie spływać ze ścianek wymiennika, a na jego powierzchni nie gromadziły się osady utrudniające wymianę ciepła. Z tego względu powierzchnia wymiennika powinna być gładka. Wymienniki mają na ogół zdolność do samooczyszczania, na przykład dzięki wykorzystaniu zjawiska rozszerzalności cieplnej materiału, z którego są wykonane.
W kotle gazowym jest potrzebny układ odprowadzania skroplin zapobiegający trafianiu ich na płomień palnika, bo zakłócałoby to jego pracę (dlatego budowa palnika i wymiennika ciepła jest zupełnie inna niż w kotłach konwencjonalnych).
Generując moc grzewczą 10 kW, kocioł kondensacyjny wytwarza ich około 1 l na godzinę (gdy paliwem jest gaz ziemny wysokometanowy typu E). Mają kwaśny odczyn, ale taka ilość (poniżej 5% całkowitej ilości ścieków) nie powoduje problemów przy wprowadzaniu ich bezpośrednio do kanalizacji, nawet gdy trafiają do przydomowej oczyszczalni. Dopiero gdy kocioł ma moc powyżej 25 kW, wskazane jest zastosowanie neutralizatora kondensatu w postaci niewielkiego zbiornika wypełnionego granulatem zawierającym związki wapnia lub magnezu.
Palniki kotłów kondensacyjnych są wykonywane z kosztownych materiałów odpornych na temperaturę rzędu 1000°C, jaką może osiągać płomień nawet podczas pracy kotła z niepełną mocą. Elementem wielu z nich jest siatka, która żarząc się, oddaje ciepło przez promieniowanie. Istotnym parametrem jest zakres modulacji mocy palnika – im większy, tym lepiej. W kotłach kondensacyjnych palniki mogą pracować optymalnie, spalając paliwo z mocą zredukowaną nawet poniżej 20% maksymalnej. Emitują przy tym do atmosfery niewiele substancji szkodliwych, co świadczy o bardzo efektywnym wykorzystaniu energii chemicznej paliwa, czego rezultatem jest wysoka sprawność.
Niska temperatura spalin opuszczających kocioł kondensacyjny sprawia, że naturalna siła wyporu potrzebna do ich wypłynięcia przez komin jest niewystarczająca. Dlatego w kotłach kondensacyjnych są wentylatory wypychające spaliny. Jednocześnie zasysają one do palnika powietrze i gaz, co umożliwia ich dokładne zmieszanie będące warunkiem skutecznego spalania i tym samym uzyskania wysokiej sprawności. Zaletą jest możliwość kontrolowania i regulowania składu mieszaniny paliwa i powietrza przez zmianę wydajności wentylatora. Kotły kondensacyjne najwyższej klasy mają układ kontroli obecności w spalinach tlenku węgla pojawiającego się tylko w przypadku, gdy do palnika dopływa zbyt mało powietrza. W takiej sytuacji zwiększane są obroty wentylatora, więc spalanie odbywa się zawsze w sposób optymalny. Palniki atmosferyczne zwykłych kotłów takiej możliwości nie dają.
Układ powietrzno-spalinowy
Zasadniczy wpływ na pracę kotła ma układ odprowadzania spalin i doprowadzenia powietrza do kotła. Dlatego producenci zalecają stosowanie fabrycznych zespołów powietrzno-spalinowych, które są przetestowane we współpracy z poszczególnymi urządzeniami. Daje to gwarancję uzyskania optymalnego współczynnika nadmiaru powietrza (niezbędnego do całkowitego spalenia paliwa) w całym zakresie pracy palnika. Zastosowanie niestandardowego układu powietrzno-spalinowego, zwłaszcza wykonanego niezgodnie z zaleceniami producenta kotła, może być przyczyną zmniejszenia jego sprawności i zwiększonego poboru paliwa.
Ze względu na kwaśny odczyn skroplin obecnych w przewodzie spalinowym z powodu niskiej temperatury spalin układ ich odprowadzania musi być wykonany z materiałów o wysokiej odporności na korozję. Ważna jest też niewrażliwość na duże zmiany temperatury i zamarzanie skroplin (ścianki komina nie mogą nasiąkać wodą). Materiał musi być niepalny. Do kotłów z zamkniętą komorą spalania są przeznaczone koncentryczne przewody powietrzno-spalinowe (rura w rurze), którymi jednocześnie są odprowadzane spaliny (rurą wewnętrzną) i jest doprowadzane powietrze do palnika (rurą zewnętrzną). Umożliwia to wstępne ogrzanie powietrza ciepłem spalin, co przyczynia się do zwiększenia sprawności kotła. W domach jednorodzinnych jest dopuszczalne wyprowadzenie przewodu spalinowego przez ścianę zewnętrzną i zakończenie go 0,5 m od niej, o ile moc kotła nie przekracza 21 kW. Jeśli jest większa, zakończenie przewodu musi się znaleźć nad dachem.
