Kocioł kondensacyjny i grzejniki

Kocioł kondensacyjny, podobnie jak tradycyjny, może ogrzewać wodę zasilającą instalację grzewczą nawet do temperatury 80°C. Ale, im temperatura wody jest niższa, tym kocioł pracuje efektywniej. Na oszczędną pracę kotła kondensacyjnego szczególnie istotny wpływ ma temperatura wody powracającej z instalacji grzewczej do kotła, im jest niższa tym kocioł pracuje z wyższą sprawnością.

Bez wątpienia, najlepszym do współpracy z kotłem kondensacyjnym jest ogrzewanie podłogowe i ścienne, które w znacznym stopniu przekazują ciepło do ogrzewanych pomieszczeń przez promieniowanie. Tutaj, przy maksymalnie niskich temperaturach zewnętrznych do ogrzania wystarczy woda o temperaturze do 50°C. Ale i z grzejnikami zaprojektowanymi na „normalną” temperaturę wody grzewczej kocioł kondensacyjny będzie pracował znacznie oszczędniej od tradycyjnego.

Grzejniki

Grzejniki dostępne na rynku różnią się materiałami z jakich zostały wykonane, konstrukcją i wydajnością grzewczą. Przede wszystkim, różnią się sposobem przekazywania ciepła do ogrzewanych pomieszczeń. Przy ogrzewaniu podłogowym, grzejnikiem jest cała powierzchnia podłogi, która ok. 70% ciepła oddaje przez promieniowanie, a jedynie 30% przez konwekcję (ruch powietrza).

Grzejniki oddają ciepło przez konwekcję i promieniowanie. W najczęściej spotykanych rodzajach grzejników udział przekazywania ciepła można znacznie się różnić, co przełoży się efektywność pracy grzejnika szczególnie przy niskich temperaturach wody grzewczej. [1]

W instalacjach grzewczych, najczęściej stosowane są grzejniki płytowe. Wykonane z płaskich lub perforowanych pionowo płyt stalowych którymi przepływa woda grzewcza. Pomiędzy płytami znajdują się aluminiowe blachy konwektorów, które zwiększają powierzchnię wymiany ciepła – ogrzewają powietrze przepływające przez grzejnik.

Grzejniki płytowe przekazują ciepło do 35% przez promieniowanie.

Grzejniki konwektorowe (tzw. konwektory), składają się z obudowy, w której znajdują się rury miedziane z nasuniętymi blachami aluminiowymi. Dla większej skuteczności przekazywania ciepła wyposaża się je w wentylatory, które wymuszają przepływ powietrza przez wymiennik. Przekazywanie ciepła w tych grzejnikach odbywa się praktycznie wyłącznie przez konwekcję.

Grzejniki aluminiowe, wykonane są jako odlewy ze stopów aluminium, z kanałami powietrznymi. Oddają ciepło głównie przez konwekcję, a jedynie od 4 do 8% przez promieniowanie.

Grzejniki członowe (żeliwne i stalowe), składają się z pojedynczych członów połączonych ze sobą.

Przekazywanie ciepła odbywa się w 85 do 90% przez konwekcje, a jedynie do 15% przez promieniowanie.

W tabeli poniżej można zobaczyć jak zmieniają się wymiary (długość) grzejników płytowych i kanałowych (konwektorów), dla różnych projektowanych temperatur wody grzewczej. [2]. Przyjęto, że grzejnik powinien mieć wydajność 1200 W, przy temperaturze w pomieszczeniu 20°C.

Tab. 1 Wpływ temperatury wody grzewczej na wymiary danego rodzaju grzejnika – na długość grzejnika

Rodzaj grzejnika		Temperatura wody grzewczej [°C]
		75/65	70/55	65/50	55/45
Płytowy	Wydajność grzejnika [W]	1176	1174	1200	1200
	Typ grzejnika	22 CV	22CV	22CV	22CV
	Wysokość [mm]	500	500	500	500
	Długość [mm]	800	1000	1200	1600
Kanałowy, bez wentylatora	Wydajność grzejnika [W]	1191	1212	1167	–
	Typ grzejnika	FMK	FMK	FMK	–
	Szerokość [mm]	420	420	420	–
	Wysokość [mm]	140	140	140	–
	Długość [mm]	2300	2900	3300	–
Kanałowy, z wentylatorem	Wydajność grzejnika [W]	1539	1288	1178	1345
	Typ grzejnika	FMT	FMT	FMT	FMT
	Szerokość [mm]	420	420	420	420
	Wysokość [mm]	140	140	140	140
	Długość [mm]	1100	1100	1300	1700

Przy niskiej temperaturze wody grzewczej 55/45°C ten sam grzejnik płytowy będzie dwa razy dłuższy niż dla temperatur 75/65°C.

Grzejniki kanałowe (konwektory) i płytowe różnią się budową i sposobem pracy, ale widać wyraźnie jak zmienia się długość grzejnika przy obniżaniu temperatury wody grzewczej. Grzejnik konwekcyjny, dla temperatur 65/50°C jest o 1000 mm dłuższy niż przy 75/65°C. Natomiast, grzejnik płytowy będzie dłuższy tylko o 400 mm.

Grzejniki, które w znacznym stopniu przekazują ciepło przez promieniowanie skuteczniej pracują w niższych temperaturach wody grzewczej. Chociaż, wystarczy dołożyć do grzejnika konwekcyjnego wentylator aby również efektywnie pracował przy niskich temperaturach wody grzewczej, bez konieczności stosowania długiego grzejnika.

