Kotły kondensacyjne – ogrzewanie gazowe na najwyższym poziomie efektywności

Mimo dynamicznego rozwoju urządzeń grzewczych bazujących na odnawialnych źródłach energii, kotły gazowe wciąż wiodą prym na rynku. Rozwój tej grupy urządzeń dąży do zminimalizowania użycia paliwa oraz redukcji emitowanych spalin oraz optymalizacji współpracy w instalacjach hybrydowych. Na co jeszcze warto zwrócić uwagę przyglądając się kondensacyjny kotłom gazowym? Na to wielowątkowe pytanie znajdziecie odpowiedzi poniżej.

Na jakiej podstawie dobiera się moc kotła?

Zasady doboru kotłów przybliża specjalista DeDietrich: O wymaganej mocy kotła decydują dwa kryteria: popyt na ogrzewanie oraz na podgrzewanie ciepłej wody użytkowej.
Moc kotła dla ogrzewania ma za zadanie pokryć w całości zapotrzebowanie obiektu na ciepło w najzimniejsze dni roku, w praktyce do ujętej w normach temperatury od -16 do -24 °C zależnej od strefy klimatycznej kraju. Dla nowowybudowanych obiektów moc taka powinna być dostępna z projektu. W przypadku starszych budynków można oprzeć się na mocy dotychczasowego źródła ciepła, lub na danych projektowych jeśli są dostępne, a w razie docieplenia budynku, można zlecić wyliczenie tej mocy. W ostateczności możemy spróbować oprzeć się na najmniej wiarygodnej metodzie przeliczania powierzchni obiektu na moc. To ostatnie ma sens, o ile obiekt ma w miarę standardową i spójną konstrukcję oraz użytkowanie. Wówczas dla obiektów słabo izolowanych (starszych) przyjmujemy około 100 W na każdy m2 ogrzewanej powierzchni, do około 40 W/m2 dla nowych i bardzo dobrze izolowanych domów.
Drugie kryterium wymaganej mocy, to moc na podgrzew ciepłej wody użytkowej. Jest ona relatywnie duża paradoksalnie przy niewielkich obiektach, gdzie np. przy jednej łazience można stosować kocioł z bieżącym przygotowaniem ciepłej wody podgrzewanej przepływowo (brak zbiornika ciepłej wody). Tutaj, sprawdzą się urządzenia o mocy nawet 20 do 24 kW. Przepływowe podgrzewanie ciepłej wody wymaga wprawdzie chwilowej, ale jednak dużej mocy. Mocą 24 kW moglibyśmy ogrzać ponad 300 m2 domu o przeciętnej izolacji, ale dla porównania będziemy potrzebowali aż 10 minut, żeby w połowie napełnić ciepłą wodą jedną wannę 200 l. Tutaj o wymaganej mocy kotła decyduje wyłącznie moc na podgrzewanie ciepłej wody.

W obiektach z zastosowanym odpowiedniej pojemności podgrzewaczem ciepłej wody, przy standardowej ilości, wyposażeniu oraz użytkowaniu łazienek i punktów poboru, zalecamy jedynie dodanie do wartości zapotrzebowania ciepła obiektu ok. 0,25 kW na każdego mieszkańca. Można tutaj dodatkowo rozważyć moc kotła na poziomie mocy wężownicy zastosowanego podgrzewacza, jeśli wyznaczona wartość, jest dużo mniejsza od mocy dobranego do zwiększonego zużycia ciepłej wody podgrzewacza.

Kiedy wybrać kocioł z zasobnikiem, a kiedy wystarczy podgrzewanie przepływowe wody?

Wyłącznie tam gdzie mamy zlokalizowaną blisko kotła ograniczoną ilość punktów poboru ciepłej wody, możemy śmiało stosować kocioł z przepływowym podgrzewaniem wody – tzw. kocioł dwufunkcyjny.
O takim przypadku możemy mówić, raczej przy jednej łazience, ewentualnie dodatkowym małym natrysku użytkowanym nierównocześnie. A o bliskości mówimy wówczas, gdy długość całej rury ciepłej wody do najdalszego punktu, nie przekracza ok. 5 m, a jej umiarkowana średnica, nie powoduje zwiększania ilości traconej na początku pobierania nieogrzanej wody. Każde wymaganie wykraczające poza opisane tutaj, wymusza stosowanie kotłów z wewnętrznym lub zewnętrznym podgrzewaczem o określonej pojemności. Do tych dodatkowych wymagań, należy oczekiwanie wysokiego komfortu ciepłej wody jak stabilność jej temperatury i szybka dostępność w wymaganej ilości, w tym możliwość korzystania z wielu poborów równocześnie bez pogarszania tego komfortu.

Czym różnią się parametry sprawności „Hs” i „Hi”?

