Kotły kondensacyjne - ponad 100 procent sprawności

Czy sprawność rzeczywista urządzenia może być większa niż 100%? Potwierdzenie tej tezy oznaczałoby, że ilość energii wyprodukowana w danym urządzeniu jest większa niż ilość energii dostarczona, czyli zawarta w paliwie. Jednakże producenci urządzeń grzewczych często podają sprawności kotłów kondensacyjnych na poziomie 109-110%. Pomimo, że faktyczna ilość energii cieplnej wykorzystywana przez te urządzenia jest nieznacznie niższa od ilości energii dostarczanej w paliwie, jest to jednak prawda. Wynika ona z wartości odniesienia przyjmowanej przez lata do obliczania sprawności tj. wartości opałowej.

Jak to możliwe?

Całkowita ilość energii cieplnej uzyskiwana w procesie spalania i teoretycznie możliwa do odzyskania, nosi nazwę ciepła spalania. Wartość ta, zawiera w sobie między innymi ciepło zawarte w parze wodnej, wytworzone podczas procesu spalania. Ilość energii cieplnej uzyskiwania w procesie spalania i teoretycznie możliwa do odzyskania, ale pomniejszona o energię cieplną uzyskiwaną przez skroplenie pary wodnej, nosi nazwę wartości opałowej.

Ponieważ przez lata energia cieplna możliwa do wykorzystania podczas skraplania pary wodnej była bezużyteczna i bezpowrotnie tracona, dlatego do obliczeń sprawności przyjmowano tę część produkowanej energii, która mogła być praktycznie wykorzystywana do ogrzewania („opalania domów”), czyli wartość opałową a nie ciepło spalania.

W związku z tym, że wartość ciepła spalania dla gazu ziemnego wynosi około Ho = 34 400 kJ/m³, a wartość opałowa około Hu = 31 000 kJ/m³, to różnica pomiędzy tymi wartościami wynosi około 3 400 kJ/m³. Oznacza to, że ciepło spalania jest większe od wartości opałowej o około 11% (34400 / 31000 • 100% = 111%). Dlatego, jeśli istniałoby urządzenie grzewcze, które w idealny sposób odzyskiwałoby ciepło zawarte w spalinach wraz z ciepłem potrzebnym do skroplenia pary wodnej, miałoby ono sprawność 111% (w odniesieniu do wartości opałowej), oczywiście przy założeniu, że idealne urządzenie odzyskujące ciepło z samych spalin bez wykraplania pary wodnej ma sprawność 100%.

Ponad pół wieku oczekiwania

Pierwsze techniczne urządzenie kondensacyjne - kalorymetr, zostało wynalezione już pod koniec XIX wieku przez niemieckiego inżyniera i wynalazcę Hugo Junkersa. Jednak praktyczne wykorzystanie zjawiska kondensacji w technice grzewczej, na skalę masową znalazło zastosowanie dopiero w drugiej połowie XX wieku. Głównym powodem ponad półwiecznego oczekiwania na wykorzystanie techniki kondensacyjnej był sposób odprowadzania spalin, wyprodukowanych w kotle. Następowało to jedynie przy pomocy naturalnego ciągu kominowego (bez wentylatora). Do wytworzenia takiego ciągu niezbędna była m.in. stosunkowo wysoka temperatura spalin, co uniemożliwiało ich schładzanie w celu kondensacji pary wodnej. Dodatkowo wykorzystanie techniki kondensacyjnej hamowane było przez wysokie koszty materiałów, które były potrzebne do budowy kotłów, odpornych na działanie kwaśnego kondensatu.

Dlaczego kondensat ma odczyn kwaśny?

W wyniku spalania gazu, w spalinach powstają między innymi bezwodniki kwasów węglowego i azotowego oraz para wodna. Podczas przepływu spalin i pary wodnej przez wymiennik ciepła i przewody kominowe, spaliny oddają ciepło i są ochładzane. W wyniku tego procesu, para wodna ulega skropleniu i reaguje z bezwodnikami tworząc kwasy: węglowy i azotowy.

Konwencjonalnie i kondensacyjnie – różnice w sprawności

W kotłach konwencjonalnych elementy kotła stykające się ze spalinami, nie są odporne na działanie kwasów. Dlatego kotły konwencjonalne są konstruowane w taki sposób, aby podczas pracy nie następowało wykraplanie pary wodnej ze spalin. Oznacza to teoretycznie, że idealny kocioł konwencjonalny mógłby maksymalnie wyprodukować ilość ciepła równą wartości opałowej (100%).

W przeciwieństwie do kotłów konwencjonalnych, w kotłach kondensacyjnych, podzespoły mające kontakt ze spalinami, wykonane są ze specjalnych stopów odpornych na działanie kwasów zawartych w kondensacie. W kotłach tych, ciepło jest uzyskiwane poprzez schładzanie spalin, włącznie z wykraplaniem wody z zawartej w nich pary wodnej. Oznacza to teoretycznie, że idealny kocioł kondensacyjny mógłby maksymalnie wykorzystywać ilość ciepła równą nie wartości opałowej (100%), ale ciepłu spalania, które jak wcześniej stwierdziliśmy jest większe od wartści opałowej o 11%. Teoretyczna sprawność takiego urządzenia mogłaby się, zatem równać 100% + 11% = 111%. Rozumując odwrotnie, gdybyśmy przyjęli, jako 100% maksymalną sprawność (w odniesieniu do ciepła spalania), jaką mogłyby uzyskiwać gazowe kotły kondensacyjne, to teoretyczna sprawność idealnego kotła konwencjonalnego mogłaby równać się jedynie 90%.

Sprawność rzeczywista

Aby kocioł konwencjonalny osiągnął maksymalną, idealną sprawność (90% w odniesieniu do ciepła spalania i 100% w odniesieniu do wartości opałowej), musiałby odebrać taką ilość ciepła, aby spaliny zostały schłodzone do temperatury spalanej mieszanki gazu i powietrza. Podobnie w przypadku kotłów kondensacyjnych, dla osiągnięcia idealnej sprawności (100% w odniesieniu do ciepła spalania i 111% w odniesieniu do wartości opałowej) spaliny i kondensat musiałyby zostać schłodzone również do temperatury mieszanki gazu i powietrza pobieranej do spalania.   

W rzeczywistości jednak, w obu przypadkach temperatury produktów spalania (spalin i kondensatu) są nieco wyższe. Ponieważ w przypadku kotłów konwencjonalnych temperatura spalin przy maksymalnym obciążeniu cieplnym wynosi około 100-130°C (niekiedy nawet około 180°C) a w przypadku kotłów kondensacyjnych około 50-80°C a temperatura mieszanki gaz-powietrze dostarczanej do spalania wynosi od kilku do kilkunastu stopni Celsjusza, to urządzenia te osiągają sprawności nieco niższe od teoretycznie maksymalnych. Pomimo to, w przypadku kotłów kondensacyjnych sprawności średnioroczne osiągają wartości nawet około 109-110%, czyli są bliskie ideałowi.

Rzeczywiste korzyści

Jak widać sprawność kotłów kondensacyjnych dochodząca do 109-110% nie jest mitem, ale konsekwencją przyjętej w przeszłości metody obliczania sprawności w odniesieniu do wartości opałowej, a nie w odniesieniu do ciepła spalania. Co najważniejsze, faktem jest również, że sprawność średnioroczna kotłów kondensacyjnych jest wyższa o kilkanaście procent od sprawności kotłów konwencjonalnych, co oznacza zdecydowane oszczędności spalanego gazu i niższe rachunki za ogrzewanie dla użytkowników.