Wybór kotła gazowego cz. 2

Wybierając kocioł gazowy do domu jednorodzinnego musimy wziąć pod uwagę wiele czynników. Oprócz odpowiedniej mocy kotła, wydajności ciepłej wody użytkowej, również spełnienie podstawowych oczekiwań użytkownika – czyli oszczędną i niezawodną pracę kotła. Jednym z kryteriów wyboru odpowiedniego kotła będzie decyzja, wybrać kocioł kondensacyjny czy tradycyjny (niekondensacyjny). Kocioł kondensacyjny pod względem funkcji nie różni się od kotła tradycyjnego. Bez kłopotu znajdziemy kocioł o odpowiedniej mocy grzewczej, stojący lub wiszący, jedno- lub dwufunkcyjny. Podobnie jak kocioł tradycyjny może on ogrzać wodę grzewczą do temperatury nawet 90°C. Czym się więc różnią? Wyższą sprawnością, czyli oszczędniejszą pracą dzięki kondensacji oraz nowoczesnym rozwiązaniom technicznym.

Technika kondensacyjna

Technika kondensacyjna jest wysokosprawną techniką pozyskiwania ciepła z gazu ziemnego i oleju opałowego. W kotłach kondensacyjnych oprócz ciepła spalin wykorzystuje się również energię cieplną zawartą w parze wodnej. Przez wykroplenie wody ze spalin (kondensacja), odzyskuje się znaczne ilości ciepła, które w kotłach tradycyjnych jest bezpowrotnie tracone do atmosfery.
Przy spalaniu gazu ziemnego lub oleju opałowego, które składają się głównie ze związków węgla (C) i wodoru (H), w wyniku reakcji z tlenem atmosferycznym (O₂) powstaje dwutlenek węgla (CO₂) i woda (H₂O). Dla gazu ziemnego (metan CH₄) uproszczone równanie reakcji spalania ma postać:

CH₄ + 2 O₂ -> 2 H₂O + CO₂ + ciepło

Jeśli temperatura powierzchni wymiany ciepła po stronie spalin jest niższa od punktu rosy, to ze spalin wykrapla się woda – powstaje kondensat. Ze względu na różnice składu chemicznego gazu ziemnego i oleju opałowego, temperatury, w których następuje kondensacja pary wodnej ze spalin są także różne. Przy prawie stechiometrycznych warunkach spalania temperatura rosy dla pary wodnej ze spalin gazu ziemnego wynosi ok. 57°C, a dla oleju opałowego ok. 47°C.

Teoretyczny zysk ciepła dzięki kondensacji wynosi 11% dla gazu ziemnego, a dla oleju opałowego 6%. Dodatkowe zyski ciepła w kotłach kondensacyjnych, oprócz samej kondensacji, uzyskuje się dzięki mniejszej stracie kominowej związanej z niższą temperaturą odprowadzanych spalin. Istotne znaczenie mają również zastosowane rozwiązania techniczne i materiały, które zapewniają wysoką sprawność kotła w czasie jego normalnej pracy – ze zmiennym obciążeniem. Oszczędniejsza praca gazowych kotłów kondensacyjnych w porównaniu z tradycyjnymi może wynieść do ok. 20-25%, a w porównaniu ze starymi kotłami nawet 30%.

Sprawność ponad 100%?

Żadne urządzenie nie pracuje ze sprawnością ponad 100%. Podawana sprawność kotłów kondensacyjnych do 109% wynika ze sposobu jej obliczania. Dawniej nie można było wykorzystać ciepła kondensacji, ponieważ stosowane materiały nie były w wystarczającym stopniu odporne na szkodliwe działanie kondensatu. Dla tego, w obliczeniach sprawności kotłów przyjęto jako wielkość odniesienia wartość opałową paliwa. Jeśli wykorzystamy ten sposób obliczenia sprawności i dodatkowo uwzględnimy ciepło kondensacji, to uzyskamy sprawność kotła przekraczającą 100%. Zgodnie z normami, ten sposób obliczania sprawności nadal obowiązuje.

Wartość opałowa określa ilość ciepła uzyskaną przy całkowitym i zupełnym spaleniu jednostki paliwa, przy czym, odprowadzana para wodna pozostaje w postaci lotnej. Ciepło spalania, określa natomiast, ilość ciepła uzyskanego przy całkowitym i zupełnym spaleniu jednostki paliwa, łącznie z ciepłem parowania zawartym w parze wodnej spalin.

