Kotły kondensacyjne - ponad 100 procent sprawności

Czy sprawność rzeczywista urzÄ…dzenia może być wiÄ™ksza niż 100%? Potwierdzenie tej tezy oznaczaÅ‚oby, że ilość energii wyprodukowana w danym urzÄ…dzeniu jest wiÄ™ksza niż ilość energii dostarczona, czyli zawarta w paliwie. Jednakże producenci urzÄ…dzeÅ„ grzewczych czÄ™sto podajÄ… sprawnoÅ›ci kotÅ‚ów kondensacyjnych na poziomie 109-110%. Pomimo, że faktyczna ilość energii cieplnej wykorzystywana przez te urzÄ…dzenia jest nieznacznie niższa od iloÅ›ci energii dostarczanej w paliwie, jest to jednak prawda. Wynika ona z wartoÅ›ci odniesienia przyjmowanej przez lata do obliczania sprawnoÅ›ci tj. wartoÅ›ci opaÅ‚owej.

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 byÅ‚a bezużyteczna i bezpowrotnie tracona, dlatego do obliczeÅ„ sprawnoÅ›ci przyjmowano tÄ™ część produkowanej energii, która mogÅ‚a być praktycznie wykorzystywana do ogrzewania („opalania domów”), czyli wartość opaÅ‚owÄ… a nie ciepÅ‚o spalania.

W zwiÄ…zku z tym, że wartość ciepÅ‚a spalania dla gazu ziemnego wynosi okoÅ‚o Ho = 34 400 kJ/m³, a wartość opaÅ‚owa okoÅ‚o Hu = 31 000 kJ/m³, to różnica pomiÄ™dzy tymi wartoÅ›ciami wynosi okoÅ‚o 3 400 kJ/m³. Oznacza to, że ciepÅ‚o spalania jest wiÄ™ksze od wartoÅ›ci opaÅ‚owej o okoÅ‚o 11% (34400 / 31000 • 100% = 111%). Dlatego, jeÅ›li istniaÅ‚oby urzÄ…dzenie grzewcze, które w idealny sposób odzyskiwaÅ‚oby ciepÅ‚o zawarte w spalinach wraz z ciepÅ‚em potrzebnym do skroplenia pary wodnej, miaÅ‚oby ono sprawność 111% (w odniesieniu do wartoÅ›ci opaÅ‚owej), oczywiÅ›cie przy zaÅ‚ożeniu, że idealne urzÄ…dzenie odzyskujÄ…ce ciepÅ‚o z samych spalin bez wykraplania pary wodnej ma sprawność 100%.

Ponad póÅ‚ wieku oczekiwania

Pierwsze techniczne urzÄ…dzenie kondensacyjne - kalorymetr, zostaÅ‚o wynalezione już pod koniec XIX wieku przez niemieckiego inżyniera i wynalazcÄ™ Hugo Junkersa. Jednak praktyczne wykorzystanie zjawiska kondensacji w technice grzewczej, na skalÄ™ masowÄ… znalazÅ‚o zastosowanie dopiero w drugiej poÅ‚owie XX wieku. GÅ‚ównym powodem ponad póÅ‚wiecznego oczekiwania na wykorzystanie techniki kondensacyjnej byÅ‚ sposób odprowadzania spalin, wyprodukowanych w kotle. NastÄ™powaÅ‚o to jedynie przy pomocy naturalnego ciÄ…gu kominowego (bez wentylatora). Do wytworzenia takiego ciÄ…gu niezbÄ™dna byÅ‚a m.in. stosunkowo wysoka temperatura spalin, co uniemożliwiaÅ‚o ich schÅ‚adzanie w celu kondensacji pary wodnej. Dodatkowo wykorzystanie techniki kondensacyjnej hamowane byÅ‚o przez wysokie koszty materiaÅ‚ów, które byÅ‚y potrzebne do budowy kotÅ‚ów, odpornych na dziaÅ‚anie kwaÅ›nego kondensatu.

Dlaczego kondensat ma odczyn kwaśny?

W wyniku spalania gazu, w spalinach powstajÄ… miÄ™dzy innymi bezwodniki kwasów wÄ™glowego i azotowego oraz para wodna. Podczas przepÅ‚ywu spalin i pary wodnej przez wymiennik ciepÅ‚a i przewody kominowe, spaliny oddajÄ… ciepÅ‚o i sÄ… ochÅ‚adzane. W wyniku tego procesu, para wodna ulega skropleniu i reaguje z bezwodnikami tworzÄ…c kwasy: wÄ™glowy i azotowy.

