Ekologiczne kotły na biomasę

Piątek, 06 Sierpień 2010

Fot.: GALMET
Fot. 1 Kocioł EKO GT-KPP, przeznaczony do spalania peletów drzewnych

Paliwo

Drewno jak i słoma są paliwem o zerowym bilansie dwutlenku węgla (CO₂) - ilość emitowanego w spalinach dwutlenku węgla jest zbliżona do ilości tego gazu pochłoniętego przez roślinę w czasie jej wzrostu.
Najwięcej ciepła uzyskamy ze spalania drewna o wilgotności 15-20%. Drewno świeżo ścięte w lesie ma wilgotność dochodzącą do 100%. Po sezonowaniu przez jedno lato wilgotność redukuje się do ok. 40%. W trakcie sezonowania przez następne lata wilgotność spada do ok. 25%. Najniższą wartość jaką można uzyskać w naturalnych warunkach sezonowania pod zadaszeniem to ok. 18%. Wartość opałowa drewna sezonowanego rośnie około dwukrotnie w porównaniu do świeżego drewna. Wilgotność słomy jako paliwa powinna wynosić 18-25%. Największą wartość opałową ma słoma szara, czyli pozostawiona przez pewien czas po ścięciu na działanie warunków atmosferycznych, a następnie wysuszona.
Z odpadów drewna i słomy produkuje się pelet. W wyniku działania prasy o dużym ciśnieniu są sprasowane i powstaje granulat o kształcie walca o średnicy 6-10 mm i długości 10-30 mm. Pelet może być spalany w kotłach z podajnikiem paliwa - ze zbiornika paliwo podawane jest automatycznie do kotła.

Rodzaje kotłów na biomasę

Fot.: NIBE-Biawar
Fot. 2 Zestaw PELLUX firmy Nibe-Biawar

W zależności od rodzaju paliwa kotły mają odpowiednią konstrukcję. Regulacja wydajności realizowana jest przez dostarczenie do kotła odpowiedniej ilości paliwa i przez sterowanie ilością doprowadzanego powietrza do spalania.
Paliwo może być uzupełniane ręcznie i wystarcza zazwyczaj na kilka do kilkunastu godzin. Większy komfort obsługi kotła, związany z załadunkiem paliwa co kilka dni, zapewniają kotły z podajnikiem paliwa. W tego rodzaju urządzeniach paliwo magazynowane jest w zasobniku lub magazynie paliwa, skąd automatycznie podawane jest do kotła. Specjalnymi kanałami dostarczane jest powietrze do strefy spalania przez wentylator. Wydajnością wentylatora i ilością paliwa dostarczanego do kotła steruje elektroniczny regulator, który w ten sposób kontroluje warunki spalania i reguluje moc grzewczą urządzenia.
Kotły z górnym spalaniem – paliwo spalane jest w całej swojej objętości, moc kotła zależy od stanu jego napełnienia paliwem i ilością doprowadzanego powietrza.
Kotły z dolnym spalaniem – podczas spalania żarzy się tylko dolna warstwa paliwa. Po wypaleniu się, następna cześć paliwa z zasobnika zajmuje jej miejsce. Można powiedzieć, że w kotłach z dolnym spalaniem paliwo dozowane jest samoistnie, w zależności od potrzebnej mocy grzewczej. Tutaj również moc grzewczą kotła reguluje ilość powietrza dostarczanego do spalania.
Maksymalne wykorzystanie energii zawartej w drewnie zapewniają kotły zgazowujące drewno. Zamieniają one drewno na gaz drzewny, który następnie jest spalany. Spaliny zawierają jedynie dwutlenek węgla i parę wodną, ich „czystość” porównywalna jest do spalin z kotłów gazowych. Przy właściwej eksploatacji kotła nie zauważymy dymu wydobywającego się z komina. Podczas spalania powstają minimalne ilości popiołu, który wystarczy usunąć z kotła raz na dwa tygodnie.
W zależności od zapotrzebowania na ciepło wentylator dostarcza odpowiednią ilość powietrza do spalania. Elektroniczny regulator sterując pracą wentylatora reguluje moc grzewczą kotła, np. w zakresie od 30 do 100% jego znamionowej mocy cieplnej. Stosowane są wentylatory nadmuchowe lub odciągowe. Wentylator odciągowy ma tę zaletę, że zapewnia stabilizację ciągu kominowego podczas całego cyklu pracy kotła niezależnie od warunków atmosferycznych (częste zmiany pogody mogą powodować skokowe zmiany ciągu kominowego, w skrajnych przypadkach skutkuje to porywaniem niedopalonych części paliwa lub „duszenie” kotła z powodu zbyt małego ciągu kominowego). Wentylator odciągowy wytwarza podciśnienie w komorze zgazowania i spalania – spaliny i gazy nie mają możliwości wydostania się z kotła do pomieszczenia.

