Ciąg dalszy walki o kondensację – przygotowanie ciepłej wody
Rys. 2. Kompaktowy gazowy kocioł kondensacyjny zamiast osobnego kotła i dużego zasobnika ciepłej wody
Rys. Vaillant
Już kilka lat temu wydawało się, że w kwestii sprawności kotłów kondensacyjnych niewiele więcej da się zrobić, szczególnie w kontekście zasilania instalacji grzewczej. Pole do popisu pozostało jedynie w zakresie przygotowania ciepłej wody użytkowej. To obecnie ważna kwestia, ponieważ wraz ze spadkiem strat ciepła budynków udział energii zużywanej na potrzeby przygotowania ciepłej wody jest coraz większy.
Zobacz także
FLOWAIR Sprawdź, jak prześcigniesz konkurencję dzięki SYSTEMOWI FLOWAIR
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami...
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami – musisz o nie zadbać, aby podczas składowania nie straciły swoich właściwości.
ADEY Innovation SAS ADEY – optymalna ochrona systemu grzewczego
ADEY jest wiodącym producentem filtrów magnetycznych oraz środków chemicznych stosowanych w systemach grzewczych do ich ochrony i poprawy efektywności pracy. Produkty ADEY przyczyniają się jednocześnie...
ADEY jest wiodącym producentem filtrów magnetycznych oraz środków chemicznych stosowanych w systemach grzewczych do ich ochrony i poprawy efektywności pracy. Produkty ADEY przyczyniają się jednocześnie do ochrony środowiska naturalnego, z dużym naciskiem na poprawę jakości powietrza (umożliwiają obniżenie emisji CO2 o ok. 250 kg rocznie z pojedynczego gospodarstwa domowego).
Alfa Laval Efektywna wymiana ciepła to kwestia nowoczesnych rozwiązań w wymienniku ciepła a nie tylko powierzchni grzewczej
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży...
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży poszukują nowych sposobów maksymalizacji wydajności przy jednoczesnym obniżeniu kosztów energii i udoskonaleniu swojego wizerunku w zakresie ochrony środowiska. Wyzwania te będą złożone i wieloaspektowe.
W artykule:• Rozwiązania kompaktowe – wykorzystanie energii odnawialnej i redukcja miejsca
|
Chcąc zwiększyć efektywność kotłów jednofunkcyjnych w trybie przygotowania ciepłej wody, zaczęto obniżać temperaturę czynnika grzewczego. Jeszcze niedawno, podgrzewając wodę, kocioł pracował z temperaturą nawet o 20–25 K wyższą od zadanej temperatury ciepłej wody, dziś jest to często zaledwie 10–15 K. Oczywiście spowodowało to zwiększenie wymaganej powierzchni wymiany ciepła – czy to w przypadku wężownicy w zasobniku, czy płytowego wymiennika ciepła w kotłach zasilających zasobnik warstwowy.
Do niedawna w kotle o mocy ok. 20–25 kW spotykaliśmy wymiennik ciepła z kilkunastoma płytami, dziś jest ich często 20, a nawet 30. W efekcie kocioł pracuje z niższą temperaturą i szczególnie w początkowym okresie zasilania podgrzewacza wody, gdy temperatura powrotu jest niska, dochodzi do znacznego schłodzenia spalin i odzyskania części ciepła utajonego.
Znaczącym wyzwaniem było uzyskanie wysokiej sprawności kotłów dwufunkcyjnych, w przypadku których bardzo ważna jest szybka reakcja i skrócenie czasu oczekiwania na ciepłą wodę. Trudna do zaakceptowania jest konieczność kilkudziesięciosekundowego czekania na start pompy, wentylatora, zapłon palnika, rozgrzanie wymiennika pierwotnego i zasilanie wymiennika wtórnego. Nikt nie chce dziś nie tylko czekać na ciepłą wodę, ale i przyglądać się, jak litry wody trafiają do kanalizacji, dlatego naturalnym rozwiązaniem w kotłach dwufunkcyjnych jest zasilanie wymiennika wodą o wysokiej temperaturze. Kocioł taki, zaczynając pracę na potrzeby c.w.u., często dąży do uzyskania temperatury zasilania na poziomie nawet 80°C, żeby szybko rozgrzać wymiennik wtórny. Dzięki temu krócej czekamy na ciepłą wodę, ale nie może być mowy o kondensacji.
Rys. 1. Schemat rozwiązań dla konstrukcji klasycznej (a) i ze wstępnym podgrzewem z wykorzystaniem energii zawartej w spalinach opuszczających pierwotny wymiennik ciepła (b) oraz schemat instalacji wewnątrz takiego kotła (c); rys. Vaillant
Producenci szukali zatem rozwiązania, które wciąż zapewniałoby użytkownikom wysoki komfort, ale i jednoczesną redukcję kosztów eksploatacji.