Konwencjonalnie i kondensacyjnie – różnice w sprawnoÅ›ci

W kotÅ‚ach konwencjonalnych elementy kotÅ‚a stykajÄ…ce siÄ™ ze spalinami, nie sÄ… odporne na dziaÅ‚anie kwasów. Dlatego kotÅ‚y konwencjonalne sÄ… konstruowane w taki sposób, aby podczas pracy nie nastÄ™powaÅ‚o wykraplanie pary wodnej ze spalin. Oznacza to teoretycznie, że idealny kocioÅ‚ konwencjonalny mógÅ‚by maksymalnie wyprodukować ilość ciepÅ‚a równÄ… wartoÅ›ci opaÅ‚owej (100%).

W przeciwieÅ„stwie do kotÅ‚ów konwencjonalnych, w kotÅ‚ach kondensacyjnych, podzespoÅ‚y majÄ…ce kontakt ze spalinami, wykonane sÄ… ze specjalnych stopów odpornych na dziaÅ‚anie kwasów zawartych w kondensacie. W kotÅ‚ach tych, ciepÅ‚o jest uzyskiwane poprzez schÅ‚adzanie spalin, wÅ‚Ä…cznie z wykraplaniem wody z zawartej w nich pary wodnej. Oznacza to teoretycznie, że idealny kocioÅ‚ kondensacyjny mógÅ‚by maksymalnie wykorzystywać ilość ciepÅ‚a równÄ… nie wartoÅ›ci opaÅ‚owej (100%), ale ciepÅ‚u spalania, które jak wczeÅ›niej stwierdziliÅ›my jest wiÄ™ksze od wartÅ›ci opaÅ‚owej o 11%. Teoretyczna sprawność takiego urzÄ…dzenia mogÅ‚aby siÄ™, zatem równać 100% + 11% = 111%. RozumujÄ…c odwrotnie, gdybyÅ›my przyjÄ™li, jako 100% maksymalnÄ… sprawność (w odniesieniu do ciepÅ‚a spalania), jakÄ… mogÅ‚yby uzyskiwać gazowe kotÅ‚y kondensacyjne, to teoretyczna sprawność idealnego kotÅ‚a konwencjonalnego mogÅ‚aby równać siÄ™ jedynie 90%.

Sprawność rzeczywista

Aby kocioÅ‚ konwencjonalny osiÄ…gnÄ…Å‚ maksymalnÄ…, idealnÄ… sprawność (90% w odniesieniu do ciepÅ‚a spalania i 100% w odniesieniu do wartoÅ›ci opaÅ‚owej), musiaÅ‚by odebrać takÄ… ilość ciepÅ‚a, aby spaliny zostaÅ‚y schÅ‚odzone do temperatury spalanej mieszanki gazu i powietrza. Podobnie w przypadku kotÅ‚ów kondensacyjnych, dla osiÄ…gniÄ™cia idealnej sprawnoÅ›ci (100% w odniesieniu do ciepÅ‚a spalania i 111% w odniesieniu do wartoÅ›ci opaÅ‚owej) spaliny i kondensat musiaÅ‚yby zostać schÅ‚odzone również do temperatury mieszanki gazu i powietrza pobieranej do spalania.   

W rzeczywistoÅ›ci jednak, w obu przypadkach temperatury produktów spalania (spalin i kondensatu) sÄ… nieco wyższe. Ponieważ w przypadku kotÅ‚ów konwencjonalnych temperatura spalin przy maksymalnym obciążeniu cieplnym wynosi okoÅ‚o 100-130°C (niekiedy nawet okoÅ‚o 180°C) a w przypadku kotÅ‚ów kondensacyjnych okoÅ‚o 50-80°C a temperatura mieszanki gaz-powietrze dostarczanej do spalania wynosi od kilku do kilkunastu stopni Celsjusza, to urzÄ…dzenia te osiÄ…gajÄ… sprawnoÅ›ci nieco niższe od teoretycznie maksymalnych. Pomimo to, w przypadku kotÅ‚ów kondensacyjnych sprawnoÅ›ci Å›rednioroczne osiÄ…gajÄ… wartoÅ›ci nawet okoÅ‚o 109-110%, czyli sÄ… bliskie ideaÅ‚owi.

Rzeczywiste korzyści

Jak widać sprawność kotÅ‚ów kondensacyjnych dochodzÄ…ca do 109-110% nie jest mitem, ale konsekwencjÄ… przyjÄ™tej w przeszÅ‚oÅ›ci metody obliczania sprawnoÅ›ci w odniesieniu do wartoÅ›ci opaÅ‚owej, a nie w odniesieniu do ciepÅ‚a spalania. Co najważniejsze, faktem jest również, że sprawność Å›rednioroczna kotÅ‚ów kondensacyjnych jest wyższa o kilkanaÅ›cie procent od sprawnoÅ›ci kotÅ‚ów konwencjonalnych, co oznacza zdecydowane oszczÄ™dnoÅ›ci spalanego gazu i niższe rachunki za ogrzewanie dla użytkowników.