Kocioł kondensacyjny - budowa i zasady działania
W spalinach kotłów jest para wodna. W wyniku jej skraplania uwalnia się ciepło, które można wykorzystać do ogrzewania domu. Potrzebny jest do tego kocioł kondensacyjny. Sprawdź, jak jest zbudowany i w jaki sposób działa kondensacyjny kocioł gazowy. Dowiedz sie, jak powinna być wykonana instalacja c.o.
Skraplanie (kondensacja) pary wodnej
Kiedy jakaś substancja zmienia swój stan skupienia, to między nią a otoczeniem jest wymieniana energia. Żeby litr wody o temperaturze 100°C zamienić w parę wodną (nie zmieniając jej temperatury), trzeba dostarczyć do niej 0,6 kWh energii. Tę energię można odzyskać, skraplając parę wodną – zmieniając się z gazu w ciecz, oddaje ona do otoczenia energię nazywaną ciepłem skraplania (kondensacji).
Budowa kotła kondensacyjnego
Kotły grzewcze, które wykorzystują to zjawisko, są bardziej zaawansowane technicznie i zużywają mniej paliwa, dzięki czemu ich eksploatacja jest tańsza niż tych, w których nie dochodzi do kondensacji pary wodnej. Za to kotły kondensacyjne są droższe. Przez długi czas ich produkcję uznawano za nieopłacalną. Skoro prosty palnik atmosferyczny i wymiennik ciepła z miedzianych rur wystarczą, by gazowy kocioł osiągał sprawność zbliżoną do 90%, to nie warto było komplikować jego budowy, żeby zmniejszyć zużycie paliwa zaledwie o kilkanaście procent.
Ale postęp technologiczny doprowadził do tego, że zbudowanie niezawodnego kotła kondensacyjnego o niewielkich gabarytach stało się znacznie prostsze i stosunkowo tanie. Jednocześnie rosły ceny paliw i coraz większą wagę zaczęto przywiązywać do ilości zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery. W rezultacie od kilku lat zdecydowana większość nowych modeli kotłów gazowych wprowadzanych na rynek to urządzenia kondensacyjne. Olejowe, choć powstają, w naszym kraju wciąż są jeszcze zbyt drogie, by przekonać do nich wielu klientów.
Jak to się dzieje
Ze spalania paliw kopalnych, składających się przede wszystkim ze związków węgla i wodoru, uzyskuje się dwutlenek węgla (CO2) i parę wodną (H2O). Reakcję spalania zupełnego gazu ziemnego wysokometanowego składającego się głównie z metanu CH4 opisuje równanie: CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O, a gazu płynnego składającego się przede wszystkim z propanu C2H6: 2C2H6 + 7O2 -> 4CO2 + 6H2O.
Woda jest też jednym ze składników każdego paliwa oraz powietrza, które dociera do palnika kotła.W rezultacie spaliny z kotłów w dużej części składają się z pary wodnej. W warunkach, jakie występują w układzie spalinowym (skład mieszaniny gazu, ciśnienie), łatwo ulega ona kondensacji, czyli przechodzi ze stanu gazowego w ciekły. Wystarczy, by spaliny ochłodziły się w wymienniku ciepła kotła do temperatury punktu rosy, która dla gazu ziemnego spalanego w dobrze wyregulowanym palniku wynosi mniej więcej 57°C. Nieco niższa (mniej więcej o 3°C) jest w przypadku spalania w kotle propanu.
Ciepło uwalniane w trakcie spalania paliwa w kotle jest odbierane przez wodę przepływającą przez wymiennik ciepła spaliny-woda. W zwykłych kotłach jest on skonstruowany tak, że temperatura spalin po przepłynięciu przez niego nie obniża się do mniej niż 100°C. W kondensacyjnych jest niższa, by spaliny oddawały ciepło skraplania podgrzewanej wodzie.
Sprawdź:
Jak powinna być wykonana instalacja c.o.
Z faktu, że do kondensacji dochodzi dopiero w tedy, gdy spaliny zostaną silnie schłodzone, wynika konieczność odpowiedniego wykonania instalacji c.o. Chłodzi je bowiem czynnik grzewczy (woda) przepływający przez wymiennik ciepła kotła. Wpływając do niego, musi mieć temperaturę niższą od punktu rosy, czyli w najlepszym razie nie wyższą niż 57°C.
Czytaj również:
Współpraca kotła z ogrzewaniem podłogowym
Nie ma z tym problemu, gdy kocioł współpracuje z instalacją ogrzewania podłogowego, bo z zasady projektuje się ją, zakładając, że temperatura zasilającego ją czynnika grzewczego wynosi najwyżej 55°C, a wracającego do kotła jest o 10°C niższa. Możliwe jest przyjęcie jeszcze niższych parametrów, ale nie zawsze jest to uzasadnione ekonomicznie, bo wtedy powierzchnia grzewcza musi być większa, a więc do wykonania instalacji ogrzewania podłogowego potrzeba więcej rur. Nawet w czasie pracy kotła z pełną mocą w instalacji o parametrach 55/45°C dochodzi w nim do kondensacji i osiąga on bardzo wysoką sprawność. Dlatego uważa się, że kotły kondensacyjne najlepiej stosować do współpracy z ogrzewaniem podłogowym.