Uwzględniając przy obliczaniu sprawności kotła ciepło spalania, uzyskamy jego rzeczywistą sprawność, które będzie niższa od 100%. Przykładowo, sprawność gazowego kotła kondensacyjnego uwzględniającego tylko wartość opałową wynosi 109%, a tradycyjnego 91%. Natomiast, uwzględniając ciepło spalania w obliczeniach – kocioł kondensacyjny będzie miał sprawność 98%, a tradycyjny 82%.

A – gazowy kocioł kondensacyjny w instalacji grzewczej 40/30°C;
B – gazowy kocioł kondensacyjny w instalacji grzewczej 75/60°C;
C – niskotemperaturowy kocioł grzewczy (bez ograniczenia dolnej temperatury powrotu);
D – kocioł grzewczy z 1987 r. (ograniczenie dolnej temperatury powrotu: 40°C;
E – kocioł grzewczy z 1975 r. (stała wysoka temperatura wody kotłowej: 75°C).

Rys. 1. Temperatura punktu rosy pary wodnej.

Rys. 3. Sprawności znormalizowane dla różnych typów kotłów.

Rys. 2. Wykorzystanie ciepła spalin w kotle kondensacyjnym.

Kocioł kondensacyjny i grzejniki

Najwyższą sprawność uzyskują kotły kondensacyjne przy niskich temperaturach wody grzewczej. Nie wyklucza to jednak zastosowania kotła kondensacyjnego w typowej instalacji grzejnikowej. Instalację grzewczą projektuje się na określone parametry wody grzewczej np. 75/65°C dla obliczeniowych temperatur zewnętrznych np. -16°C (w zależności od danej strefy klimatycznej). Czyli, przy temperaturze na zewnątrz budynku wynoszącej -16ºC kocioł powinien ogrzać wodę zasilającą instalację grzewczą do 75°C aby zapewnić wymaganą temperaturę w ogrzewanych pomieszczeniach.

Obliczeniowe temperatury zewnętrzne występują przez kilka do kilkunastu dni w okresie grzewczym. W zdecydowanie większej części okresu grzewczego temperatury zewnętrzne są znacznie wyższe, czyli do ogrzania budynku potrzebna jest woda grzewcza o niższej temperaturze.

Rys. 4. Udział pracy grzewczej w funkcji temperatury zewnętrznej.

Rysunek nr 4 przestawia udział procentowy dni okresu grzewczego, w którym występują określone temperatury zewnętrzne, oraz jak zmienia się temperatura wody grzewczej w zależności od temperatury zewnętrznej w instalacji grzejnikowej zaprojektowanej na temperaturę 75/65°C: linia czerwona – temperatura wody grzewczej zasilającej instalację; niebieska – temperatura powrotu.

Jak wynika z wykresu, nawet w instalacji zaprojektowanej na stosunkowo wysoką temperaturę wody grzewczej 75/60°C, przy temperaturach zewnętrznych aż do ok. -11,5°C, temperatura powrotu wody grzewczej będzie na tyle niższa od punktu rosy, że kondensacja pary wodnej ze spalin będzie możliwa. Tak wiec, nawet przy typowej instalacji grzejnikowej można spodziewać się że kocioł kondensacyjny będzie pracował ze sprawnością ponad 100% przez zdecydowanie większą część okresu grzewczego.

Oczywiście, można zaprojektować grzejniki na niską temperaturę wody grzewczej np. 55/45°C i korzystać z wysokiej sprawności kotła w całym okresie grzewczym. Jednak przy tak niskich temperaturach wody grzewczej grzejniki będą miały duże wymiary co przełoży się na wyższy koszt instalacji. Przykładowo, załużmy że potrzebujemy grzejnik o mocy 1600 W, wybieramy typ 22 o wysokości 550 mm, wówczas jego długość wyniesie dla temperatur wody grzewczej 75/60°C: 1000 mm, a dla 55/45°C: 1800 mm.

Tak więc, stosując kocioł kondensacyjny możemy liczyć na spore oszczędności na kosztach ogrzewania nawet w typowej instalacji grzejnikowej zaprojektowanej na „normalną” temperaturę wody grzewczej. W takiej instalacji, jedynie przez kilka (kilkanaście) dni w okresie grzewczym kocioł będzie pracował ze sprawnością niższą od 100%, która i tak będzie wyższa od sprawności tradycyjnego kotła gazowego.

Krzysztof Gnyra