Zanim opanowano i zastosowano kondensację w urządzeniach grzewczych, a było to relatywnie niedawno, bo około 1980 roku, ich sprawność określano porównując przekazywaną do odbiorów moc z wartością opałową zastosowanego paliwa, tutaj oznaczoną jako Hi (z ang. inferior calorific value – niższa/gorsza wartość opałowa). Wartość opałowa to całe ciepło otrzymane ze spalenia paliwa, ale bez uwzględnienia dodatkowego ciepła zakumulowanego (utajonego) w skraplaniu wody zawartej w spalinach. Tak bowiem jak potrzebna jest całkiem spora porcja energii do odparowania zawartości np. czajnika z gotującą się wodą – tak odwrotnie, przy stworzeniu warunków do kondensacji przez odpowiednie obniżenie temperatury, takie ciepło jest bezstratnie zwracane. Tutaj para wodna jest produktem spalania i jej ilość, a zatem wielkość porcji dodatkowego ciepła zależy od składu chemicznego paliwa. Przy gazie ziemnym to około +11%, a przy oleju opałowym +6% więcej dostępnej teoretycznie energii. Dla odzyskiwania możliwie niemal całości tego ciepła istotne jest, czy udaje się skroplić parę wodną ze spalin jeszcze w kotle, a nie częściowo w kominie, czy nawet za jego wylotem w formie malowniczego białego „dymu”.
Wyznaczając „starą” metodą sprawność kotła kondensacyjnego otrzymujemy często wartości powyżej 100%, ponieważ do obliczeń używamy zaniżonej wartości ciepła w paliwie Hi. Chcąc otrzymać wynik odpowiedni do obecnego stanu wiedzy, do obliczeń stosujemy wartość ciepła spalania Hs (z ang. superior calorific value – wyższa/lepsza wartość opałowa) uwzględniającą również ciepło utajone – co pozwala na uzyskanie logiczniejszych, bo zawsze poniżej 100%, wyników sprawności.
Obliczanie sprawności na bazie ciepła spalania (Hs) można z powodzeniem stosować do urządzeń bez kondensacji – wyniki są niższe, ale przy porównywaniu z innymi urządzeniami z tak samo obliczoną „nowym” wzorem sprawnością, zachowują całkowitą wiarygodność oceny. Trudniej jednak tutaj oszacować, jak daleko jesteśmy od ideału bezstratnego przekazywania energii przy założeniu klasycznej (bez kondensacji) techniki pozyskiwania ciepła z paliwa. Może to tłumaczyć pozostawienie w użytkowaniu równolegle obu wartości: Hi i Hs.

Czy porównując kotły kondensacyjne (o tej samej mocy) wystarczy oprzeć się głównie na danych dotyczących ich sprawności, czy też powinno się brać pod uwagę inne parametry – a jeśli tak, to jakie?

A czy wybierając pojazd warto skupić się wyłącznie na jego minimalnym spalaniu? Raczej nie. Tak jak wybór auta to złożony proces polegający na wypracowaniu kompromisu jego różnych parametrów technicznych i użytkowych oraz ceny, tak wybór kotła to również ocena potrzeb, sposobu użycia i ostatecznej ceny. Właśnie po to, aby spełnić te różne oczekiwania firmy takie jak De Dietrich oferują tak szeroki wybór urządzeń, dostosowany do rożnych wymagań odbiorców. A parametry na które jeszcze należałoby zwrócić uwagę?

• Moc minimalna, jest szczególnie ważna, gdy obiekt wymaga niewielkiej mocy ogrzewania w porównaniu z mocą kotła zdeterminowanego wymaganiem np. przepływowego podgrzewania ciepłej wody. Sytuacja taka opisana jest w pkt 1.
• Zwiększona moc na przygotowanie ciepłej wody jest również ważna, bo jak wykazano we wspomnianym pkt 1, z reguły ciepła woda wymaga znacznie większej chwilowej mocy niż ogrzewanie obiektu. Stąd kocioł o podwyższonej mocy na ciepłą wodę, lepiej dopasuje się do obiektu.
• Hałas, bo gdy kocioł znajdzie się w części przeznaczonej na pobyt ludzi, ważnym parametrem do porównania będzie poziom głośności jego pracy. Istotne jest, aby porównywać te same wielkości. Moc akustyczna (LWA) wymagana przepisami o efektywności, ma wyższą wartość niż średnie natężenie dźwięku w odległości 1 m w skali dBA. Raczej bezużyteczne dla porównań są inne niż wspomniane wartości, tworzone indywidualnie. Tak naprawdę, należy zwracać szczególną uwagę na kryteria każdego podawanego przez producentów parametru (w tym sprawności), ponieważ niestety zbyt często nieuczciwi oferenci, podają je łudząco podobne, lub w specjalnych nie mających odniesienia w zasadniczych przepisach warunkach, sztucznie poprawiając osiągane wartości liczbowe.
• Zużycie energii elektrycznej, emisje tlenków azotu (NOx), czy wreszcie wymiary urządzenia to również parametry zasługujące na uważne prześledzenie w procesie porównywania. Tutaj uwaga odnośnie mocy elektrycznej: kotły z wbudowaną szczególnie wydajną pompą obiegową, która pozwoli na zastosowanie w rozległych instalacjach – wykażą relatywnie duży apetyt na prąd, mimo że wspomniana pompa, zapewne wcale lub rzadko będzie pracowała z maksymalną wydajnością dla jakiej podawane są nominalne zużycia prądu.