Zasilanie przez kocioł instalacji z grzejnikami konwekcyjnymi
Wątpliwości budzi zasadność zasilania przez kocioł kondensacyjny instalacji ze zwykłymi grzejnikami konwekcyjnymi. Typowe parametry czynnika grzewczego to w takim przypadku co najmniej 70°C na zasilaniu i raczej nie mniej niż 55°C na powrocie. Wtedy jeszcze sytuacja nie jest zła, bo do pełnej kondensacji nie dochodzi tylko w czasie silnego mrozu (gdy na zewnątrz jest mniej niż kilkanaście stopni poniżej zera). Przez większą część sezonu grzewczego, kiedy instalacja nie musi pracować z pełną mocą i czynnik grzewczy ma niższą temperaturę, kocioł odzyskuje z pary wodnej sporo ciepła. Sprawność uśredniona dla całego sezonu grzewczego jest tylko nieznacznie niższa od maksymalnej.
Nowa instalacja grzewcza z kotłem kondensacyjnym
Projektując nową instalację grzewczą z kotłem kondensacyjnym, można dobrać grzejniki odpowiednie do jeszcze niższych parametrów – takich, przy których kocioł osiągnie najwyższą sprawność. Ale ich powierzchnia jest wtedy większa, więc są one droższe i nie zawsze się to opłaca.
Zastosowanie kotła w starej instalacji
Gorzej, gdy kocioł kondensacyjny ma być zastosowany w starej instalacji dostosowanej do parametrów 90/70°C (typowych w instalacjach z kotłem na paliwo stałe). Kotły kondensacyjne mogą podgrzewać wodę do tak wysokiej temperatury, jednak wówczas nie dochodzi w nich do kondensacji, dlatego nie osiągają wyższej sprawności niż zwykłe. Powierzchnia grzejników dobranych przy takich parametrach jest znacznie mniejsza niż wtedy, gdy czynnik grzewczy ma parametry 70/55°C. Kiedy kocioł dostarcza wodę o temperaturze 70°C, oddają ciepło do pomieszczeń z mocą dużo mniejszą od zakładanej, więc przez znaczną część sezonu grzewczego nie zapewniałyby w nich wymaganego komfortu cieplnego.
WIDEO: System sterowania Bosch EasyControl
WIDEO: Kocioł tradycyjny, czy kocioł kondensacyjny? Który wybrać?
Układ doprowadzenia powietrza i odprowadzenia spalin
Wiele osób (w tym także niektórzy instalatorzy) nie zdaje sobie sprawy z tego, że na uzyskanie deklarowanej przez producenta kotła sprawności duży wpływ ma układ doprowadzenia powietrza i odprowadzenia spalin.
Punkt rosy, czyli temperatura, poniżej której dochodzi do kondensacji pary wodnej, zależy między innymi od ilości powietrza dopływającego do palnika. Informuje o tym współczynnik nadmiaru powietrza λ (lambda). Żeby gaz ziemny wysokometanowy spalał się w całości, potrzeba mniej więcej o 30% więcej powietrza, niż wynika z równania reakcji chemicznej. Współczynnik λ powinien więc wynosić 1,3. Palniki kotłów gazowych mają modulowaną (zmienną) moc – o natężeniu przepływu paliwa decyduje specjalny zawór, a za dostarczanie odpowiedniej i lości powietrza odpowiada wentylator z układem regulacji wydajności. Aby ten układ mógł pracować prawidłowo, zapewniając wymagany współczynnik λ w całym zakresie modulacji mocy, konieczne jest doprowadzanie powietrza i odprowadzanie spalin ściśle określonymi przewodami.
System powietrzno-spalinowy
W instrukcjach montażu wielu kotłów kondensacyjnych można znaleźć informację, że do doprowadzenia powietrza i odprowadzenia spalin można zastosować wyłącznie zestaw powietrzno-spalinowy oferowany przez producenta kotła.
Wynika to z tego, że tylko taki został zoptymalizowany pod kątem działania konkretnego urządzenia. Oczywiście na rynku jest wiele systemów kominowych do kotłów kondensacyjnych oferowanych przez niezależnych producentów, zwykle w cenie atrakcyjniejszej od zestawu „fabrycznego”. Decydując się na tańszy produkt, trzeba jednak liczyć się z tym, że współpracujący z nim kocioł może nie osiągać maksymalnej możliwej sprawności, a jego producent będzie mógł to wytłumaczyć doborem niewłaściwego systemu powietrzno-spalinowego.
By uniknąć problemów, trzeba koniecznie brać pod uwagę zalecenia producenta dotyczące średnicy, długości, liczby i sposobu zmian kierunku prowadzenia przewodów spalinowego oraz doprowadzającego powietrze do spalania.
Regulator pogodowy w gazowym kotle kondensacyjnym
Z czego wynikają kłopoty z działaniem kotła kondensacyjnego
W wielu przypadkach kłopoty z działaniem kotła kondensacyjnego wynikają z wykorzystania do odprowadzania spalin istniejącego tradycyjnego komina, zabezpieczonego wprawdzie przed zniszczeniem przez kwaśne skropliny, ale takiego, w którym nie udało się spełnić wymagań dotyczących przede wszystkim oporów przepływu.
Zdecydowanie najlepiej jest podjąć decyzję o wyborze kotła kondensacyjnego przed wybudowaniem domu, bo wtedy można zrezygnować ze wznoszenia komina murowanego i zastąpić go przewidzianym do wybranego kotła koncentrycznym przewodem powietrzno-spalinowym. W przypadku kotłów o mocy do 21 kW (w domach jednorodzinnych) może on być wyprowadzony z kotłowni przez ścianę i zakończony 0,5 m od niej.
