Kotły kondensacyjne - zasada działania

W kotłach kondensacyjnych następuje kondensacja zawartej w spalinach pary wodnej (powstałej w wyniku spalania gazu), a odzyskana dzięki temu dodatkowa energia zostaje przekazana do instalacji c.o. W kotłach konwencjonalnych energia ta jest bezpowrotnie tracona, ponieważ ciepła para wodna uchodzi wraz ze spalinami przez komin. Dzięki odzyskanej dodatkowej energii ciepła skraplania, kotły kondensacyjne mają o wiele wyższą sprawność w stosunku do kotłów konwencjonalnych.

Zobacz koniecznie >> Kotły kondensacyjne - zestawienie oferty producentów

Sprawności graniczne kotłów kondensacyjnych

Stosunek Hs/Hi będący wskaźnikiem wykorzystania techniki kondensacyjnej dla gazu ziemnego wynosi 1,11. Odnosi się to do wszystkich rodzajów gazu ziemnego. Uzyskanie sprawności 111%, jest więc granicą technicznych możliwości w kotłach opalanych gazem ziemnym. Niektórzy producenci kotłów podają obecnie w swych materiałach wartość bardzo zbliżoną; 109% (dla parametrów wody 40/30°C).

W przypadku skroplonych gazów węglowodorowych (gaz płynny) ; wartość graniczna dla propanu wynosi 109%.

fot.: Beretta - gazowe kotły kondensacyjne lepiej wykorzystują energię paliwa: jednym z najbardziej efektywnych energetycznie kotłów dostępnych na polskim rynku jest kocioł z serii Exclusive Green E marki Beretta, którego sercem jest rurowy wymiennik wykonany ze stopu aluminium

Straty cieplne

Jednak zarówno w wysokosprawnych kotłach niekondensacyjnych, jak też kondensacyjnych, nie jest możliwe całkowite wykorzystanie ciepła spalania, z uwagi na nieuniknione straty cieplne. Największe z nich to:
 

• strata wylotowa, inaczej kominowa; zależna głównie od temperatury spalin opuszczających kocioł,
• straty ciepła spowodowane wymianą ciepła do powietrza otaczającego kocioł, obejmujące również tzw. straty zachowania gotowości do pracy. 

W kotłach kondensacyjnych w porównaniu z tradycyjnymi mniejsza jest jednak strata kominowa, niższa jest bowiem temperatura spalin i nieco mniejsze są straty ciepła do otoczenia ; najczęściej niższe są też parametry wody. Kotły te standardowo są wyposażone w niskoemisyjne palniki z regulacją modulowaną, dzięki którym ograniczone zostają m.in. straty gotowości do pracy (krótkie okresy stygnięcia kotła).

fot.: SBS - Wiszący, gazowy kocioł kondensacyjny

Sprawność a warunki odniesienia

Zawsze należy upewnić się do jakich warunków pracy kotła odniesione są wartości sprawności podane w danych technicznych kotła. Ważne jest, czy jest to wartość uśredniona odniesiona do całego sezonu grzewczego czy też odnosi się ona do obciążenia nominalnego. Zawsze też należy sprawdzić dla jakich parametrów wody jest ona podana. Ideałem byłoby zamieszczanie w danych technicznych kotła wykresu sprawności kotła w funkcji jego obciążenia. 

Wraz ze zmianą obciążenia kotła zmienia się sprawność kotła. W kotłach kondensacyjnych następuje wyraźny wzrost sprawności kotła w szerokim zakresie zmniejszającego się obciążenia częściowego. Prawidłowość ta występuje w kotłach z regulacją pogodową prowadzoną w urządzeniu, co w kondensacyjnych jest standardem. Im niższa jest temperatura wody, tym niższa także temperatura spalin (nadmierna jest bowiem powierzchnia ogrzewalna kotła w stosunku do potrzeb), równocześnie mniejsze są straty mocy cieplnej, a w rezultacie większa jest sprawność kotła.

fot.: Buderus - Kondensacyjny kocioł gazowy    fot.: Immergas - Wiszący kocioł kondensacyjny
        Logamax plus GB072                               VICTRIX ZEUS SUPERIOR KW 

Usprawiedliwione „przewymiarowanie” kotła

• w małym obiekcie mieszkalnym

Wysoka sprawność kotła dla obciążenia częściowego „uspakaja” często inwestorów, gdy muszą zainstalować kondensacyjny kocioł przewymiarowany w stosunku do zapotrzebowania mocy na cele c.o., np. z uwagi na większe zapotrzebowanie mocy cieplnej do potrzeb c.w.u. (np. moc kotła na cele c.w.u. min 18 kW, gdy na cele c.o. potrzeba zaledwie 10 kW). Ma to najczęściej miejsce w nowo budowanych budynkach jednorodzinnych. Istotne jest także, aby zakres pracy palnika z modulacją był jak największy i od jak najmniejszej mocy cieplnej. W kotłach przeznaczonych do ogrzewania dużych apartamentów lub domów jednorodzinnych najlepiej od 3 kW (najwyżej 5 kW). 
 