Postanowiono wykorzystać energię zawartą w spalinach opuszczających pierwotny wymiennik ciepła, umieszczając w ich strumieniu dodatkowy wymiennik zasilany bezpośrednio zimną wodą. Dzięki temu mimo względnie niskiej temperatury spalin w wymienniku chłodzonym zimną wodą występuje znaczna różnica temperatur, co pozwoliło na doprowadzenie do skroplenia pary wodnej zawartej w spalinach również w trybie przygotowania ciepłej wody, a przez to zwiększenie sprawności o ok. 8% (rys. 1).
Rozwiązania kompaktowe – wykorzystanie energii odnawialnej i redukcja miejsca
Redukcja zużycia energii pierwotnej przy zachowaniu akceptowalnego poziomu kosztów inwestycji, a także wysokiego poziomu komfortu to chyba jeden z głównych celów, jakie w najbliższych latach będą wyznaczały kierunki pracy projektantów.
Obecnie w dobrze izolowanym budynku jedną z możliwości osiągnięcia tego celu jest wykorzystanie energii odnawialnej w postaci zestawu kolektorów słonecznych na potrzeby wspomagania przygotowania ciepłej wody. Sprzyja temu współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej o wartości 0.
Z drugiej strony dla skutecznego wykorzystania energii słonecznej wymagany jest zbiornik o dużej pojemności, który wraz z kotłem, grupami pompowymi, naczyniami wzbiorczymi i pozostałym osprzętem zajmuje znaczną przestrzeń w pomieszczeniu technicznym. Przestrzeń tę domownicy z chęcią wykorzystaliby do innych celów (rys. 2 - patrz: zdjęcie przy tutule).
W tym kontekście korzystnym rozwiązaniem są współczesne kompaktowe kotły kondensacyjne ze wbudowanym podgrzewaczem wody przystosowanym do współpracy z kolektorami słonecznymi. Przy czym w porównaniu do konstrukcji z poprzednich lat obecnie stosuje się zasobniki o większej pojemności, rzędu 180–200 l. Dzięki temu o wiele lepiej możemy wykorzystać ilość energii dostępnej w ciągu dnia i zmagazynować ją na potrzeby wieczornej czy porannej kąpieli.
Dodatkowo dla zredukowania zakresu prac montażowych i wymaganej przestrzeni w kotłach tego typu znajdziemy wbudowany praktycznie cały osprzęt do współpracy z kolektorami – od pompy obiegowej, przez sterownik, rotametr, naczynie wzbiorcze, naczynie zrzutowe, a nawet termostatyczny zawór mieszający na wypływie ciepłej wody z zasobnika.
Dodatkowo przy wbudowanym niekiedy osprzęcie do zasilania dwóch obiegów grzewczych oraz naczyniu wzbiorczym dla instalacji grzewczej i drugim dla instalacji c.w.u. montaż tego typu kotła sprowadza się do połączenia go z przewodami poszczególnych instalacji i oczywiście zamontowania kolektorów słonecznych.
Co z kolektorami w wakacje?
Oszczędności oszczędnościami, ale czy stosując kolektory słoneczne, użytkownicy mogą sobie pozwolić na swobodny wyjazd na wakacje? Przecież nikt nie chce, żeby doszło w tym czasie do cyklicznego przegrzewania się płynu.
Z drugiej strony ostatnią rzeczą, na jaką mamy chęć przed wyjazdem, jest zajmowanie się zabezpieczaniem czy zasłanianiem kolektorów słonecznych.
Biorąc pod uwagę ewentualne coroczne przerwy w eksploatacji systemu, można od razu wybrać kocioł wyposażony w rozwiązanie, które pozwoli automatycznie ochronić czynnik w instalacji kolektorów słonecznych przed przegrzaniem.
Przczytaj o ciekawym sposobie na obniżenie kosztów ogrzewania i chłodzenia »
Jednym z takich rozwiązań jest kocioł współpracujący z kolektorami w technologii drainback.
- W systemie tym w stanie spoczynku czynnik grzewczy jest tylko w wężownicy podgrzewacza wody, a w pozostałej części instalacji jest powietrze.
- Dopiero gdy temperatura kolektorów wzrośnie znacząco w stosunku do temperatury dolnej części zasobnika, uruchamia się pompa, która przez kilka minut z dużą wydajnością napełnia kolektory słoneczne.