Czy każdy kocioł gazowy może współpracować w układach hybrydowych?

W zasadzie każdy kocioł gazowy może współpracować w układzie hybrydowym. Jednak dopiero urządzenie w którym jego sterowanie przystosowane do blokowania pracy palnika na czas efektywnej pracy pompy ciepła, będzie współpracowało bezproblemowo i będzie łatwe do integracji przez instalatora. Stąd zalecane jest opieranie się na urządzeniach oznaczonych „Hybrid ready” lub gotowych zestawach hybrydowych, gdzie algorytm i wyposażenie regulacji przewiduje priorytet pracy pompy ciepła oraz inteligentne sterowanie podgrzewem ciepłej wody.

Z jakimi innymi urządzeniami układ hybrydowy z kotłem gazowym będzie najbardziej efektywny energetycznie?

Zastosowanie paneli fotowoltaicznych ewentualnie rekuperacji to inwestycja w oszczędność energii poprawiająca bilans energetyczny układu oraz wpisująca się w bieżące wytyczne w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Co ważne, pompa ciepła będąca składową układu, znakomicie nadaje się do zasilania energią elektryczną pozyskaną ze słońca, gdyż sposób jej pracy optymalizuje charakterystykę zużycia energii elektrycznej przy stosowanym w naszym kraju sposobie rozliczenia energii.

Czy „efektywność energetyczna” znaczy to samo co „energooszczędność”?

Efektywne wykorzystanie energii, czasami nazywane po prostu efektywnością energetyczną , ma na celu zmniejszenie ilości energii wymaganej do dostarczania produktów i usług.
Natomiast energooszczędność, to zmniejszanie zużycia energii poprzez mniejsze zużycie usługi energetycznej, co można osiągnąć poprzez bardziej efektywne wykorzystanie energii lub zmniejszając ilość wykorzystywanych usług.
Można zatem powiedzieć, że oba terminy mimo pewnych różnic sprowadzają się do chęci zmniejszenia zużycia energii wymaganej dla osiągnięcia celu, więc mogą być w dużym zakresie stosowane zamiennie.

Które elementy kotła mają największy wpływ na efektywność energetyczną całego urządzenia?

Największy wpływ na sprawność ma oczywiście sam wymiennik wodaspaliny. Ale również modulowana i energooszczędna pompa czy nowoczesny palnik z modulacją wentylatora mają niebagatelny wpływ na sprawność cieplną oraz zużycie energii elektrycznej. Pozostałe cechy jak przykładowo izolacja termiczna czy zaawansowany algorytm regulacji mają również choć już nieco mniejsze znaczenie.

W jaki sposób temperatura wody w instalacji wpływa na efektywność pracy kotła?

Zwiększanie temperatury wody w instalacji zawsze prowadzi do stopniowego powiększania strat. Sprawność urządzenia stopniowo maleje, skoro między innymi wypuszczamy do atmosfery cieplejsze spaliny, czyli z większą porcją nieodebranej energii. Jednak szczególnie ważne jest minimalizowanie temperatury wracającej do kotła, w instalacji z kotłem kondensacyjnym. Od tego bowiem, czy znajdziemy się poniżej temperatury kondensacji, zależy czy zaczniemy odbierać ciepło zgromadzone w skroplinach, czy bezpowrotnie „wypuścimy” je przez komin. Proces ten rozpoczyna się dla gazu przy temperaturze ok. 56 °C (dla oleju jeszcze niżej bo ok. 46 °C). Oczywiście im bardziej obniżamy temperaturę w instalacji, w tym większym stopniu prowadzimy do pełniejszej kondensacji już w kotle, a więc odzysku tego dodatkowego ciepła.
Kolejną złą stroną zbędnego zawyżania temperatury w instalacji, jest efekt pogłębiania zjawiska przerywania pracy palnika po osiągnięciu temperatury zadanej w pomieszczeniu. Czy to głowice termostatyczne grzejników, czy np. termostat naścienny wraz z nadmiernym zwiększaniem temperatury zasilania będą wymuszały częstsze i szybsze wyłączenia palnika, tym samym powiększając straty związane z każdym rozruchem palnika. Oprócz obniżania efektywności przyczyniamy się tutaj do znacznie szybszego zużycia podzespołów urządzenia.