• w obiekcie latami etapowo modernizowanym

Także w etapowej modernizacji (najpierw źródło ciepła, następnie; termoizolacja budynku) szczególnie budynków wielorodzinnych i innych większych obiektów, właściwość ta może spowodować szybszą amortyzację inwestycji. W pierwszej kolejności należy zmodernizować kotłownię i instalację c.o., a dopiero w następnym etapie wykonać ocieplenie budynku. Kocioł „przewymiarowany”, w odniesieniu do drugiego etapu, będzie pracował z większą sprawnością. Przewymiarowanie to nie powinno jednak być nadmierne, bo w pierwszym etapie można, w okresie mrozów podwyższyć temperaturę zasilania i pogodzić się z okresowo gorszą sprawnością kotła. Ostatnie zimy wskazują na sporadyczne występowanie takiej sytuacji. Sprawność kotła kondensacyjnego pracującego poza zakresem kondensacji jest i tak zawsze większa od sprawności kotła niekondensacyjnego pracującego w tych samych warunkach (chociażby z powodu większego schłodzenia spalin). 
 

• Sprawność normatywna
  

Producenci kotłów z Niemiec podają w swoich materiałach wartość tzw. sprawności normatywnej (znormalizowanej), oznaczanej przez hN. Sprawność tę, można utożsamiać ze średnią sprawnością kotła używanego w ciągu sezonu grzewczego, wyłącznie do potrzeb c.o. Sposób jej ustalania, na stanowisku badawczym i obliczania podany jest w normie DIN 4708 T8, gdzie sprawność ta została nazwana „Norm ; Nutzungsgrad” (normatywna tzn. ustalona zgodnie z warunkami podanymi w normie). Powinna ona być zawsze odniesiona do określonych parametrów wody w instalacji. Do kotłów kondensacyjnych podawane są dwie wartości hN, np. w odniesieniu do parametrów wody w instalacji 75/60°C (instalacje grzejnikowe) i parametrów 40/30°C (ogrzewanie płaszczyznowe np. podłogowe). 
 

• Jak oblicza się hN
  

Sprawność ta jest obliczana po ustaleniu sprawności badanego kotła w pięciu różnych, uśrednionych wartościach jego obciążenia j = 13, 30, 39, 48 i 63% (rys. 2). Wybrano je, uwzględniając średnią częstotliwość występowania różnych wartości temperatury zewnętrznej na obszarze dziesięciu wybranych niemieckich miejscowości. Można przyjąć, że zbliżona sytuacja klimatyczna jest w Polsce. Kocioł podłączony do wzorcowej instalacji, pracuje z regulacją modulowaną, kolejno z wymienionymi obciążeniami przez cały dzień. Obciążeniom tym odpowiada określona temperatura zasilania i powrotu, zgodna z wykresem regulacyjnym. 
 

• Uwagi do sprawności hN
  

hN jest bardzo ważnym parametrem pozwalającym na porównanie efektywności pracy różnych kotłów, o ile została jednolicie ustalona przez ich producentów. Sprawność określana w inny niż opisany powyżej sposób, nie może być uwzględniana w porównaniach. Co nie wyklucza tego, że mogłaby ona być równie wysoka.
Sprawność hN, jako sprawność średnia, pozwala także na obliczenie przewidywanego zużycia paliwa do potrzeb c.o. w czasie sezonu grzewczego.

Zawsze należy jednak pamiętać, że wartości sprawności podawane przez producentów kotłów są wartościami maksymalnymi, z możliwych do osiągnięcia, bo są ustalane we wzorcowych warunkach badawczych.  

 

Technika kondensacyjna a olej opałowy

 Technika kondensacyjna może być również stosowana podczas spalania oleju opałowego [9, 13]. Należy jednak oczekiwać mniejszych wartości sprawności w porównaniu z gazem. Ocenia się, że sprawność kotłów kondensacyjnych opalanych olejem opałowym jest około 10% większa od sprawności nowoczesnych olejowych kotłów niekondensacyjnych. Wartością graniczną tej sprawności, wynikającą z omówionego wcześniej stosunku Hs/Hi = 1,06, jest 106%. 

Ponadto jest relatywnie niska tPR spalin z kotłów olejowych. Skraplanie jest możliwe dopiero w temperaturze około 47°C, co wymaga niższej temperatury powrotu. Dochodzą też kłopoty z zasiarczeniem spalin i skroplin, spowodowane zawartością siarki w składzie chemicznym oleju. Dodatkowo w spalinach jest również niewielka ilość pyłów (konieczność okresowego czyszczenia wymiennika). Nie oznacza to jednak, że należy rezygnować z techniki kondensacyjnej dla spalania oleju. W ostatnich latach opracowano w Niemczech i wprowadzono do sprzedaży pierwsze konstrukcje olejowych kotłów kondensacyjnych dostępne już dziś także w Polsce. Zbudowano też niskoemisyjne palniki olejowe z regulacją modulowaną, również o małej mocy cieplnej. Opracowano nawet pierwsze konstrukcje olejowych kotłów wiszących.

fot.: De Dietrich - Olejowy kocioł kondensacyjny MODULENS O AFC-S

Olejowe kotły kondensacyjne stanowią najczęściej połączenie wymiennika niekondensacyjnego z wymiennikiem ciepła kondensacyjnym zanurzonym w kąpieli wodnej z rozpuszczonym środkiem neutralizującym. W module tym następuje nie tylko kondensacja przepływających spalin, ale również ich odsiarczanie oraz neutralizacja skroplin. Są to kotły stojące, relatywnie wysokie (często >1,3 m). W kotłach o dużej mocy cieplnej dobrym rozwiązaniem jest zakup wymiennika kondensacyjnego przeznaczonego do umieszczenia za kotłem. Należy jednak najpierw uzyskać wyczerpujące informacje od producenta co do sposobu jego czyszczenia i przewidzieć neutralizację skroplin (np. filtrem z węgla aktywowanego).

Sprawdź także >> Wiszący gazowy kocioł kondensacyjny do mieszkań i małych domów