- Następnie czynnik, który ogrzeje się w kolektorach, będzie spływał grawitacyjnie do wężownicy zasobnika, oddając ciepło wodzie w zasobniku.
- Po schłodzeniu czynnik ponownie trafi do pompy, która skieruje go do kolektorów słonecznych.
- Cykl trwa do momentu, gdy temperatura kolektorów jest odpowiednio wyższa od temperatury wody w zasobniku, lub do osiągnięcia maksymalnej temperatury zasobnika.
- Dopiero gdy nie ma już możliwości pozyskiwania energii, pompa wyłącza się, a czynnik spływa do wężownicy w zasobniku, gdzie nie jest narażony na przegrzanie.
- Oczywiście jeśli w kolejnych godzinach ponownie pojawi się możliwość wykorzystania energii, system automatycznie podejmuje pracę.
Rys. 3. Kompaktowy kocioł kondensacyjny wyposażony w podgrzewacz wody do współpracy z kolektorami słonecznymi w technologii drainback. W stanie spoczynku czynnik grzewczy znajduje się tylko w wężownicy podgrzewacza; rys.: Vaillant
Rozwiązanie takie (rys. 3) zapewnia skuteczną ochronę instalacji nawet w budynku użytkowanym okresowo czy w trakcie budowy domu, gdy jeszcze nie jest on zamieszkany. Dodatkowo przed urlopem można zaprogramować czas przerwy w pracy systemu, np. tak, by na dzień czy dwa przed powrotem mieszkańców kolektory podgrzały wodę. Dzięki temu przez pierwsze dni system w ogóle nie zużywa energii elektrycznej do zasilania pompy obiegowej, a przed powrotem domowników podgrzeje wodę w zasobniku.
Plany może pokrzyżować tylko pogoda, ale oczywiście chmury i deszcze nie mogą sprawiać, że możliwa jest kąpiel jedynie w zimnej wodzie, więc w razie potrzeby przed powrotem mieszkańców z urlopu wodę podgrzeje kocioł.
Sterowanie i komunikacja dla zapewnienia komfortu
W ostatnich latach wiele zmieniło się w systemach sterowania pracą instalacji grzewczych, przy czym widać tu dwa równoległe kierunki rozwoju. Zwiększyła się dostępność zdalnego sterowania pracą instalacji, efektywnie zarządzane są też systemy wielopaliwowe czy hybrydowe.
Kotły są więc coraz częściej oferowane z systemem zdalnego nadzoru i użytkownik może nawet nie zdawać sobie sprawy, że w panelu kotła wbudowany jest sterownik pogodowy, ponieważ na co dzień obsługuje instalację za pomocą aplikacji zainstalowanej na urządzeniu mobilnym.
Rys. 4. Efektywne zarządzanie energią i komfortem oraz zdalna komunikacja – internet rzeczy wkracza do naszych mieszkań i domów; rys. Vaillant
Dostępne są też sterowniki, które sprawiają wrażenie bardzo prostych urządzeń, z możliwością adaptacji jedynie wymaganej temperatury pokojowej. W rzeczywistości okazuje się, że za pomocą dostępnej aplikacji można nie tylko programować pracę systemu czy dokonywać doraźnych zmian, ale też korzystać z gotowych scenariuszy i adaptacji pracy instalacji do rozkładu dnia mieszkańca (rys. 4). Dzięki temu system może podgrzać ciepłą wodę nie o konkretnej, ustawionej godzinie, ale na przykład wtedy, gdy użytkownik skończył już zajęcia na siłowni i wraca do domu. Nie musi on zatem adaptować programu przygotowania ciepłej wody za każdym razem, gdy wcześniej wraca do domu. Zrobi to za niego system sterowania, bazując na wprowadzonych scenariuszach i lokalizacji użytkownika.
Oczywiście dla jednych będzie to z pewnością ciekawe udogodnienie, a dla innych może być przejawem nadmiernej ingerencji technologii w życie.
Efektywność energetyczna instalacji
Wszyscy zdajemy sobie sprawę, że dla uzyskania najwyższej sprawności i niskich kosztów eksploatacji nie wystarczy zamontować w systemie najdroższych urządzeń i połączyć np. kotła z kolektorami słonecznymi, pompą ciepła czy centralą wentylacyjną z odzyskiem ciepła.
Warunkiem koniecznym do tego, by efekt był satysfakcjonujący, jest umiejętne zarządzanie pracą poszczególnych urządzeń. Przykładowo jeśli użytkownik zaprogramuje pracę kotła tak, żeby w godzinach porannych podgrzał on zasobnik c.w.u. do wysokiej temperatury, oczywiste jest, że kolektory słoneczne w kolejnych godzinach będą miały ograniczone możliwości przekazywania energii do zasobnika c.w.u. W efekcie będą pracowały z wysoką temperaturą i niską sprawnością, a w upalny dzień może nawet dojść do wystąpienia zjawiska stagnacji.