Czy inaczej dobiera się moc kotła do starej instalacji a inaczej do nowej, czy nie ma to znaczenia?

W zasadzie jeśli znamy wymaganą dla instalacji moc, wówczas nie ma znaczenia czy jest to instalacja stara czy nowa. Dobieramy kocioł na oczekiwaną moc. Pomocne będą tutaj informacje z pkt 1. Oczywiście rozważamy sprawną instalację. Zanieczyszczoną instalację obiegu wodnego, zasilania paliwem czy spalinową, należy przed montażem nowego kotła koniecznie oczyścić i usprawnić, studząc zapędy do zawyżania mocy kotła ze względu na zakładane niedomagania wyeksploatowanego systemu.
Jednak samo pytanie wywołuje dobry moment, żeby wspomnieć o praktyce podawania przez producentów dwóch wartości mocy kotłów kondensacyjnych. Z reguły podawana jest moc wyższa dla parametrów 50/30 °C (temp. zasilania/ temp. powrotu instalacji) i niższa moc dla parametrów instalacji 80/60 °C.
W praktyce tylko dla obiektów z ogrzewaniem podłogowym możemy do rozważań przyjmować tą wyższą wartość mocy. Instalacje grzejnikowe, w zdecydowanej większości pracują na wyższych temperaturach, właśnie w przypadku starych instalacji sięgając nawet parametrów dla mocy niższej. Będzie zatem mniejszym błędem, jeśli przy braku pełnej wiedzy na temat faktycznej temperatury pracy instalacji, weźmiemy pod uwagę moc niższą lub ewentualnie pośrednią pomiędzy skrajnymi wartościami, gdy spodziewamy się instalacji pracującej na obniżonych parametrach. Bo wtedy gdy będziemy potrzebowali pełną moc urządzenia, na zewnątrz będzie już skrajnie zimno, a oczekiwana temperatura na grzejnikach będzie maksymalna jaką projektowo założono dla pracy systemu.

Jak ważne, z punktu widzenia, długotrwałego użytkowania kotła, jest właściwe ustawienie krzywej grzania?

Jeśli założyć, że niewłaściwym ustawieniem krzywej grzania będzie ustawienie zbyt wysokich temperatur, bo w przypadku zbyt niskich możemy spodziewać się natychmiastowej ingerencji „zmarzniętych” użytkowników, na przykład przez podwyższanie do skutku temperatury zadanej pomieszczenia, to odpowiedź na pytanie o skutki takiej nieprawidłowej temperatury w obiegu, zawarta została w pkt. 9. Jak tam zauważono, zawyżanie temperatury w instalacji zwiększa częstość załączania palnika skracając czas jego pracy. Głowice termostatyczne grzejników i/lub termostat naścienny wraz z nadmiernym zwiększaniem temperatury zasilania będą wymuszały częstsze i szybsze wyłączenia palnika, przyczyniając się do gwałtownego zużycia podzespołów urządzenia.
Co istotne, właściwie ustawiona krzywa grzewcza będzie wykazywać niewielkie przegrzewanie, gdy np. pomieszczenia dogrzewa ciepło słoneczne. Ustawienie będzie zatem prawidłowe, gdy osiągniemy oczekiwaną temperaturę bez dogrzewającego słońca, lecz nawet przy dodatkowym wychładzaniu bryły obiektu zimnym wiatrem. Przy każdej „lepszej” pogodzie ewentualny przegrzew powinny skorygować głowice termostatyczne lub termostat pomieszczeniowy.

W jakim kierunku zmierza rozwój nowoczesnych kotłów kondensacyjnych?

Udoskonalanie kotłów to obecnie głównie poszukiwanie trwałych rozwiązań o coraz niższych emisjach i zużyciu zarówno energii z paliwa jak i elektrycznej, oraz stosowanie materiałów i technologii produkcji zmniejszających negatywny wpływ na środowisko.
Jednak dbałość o naszą planetę skłania producentów urządzeń grzewczych takich jak De Dietrich do poszukiwania jeszcze bardziej śmiałych, by nie powiedzieć rewolucyjnych projektów. Szukając ponadprzeciętnych ekologicznych rozwiązań w tej firmie badane są w „warunkach polowych” możliwości spalania w standardowym kotle wodoru (H2) tak aby produktem spalania była wyłącznie czysta woda. Ze względu na pochodzenie paliwa jak i produkty spalania wprowadza to kotły na zupełnie nowy poziom globalnej i perspektywicznej dbałości o środowisko i przyszłe pokolenia.