Kotły kondensacyjne

Kotły kondensacyjne, które przebojem opanowują rynek kotłów gazowych, są, z punktu widzenia fizyki, bardzo dziwnym urządzeniem. Dlaczego? Bo każdemu powinno się wydać dziwne, że „coś” ma sprawność większą niż 100%. A tu producenci kotłów gazowych podają w swoich katalogach sprawność 109%. Czyżby nagle prawa fizyki przestały działać? Nic podobnego. Wszystko jest w porządku. Prawa fizyki dalej obowiązują, tylko marketingowcy doszli do wniosku, że nie ma po co zmieniać reguły sprawności kotłów (a to właśnie jest powód tak dużych sprawności). Sprawność kotłów określana jest w stosunku do ciepła grzewczego (wartość opałowa) paliwa, a nie do ciepła spalania. Aby dokładnie to wytłumaczyć, muszę przytoczyć niektóre definicje, bo bez tego, niestety, nie da się pokazać na czym polega różnica.

Wartość opałowa (Wu kJ/kg; kJ/Nm³) jest to ilość ciepła wydzielana z paliwa, przy jego całkowitym spaleniu, przy założeniu, że para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu.

Ciepło spalania (Qc kJ/kg; kJ/Nm³) jest to ilość ciepła, jaka powstaje przy spaleniu całkowitym paliwa, przy czym produkty spalania oziębia się do temperatury początkowej, a para wodna zawarta w spalinach skrapla się zupełnie.

Nic tak nie pomaga w zrozumieniu problemu, jak dobry przykład. Popatrzmy więc na konkretne dane gazu ziemnego GZ 50, jego wartości to: Wu = 34,43 MJ/Nm3 i Qc = 38,15 MJ/Nm³.

Sprawność kotła centralnego ogrzewania określa, ile ciepła może on przekazać wodzie grzejnej przy spaleniu 1 Nm³ gazu i 90% oznacza, że Qco = 30,99 MJ/Nm³, bo sprawność kotłów jest odnoszona do wartości opałowej paliwa (gazu). Kiedy widzimy w danych kotła sprawność 109%, to Qco = 37,53 MJ/Nm³ (bo jest odniesione do tej samej wartości). Skąd więc wzięła się nadwyżka? (Qco – Wu). Jest to ciepło odzyskane z pary wodnej, która w normalnym kotle usuwana jest wraz z ciepłem przez komin. W kotle kondensacyjnym natomiast para wodna jest kondensowana (stąd nazwa kotła), a ciepło kondensacji zwiększa ilość ciepła przekazanego ze spalonego gazu do wody grzewczej. Wynika więc z tego, że nie mamy do czynienia ze złamaniem praw fizyki, a z normalnym chwytem marketingowym, czyli odniesieniem ilości ciepła otrzymywanego w kotle do mniejszej, niż się powinno, wartości. Stąd więc tak wysokie sprawności.

Główną zaletą kotłów kondensacyjnych jest mniejsze zużycie gazu, bo ze spalin odbieramy więcej ciepła niż jest to możliwe przy kotle tradycyjnym. Kondensacja pary wodnej zawartej w spalinach jest możliwa, gdy temperatura spada poniżej 57°C (dokładna temperatura kondensacji zależy od składu spalin, głównie CO i CO₂) i aby móc tak odzyskane ciepło wykorzystać, kocioł kondensacyjny musi współpracować z odpowiednio dostosowaną do niego instalacją.

Większość produkowanych obecnie kotłów kondensacyjnych ma tzw. zamkniętą komorę spalania. Oznacza to, że kocioł nie pobiera powietrza potrzebnego do spalania gazu z pomieszczenia. Dostarczane jest ono przez „podwójny” komin i zasysane z zewnątrz, co zmniejsza ilość ciepła potrzebną do ogrzania powietrza wentylacyjnego. Nie może to być jednak dowolny komin. Wymagania, jakie musi spełniać instalacja odprowadzania spalin z kotła kondensacyjnego są następujące: szczelność, odporność na korozję, odporność na temperaturę w zakresie określonym przez producenta kotła. Nie bez znaczenia jest połączenie kotła z przewodem spalinowym. Przewody spalinowe, o których mowa, są dostarczane przez producentów w gotowych zestawach wraz z kompletnym oprzyrządowaniem montażowym. Taki komin pracuje w nadciśnieniu (po stronie spalin) i dlatego musi być szczelny. Uzyskuje się to dzięki zastosowaniu uszczelek w połączeniach rur kominowych.

W trakcie spalania gazu powstaje dwutlenek węgla, tlenki azotu i inne substancje. Podczas kondensacji pary wodnej, w wyniku połączenia wody z tymi tlenkami, powstaje kondensat o silnym odczynie kwaśnym (wskaźnik pH od 5 do 1,5). Podczas jednego dnia pracy kotła kondensacyjnego o mocy 20 kW wydziela się około 20 litrów kondensatu. Przy urządzeniach grzewczych o mocy nominalnej do 25 kW neutralizacja kondensatu nie jest wymagana. Należy tylko pamiętać, aby rury kanalizacyjne były odporne na ścieki kwaśne. Dla kotłów o większej mocy (aż do 200 kW) wykonuje się obliczenia, natomiast kotły o mocy większej niż 200 kW muszą mieć neutralizację kondensatu.