Sprawność kotła

Fot.: ELEKTROMET
Fot. 3 Kocioł EKO-PED 20 kW

O sprawności kotła na biomasę w dużym stopniu decyduje jakość zastosowanego paliwa jak i właściwe dobranie jego mocy grzewczej do danego budynku. Nowe budynki potrzebują stosunkowo mało ciepła do ich ogrzania. Przykładowo, dom jednorodzinny o powierzchni ogrzewanej 200 m² może potrzebować jedynie 10 kW ciepła grzewczego przy obliczeniowej temperaturze zewnętrznej -20°C. Również starsze budynki, po modernizacji i ociepleniu przegród zewnętrznych, będą potrzebować mniej ciepła niż pierwotnie, co pozwoli na zastosowanie kotła o mniejszej mocy grzewczej. Często producenci podają współczynniki (np. zapotrzebowania na ciepło na podstawie powierzchni budynku), za pomocą których łatwo można dobrać kocioł o odpowiedniej mocy grzewczej dla danego budynku. Ale, łatwo wcale nie oznacza dobrze.
Należy pamiętać, że takie obliczenia mają jedynie charakter orientacyjny. Każdy budynek wymaga indywidualnego podejścia do sposobu jego ogrzewania i tylko dokładne obliczenia zapotrzebowania na ciepło pozwolą zastosować urządzenie o odpowiedniej mocy oraz optymalnie rozwiązać instalację grzewczą.
Moc kotła pracującego na potrzeby ogrzewania budynku powinna być równa lub większa od zapotrzebowania na ciepło budynku o maksymalnie 10%. Dotyczy to sytuacji, w której używane jest paliwo o odpowiedniej jakości – zalecane przez producenta. Stosowanie paliwa o niskiej jakości może obniżyć moc kotła nawet o 50% w stosunku do mocy nominalnej. Jeśli kocioł ogrzewa budynek i wodę użytkową należy to uwzględnić. Jeśli zapotrzebowanie na ciepło do c.w.u. nie przekracza 20% zapotrzebowana na ciepło budynku to można ją pominąć. Jeśli jest większe, to moc kotła powinna być większa lub równa sumie zapotrzebowania budynku na ciepło i ciepła potrzebnego do ogrzewania wody użytkowej.
Przez około 95% okresu grzewczego temperatury zewnętrzne oscylują w okolicach 0°C. W tym okresie kocioł będzie pracował z mocą niższa od nominalnej – przy obciążeniu częściowym. Jedynie przez kilka do kilkunastu dni występują obliczeniowe temperatury zewnętrzne gdzie wykorzystana zostanie moc kotła zbliżona do nominalnej, której może odpowiadać maksymalna sprawność kotła. Właściwe dopasowanie kotła do potrzeb cieplnych budynku nie tylko obniży koszt inwestycji, ale przede wszystkim zapewni niższe koszty ogrzewania ponieważ kocioł będzie pracował z wyższą sprawnością również przy obciążeniu częściowym, czyli przez zdecydowanie większą część okresu grzewczego. Kotły zasilane paliwem stałym osiągają najwyższą sprawność zazwyczaj przy znamionowej lub zbliżonej od niej mocy grzewczej urządzenia.