Sprawność kotła

Istotnym czynnikiem wpływającym na efektywność kotła kondensacyjnego jest sposób jego pracy w sezonie grzewczym, przy zmiennym obciążeniu. Co zależy przede wszystkim od temperatur zewnętrznych i przekłada się bezpośrednio na temperaturę wody w instalacji grzewczej.

Kotły kondensacyjne pracują z najwyższą sprawnością przy dodatnich temperaturach zewnętrznych (przy małym obciążeniu). A takich dni w sezonie grzewczym jest zdecydowana większość. W Warszawie (III strefa klimatyczna), w okresie od 1951 do 2000 roku, średnio w roku występowały [3]:

• 69 dni o temperaturze w zakresie od 10 do 15°C
• 134 dni z temperaturami od 0 do 10°C (od sierpnia do czerwca)
• 62 dni o temperaturze od -10 do 0°C (od października do kwietnia)
• 8 dni o temperaturze poniżej -10°C (od listopada do marca)

Uwzględniając tylko dni zimne i bardzo zimne (poniżej 10°C), średni sezon grzewczy w Warszawie trwa 204 dni. W tym okresie występuje: 66% dni o temperaturach dodatnich, 30% o temperaturze od -10 do 0°C i tylko 4% dni bardzo i skrajnie zimnych (z temperaturami poniżej -10°C).

W kotłach kondensacyjnych, przy temperaturze powierzchni wymiany ciepła po stronie spalin niższej od temperatury punktu rosy, z pary wodnej zawartej w spalinach wykrapla się woda (kondensat). Jeśli w kotle woda grzewcza i spalin prowadzone są przeciwprądowo, to ilość tworzących się skroplin i temperatura spalin zależą prawie wyłącznie od temperatury wody powracającej z instalacji grzewczej do kotła. [4] Na rys. 1 pokazano jak zmienia się temperatura wody w instalacji zaprojektowanej na wysokie i niskie temperatury wody grzewczej, w zależności od temperatury zewnętrznej.

W instalacji zaprojektowanej na temperaturę 55/45°C, kocioł będzie pracował z maksymalną sprawnością niezależnie od temperatur zewnętrznych. Inaczej będzie w instalacji zaprojektowanej na stosunkowo wysoką temperaturę wody grzewczej: 75/65°C. Przez ponad 196 dni w okresie grzewczym woda powracająca z instalacji do kotła będzie miała niższą temperaturę od punktu rosy. Czyli przez ponad 96% dni okresu grzewczego kocioł kondensacyjny będzie pracował z wysoką sprawnością – z kondensacją.

Kotły kondensacyjne osiągają sprawność do 109%, tradycyjne do 92 – 95% (w odniesieniu do wartości opałowej paliwa). Wykres sprawności kotłów kondensacyjnych i tradycyjnego pokazuje rys 2.

Na wysoką efektywność pracy kotła kondensacyjnego w ciągu roku duży wpływ ma utrzymanie temperatury wody powracającej z instalacji grzewczej do kotła na jak najniższym poziomie – poniżej tzw. punktu rosy, tj dla gazu ziemnego 57°C. Dla tego, kotły kondensacyjne pracują z najwyższą sprawnością w instalacjach zaprojektowanych na niską temperaturę wody grzewczej. Jednak, nie należy tutaj przesadzać. Różnica na kosztach ogrzewania w instalacji zaprojektowanej na temperaturę wody grzewczej 75/60°C i 40/30°C wyniesie zaledwie 3% w ciągu roku [4]. Natomiast, koszt instalacji grzejników zaprojektowanych na niską temperaturę wody grzewczej będzie zdecydowanie większy od „normalnych”.

Oszczędności na kosztach ogrzewania gazowych kotłów kondensacyjnych w porównaniu z tradycyjnymi wynoszą od 8 do 15%, a przy bardziej zaawansowanych technicznie urządzeniach do 20% w ciągu roku. Nawet w instalacji grzejnikowej zaprojektowanej na „normalną” temperaturę wody grzewczej (np. 70/55°C), kocioł kondensacyjny przez zdecydowanie większą część okresu grzewczego będzie pracował z wysoką sprawnością zapewniając niskie koszty ogrzewania.

Znaczne przewymiarowanie grzejników jest niepotrzebne, chyba że inwestor planuje w niedalekiej przyszłości przejść na pompę ciepła. Duże grzejniki podniosą koszt wykonania instalacji a dodatkowe oszczędności na kosztach ogrzewania jakie dzięki nim uzyskamy będą niewspółmierne do kosztów inwestycji.

Daniel Graf

Literatura:
1. „Kolektory słoneczne, pompy ciepła – na tak”, praca zbiorowa pod kierunkiem Mirosława Zawadzkiego. Oficyna wydawnicza firmy Ekologia sp z o.o., Warszawa 2003
2. Dane techniczne grzejników firmy PURMO
3. „Warunki odczucia cieplnego określone na podstawie temperatury średniej dobowej (na przykładzie Warszawy)” z Zakładu Klimatologii Wydziału Geografii i Studiów Regionalnych Uniwersytetu Warszawskiego, Urszula Kossowska- Cezak. Borgis – Balneologia Polska 1-2/2005, s. 49-55
4. „Kompendium wiedzy, ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo”, Recknagel, Sprenger, Schramek. Omni Scala sp. z o.o., Wrocław 2008