Jeżeli w instalacji centralnego ogrzewania chcemy zastosować kocioł kondensacyjny, musimy pamiętać o pewnych uwarunkowaniach, wynikających z zasady pracy kotła kondensacyjnego. Przede wszystkim nie wolno zapominać, że jeżeli chcemy skorzystać z efektu kondensacji, to kocioł kondensacyjny powinien zasilać instalację c.o. z temperaturą maks. 57°C, a więc parametry instalacji grzewczej będą wynosiły 55/45/20°C lub 70/55/20°C. W pierwszej chwili może się wydawać, że coś tu nie pasuje. Jak to, kondensacja zachodzi poniżej 57°C, a ja mam przyjąć 70/55°C. Gdzie więc kondensacja? Aby to wyjaśnić, parę słów o liczeniu strat ciepła i doborze źródła ciepła dla naszej instalacji. Wszystkie obliczenia robi się przy założeniu, że temperatura zewnętrzna jest zgodna z normą, która dzieli Polskę na pięć stref klimatycznych (I – to 16°C; V –24°C). Największy obszar Polski to III strefa z zewnętrzną temperaturą obliczeniową –20°C i tym przykładem będę się dalej posługiwał. Cofając się pamięcią do ostatniej zimy, widać, że takie temperatury na zewnątrz nie trwają długo. Obliczenia, o których mówię mają zapewnić nam taki dobór urządzeń (źródło ciepła i instalacja), aby przy pojawieniu się na zewnątrz temperatury obliczeniowej nasze urządzenia były w stanie ogrzać pomieszczenia do temperatury +20°C. Co się jednak dzieje, gdy dni są cieplejsze niż temperatura obliczeniowa? Kocioł pracuje wówczas z mniejszą wydajnością niż była liczona. Możemy to zniwelować przez krótsze grzanie (czas pracy kotła), ale z wyższą temperaturą lub ustawić pracę urządzenia jak dotychczas (mniejsze przerwy w pracy kotła, to mniejsze straty tzw. kotłowe), lecz z obniżoną temperaturą. To powoduje, że temperatura wody wychodzącej z kotła jest niższa niż temperatura przyjęta do obliczeń instalacji. Ze statystyki pracy kotła wiadomo, że prawie 80% czasu (zależy to oczywiście od zimy) pracuje on poniżej 60% swojej nominalnej mocy. Właśnie tutaj mamy do czynienia z tą „sprzecznością”. Jest ona jednak tylko pozorna, bo projektant, projektując instalację grzewczą, wie o tym i dobiera kocioł oraz parametry pracy instalacji z pełną świadomością.

Jak już wspomniałem, kocioł kondensacyjny musi mieć temperaturę powrotu wody grzejnej poniżej 57°C, aby miała miejsce kondensacja pary wodnej. Jak więc wykorzystać go do przygotowania ciepłej wody? Przecież zasobnik ciepłej wody użytkowej potrzebuje wyższej temperatury. Czy trzeba starać się o inne źródło ciepła? Oczywiście, że nie. Nowoczesna konstrukcja kotłów kondensacyjnych radzi sobie z tym bez problemów. Większość kotłów gazowych dostępnych na naszym rynku (nie tylko kondensacyjnych) to urządzenia wysokiej klasy wyposażone w bardzo skomplikowane układy elektroniczne, które pozwalają programować bardzo różne układy grzewcze. Kocioł kondensacyjny może pracować jako źródło ciepła wspomagające kolektory słoneczne i spełnia swoją funkcję bardzo dobrze.

Kotły kondensacyjne to większy wydatek niż zakup kotła tradycyjnego. Czy to się opłaca? Odpowiedź na to pytanie nie jest prosta. Łatwiej jest zbilansować zużycie gazu pracującego kotła (w zależności od długości sezonu grzewczego, w każdym roku będzie ono inne) niż przewidzieć, z jakimi zimami będziemy mieli do czynienia. Im dłuższy jest sezon grzewczy, tym większe jest zużycie gazu, a tym samym większa opłacalność zastosowania kotła kondensacyjnego, to z kolei daje określone oszczędności, liczone w złotówkach. Różnica cen kotła kondensacyjnego i tradycyjnego podzielona przez uzyskane oszczędności daje odpowiedź na pytanie, w jakim czasie zwiększone nakłady na kocioł kondensacyjny się zwrócą. Do tego dochodzą prognozy wzrostu cen gazu, a to wyraźnie przemawia za kotłem kondensacyjnym. Aby jednak taka analiza była zbliżona do rzeczywistych warunków, należałoby w bilansie uwzględnić także zwiększony koszt grzejników, gdybyśmy porównywali pracę kotłów w instalacji grzejnikowej. Przy ogrzewaniu podłogowym w obu przypadkach (z zastosowaniem kotła kondensacyjnego i tradycyjnego) koszty będą bardzo zbliżone i można je wtedy pominąć.