Przebieg sprawności różnych kotłów w zależności od obciążenia

Kotły na biomasę produkowane są zazwyczaj o mocy grzewczej od ok. 20 kW. Dla budynków, których zapotrzebowanie na ciepło wynosi maksymalnie np. 10 kW, kocioł taki będzie znacznie przewymiarowany. Praktycznie przez cały okres grzewczy będzie pracował z niską sprawnością zużywając więcej paliwa. Rozwiązaniem tego problemu będzie zastosowanie w instalacji zasobnika buforowego wody grzewczej jako akumulatora ciepła. Zasobnik jest to zbiornik o pojemności min. 25 litrów/ kW mocy kotła, w którym magazynowana jest woda ogrzana przez kocioł. Instalacja grzewcza pobiera z zasobnika tyle ciepła ile w danej chwili potrzebuje budynek do jego ogrzania (w zależności od temperatur zewnętrznych). Dzięki temu kocioł może pracować z mocą zbliżoną do optymalnej a nadwyżki ciepła są magazynowane w zasobniku. Wpływa to korzystnie na lepsze wykorzystanie paliwa (wysoka sprawność kotła), na wydłużenie czasu pomiędzy kolejnym załadunkiem paliwa oraz wydłuża trwałość kotła. Dzięki zasobnikom akumulacji ciepła oszczędności w zużyciu paliwa mogą wynieść nawet 30%. Oprócz jakości paliwa, na sprawność i trwałość kotła mają też znaczny wpływ sposób regulacji i właściwa eksploatacja.

Regulacja

Układy regulacji kotłów mają zapewnić optymalne wykorzystanie paliwa zgodnie z zapotrzebowaniem. Mają również podnieść komfort obsługi kotła i instalacji grzewczej, oraz zapewnić ochronę kotła przed uszkodzeniem.
W kotłach o prostej konstrukcji regulacja temperatury wody grzewczej odbywa się przez termostat, który steruje ilością powietrza doprowadzonego do spalania, utrzymując w ten sposób zadana temperaturę wody grzewczej W kotłach wyposażonych w wentylator powietrza regulator elektroniczny zwiększa lub zmniejsza wydajność wentylatora. Przez zmianę jego prędkości obrotowej dostarczana jest odpowiednia ilość powietrza do spalania. W ten sposób regulowana jest moc grzewcza kotła, który może pracować z mocą np. od 30 do 100% swojej znamionowej mocy grzewczej. Najbardziej złożone układy regulacji sterują pracą wentylatora, ilością podawanego paliwa, kontrolują czy nie cofa się płomień z palnika do zasobnika paliwa, kontrolują i regulują temperaturę wody grzewczej powracającej z instalacji grzewczej do kotła, oraz mogą sterować pracą pomp obiegowych i zaworów mieszających w zależności od temperatury na zewnątrz budynku (regulacja pogodowa) i temperatury w pomieszczeniu.
Niektóre kotły wyposażane są w dodatkowy wymiennik ciepła, który chroni urządzenie przed nadmiernym wzrostem temperatury wody grzewczej, np. przy braku zasilania energii elektrycznej. Wymiennik schładzający wykonany jest w formie wężownicy (wężownica schładzająca). Po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury wody w kotle, zawór termostatyczny otwiera się i zimna woda wodociągowa przepływa przez wężownicę. Po odebraniu ciepła z kotła ogrzana w wężownicy woda wyrzucana jest następnie do kanalizacji. Wężownica schładzająca jest dodatkowym elementem, który chroni kocioł przed przegrzaniem i uszkodzeniem jego elementów. Kotły wyposażone w wężownicę schładzająca mogą być stosowane w instalacjach zamkniętych.

Obsługa

Fot.: SAS
Fot. 4 Kocioł SAS AGRO-ECO

Każdy kocioł w mniejszym lub większym stopniu wymaga obsługi, która związana jest z uzupełnianiem paliwa i jego regularnym czyszczeniem. Tak więc, udział użytkownika kotła ma olbrzymie znaczenie dla zapewnienia właściwej pracy urządzenia. To użytkownik decyduje o tym jakie paliwo stosuje – o dobrej czy niskiej jakości. Co będzie mieć duży wpływ na koszty ogrzewania oraz na trwałość i niezawodność kotła.
Szczególnie okresowe czyszczenie ma duże znaczenie na efektywne wykorzystanie paliwa. Gdyż osady na powierzchni wymiany ciepła powodują znaczny spadek sprawności urządzenia lub nawet uszkodzeniem jego elementów. Jednak decydując się na ogrzewanie kotłem na biomasę, mimo konieczności jego obsługi, można zapewnić sobie jedne z najniższych kosztów ogrzewania przy stosunkowo niskich kosztach inwestycji.
Decydując się na ogrzewanie biomasą nie musimy rezygnować z komfortu jaki zapewniają nowoczesne systemy grzewcze. Oczywiście, kotły na biomasę wymagają w większym lub mniejszym stopniu obsługi, ale niewątpliwą ich zaletą są niskie koszty ogrzewania i przyjazny dla środowiska naturalnego sposób pracy.

K.G.