Ciepła woda użytkowa
Kotły gazowe zwykle wykorzystuje się nie tylko do ogrzewania domu, ale także do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Z tego względu można je podzielić na jednofunkcyjne i dwufunkcyjne.
Kotły jednofunkcyjne nie mają wbudowanego podgrzewacza wody, ale zwykle są przygotowane do jego podłączenia. Mają elektrozawór, który przełączając się, kieruje strumień czynnika grzewczego do instalacji c.o. albo do podgrzewacza c.w.u. Pojemność podgrzewacza wybiera się w zależności od potrzeb i możliwości finansowych (wraz z pojemnością rośnie cena). Te do domów jednorodzinnych mają zwykle od 80 do 300 l. Producenci oferują je w zestawach z kotłami o mocy grzewczej dopasowanej do ich parametrów. Dużą pojemność (od 200 l) mają podgrzewacze przeznaczone do współpracy z instalacją kolektorów słonecznych. Są wtedy wyposażone w dwie wbudowane wężownice – jedną do zasilania czynnikiem grzewczym dostarczanym z kotła, drugą – z kolektorów.
Kotły dwufunkcyjne są wyposażone w zintegrowany podgrzewacz wody, który w najprostszym wariancie jest przepływowy. Zaczyna podgrzewać wodę w momencie otwarcia kranu – tylko taką jej ilość, jaka z niego wypływa. Zaletą tego rozwiązania jest niska cena. Ale jeśli potrzeba nam dużo ciepłej wody w krótkim czasie (na przykład do napełnienia wanny), wydajność takiego podgrzewacza okazuje się niezadowalająca. Wynika ona z mocy grzewczej kotła. Dopiero gdy wynosi powyżej 25 kW, strumień ciepłej wody użytkowej opuszczający podgrzewacz można uznać za intensywny. A ponieważ do ogrzewania domu, który jest dobrze ocieplony wystarczająca jest o połowę mniejsza moc, powstaje problem.
Zbyt duża moc maksymalna kotła sprawia, że w sezonie grzewczym działa on nieefektywnie. Z tego względu na rynku pojawia się coraz więcej urządzeń dwufunkcyjnych wyposażonych w zasobnik o pojemności kilkunastu (do około 100) litrów, w którym gromadzony jest zapas ciepłej wody użytkowej. Wówczas kocioł może mieć mniejszą moc maksymalną, bo woda jest pobierana z zasobnika, a kocioł podgrzewa ją jeszcze po zakręceniu kranu do czasu, aż temperatura całego jej zapasu zgromadzonego w zasobniku osiągnie żądaną wartość. Ponieważ czas podgrzewania może być dłuższy niż w przypadku kotła bez zasobnika, wystarczająca jest mniejsza moc.
Od kotłów jednofunkcyjnych z dołączonym podgrzewaczem pojemnościowym kotły z wbudowanym zasobnikiem różnią się gabarytami – zajmują mniej miejsca. Ma to znaczenie szczególnie w przypadku instalowania ich w pomieszczeniu, które nie jest wydzieloną kotłownią.
Po co cyrkulacja wody?
W instalacjach c.w.u. woda ogrzewana jest w wymienniku kotła lub w zasobniku ciepłej wody. Po zamknięciu punktu poboru, woda pozostająca w rurach łączących je z kotłem lub zasobnikiem nie będzie podgrzewana, a jej temperatura wyrówna się z temperaturą otoczenia. Przy ponownym odkręceniu kranu, ciepła woda pojawi się dopiero po pewnym czasie, niezbędnym do opróżnienia rur z zimnej wody.
W instalacjach c.w.u. z zasobnikami, można poprowadzić dodatkową rurę cyrkulacyjną, dzięki której pod wpływem działania pompy cyrkulacyjnej, ciepła woda może krążyć w instalacji. Przez zastosowanie cyrkulacji w punktach poboru mamy prawie natychmiastowy dostęp do ciepłej wody.
Należy przy tym pamiętać, że cyrkulacja wody powoduje obniżanie temperatury wody w zasobniku i cykliczne uruchamianie się kotła w celu utrzymania jej na zadanym poziomie, a co za tym idzie dodatkowe zużycie gazu.
Radzi Witold Twardowski, ekspert Immergas Polska