Nie dotyczy to jednak tylko współpracy z kolektorami – weźmy choćby pod uwagę współpracę z centralą wentylacyjną. Czasami zdarza się, że użytkownik ustawia wymaganą temperaturę w pomieszczeniach za pomocą sterownika kotła umieszczonego w jednym z pokoi, a centrala wentylacyjna pracuje według nastaw swojego sterownika zamontowanego na poddaszu.
W praktyce może się więc okazać, że „ciepłolubny” użytkownik ustawi wymaganą temperaturę w pomieszczeniach na np. 22–23°C, a w pamięci sterownika centrali wentylacyjnej może być wprowadzona niższa temperatura zadana, np. 20°C. W takim przypadku kocioł może ogrzewać pomieszczenia, ponieważ temperatura 23°C nie została osiągnięta, za to centrala pracuje w trybie letnim i nawiewa chłodne powietrze wprost do pomieszczeń, ponieważ temperatura powietrza usuwanego z pomieszczeń jest wyższa od wartości zadanej i wynosi np. 22,5°C.
W efekcie użytkownik nieświadomie traci znaczną część energii dostarczanej przez kocioł. Co z tego więc, że zaizolujemy budynek i wyposażymy go w najlepsze urządzenia, jeśli finalnie nasze oszczędności zostaną zmarnowane. Dlatego tak istotna jest dbałość o racjonalną współpracę poszczególnych elementów systemu.
Użytkownicy nie są jednak fachowcami w tej dziedzinie i nie mają szczegółowej wiedzy na temat funkcjonowania tych elementów.
W tym kontekście rośnie rola współczesnych sterowników systemowych. Są one w stanie zarządzać pracą układów, w których wykorzystuje się nawet kilka źródeł ciepła, np. kocioł, kolektory słoneczne oraz pompę ciepła.
Dodatkowo coraz częściej w domach instalowane są centrale wentylacyjne z odzyskiem ciepła.
Sterownik systemowy pozwoli w prosty sposób zoptymalizować pracę całego układu. Temperatura ustawiona za pomocą takiego sterownika będzie punktem wyjścia dla wszystkich urządzeń w systemie. Nie dojdzie więc do sytuacji, w której kocioł pracuje w trybie ogrzewania, a centrala w trybie naturalnego chłodzenia.
Rys. 5. Ilustracja zasady działania algorytmu oceny aktualnych kosztów eksploatacji poszczególnych źródeł ciepła w instalacji hybrydowej; rys. Vaillant
Ważną kwestią jest też maksymalne wykorzystanie energii odnawialnej. W tym celu sterownik może np. opóźnić załączenie kotła czy pompy ciepła, jeśli w danej chwili kolektory słoneczne osiągają wysoką moc i zasilają podgrzewacz wody. Zdecyduje też o tym, czy w danym momencie ma pracować kocioł czy pompa ciepła – na podstawie nie tylko efektywności poszczególnych urządzeń na tle konkretnych parametrów instalacji, ale również aktualnej ceny danego nośnika energii (rys. 5).
Ta ostatnia funkcja jest szczególnie przydatna, kiedy kocioł współpracuje z pompą ciepła zasilaną z instalacji rozliczanej według taryfy dwuczłonowej, np. G12 czy G12w, w której okresowo można korzystać ze znacznie tańszej energii elektrycznej.
Współczesne sterowniki umożliwiają wprowadzenie różnych cen energii dla poszczególnych okresów dnia i tygodnia.
Podsumowanie
Przytoczone przykłady rozwoju technologii grzewczych z wykorzystaniem kotłów kondensacyjnych pokazują, że zarówno obecnie, jak i w najbliższych latach poszukiwane będą nowe rozwiązania nie tylko w zakresie uzyskania najwyższej sprawności samych urządzeń, ale przede wszystkim dostosowania sposobu pracy systemu do potrzeb użytkowników oraz efektywnego wykorzystania energii odnawialnej. Wraz z cyklicznym ograniczaniem dopuszczalnych wartości współczynnika EP coraz trudniej będzie oprzeć system grzewczy jedynie na kotle kondensacyjnym, bez znaczącego udziału energii odnawialnej i dalszej redukcji strat ciepła w budynku. Natomiast rosnące zainteresowanie wykorzystaniem aplikacji może sprawić, że znaczną rolę w zarządzaniu pracą instalacji odgrywać będą systemy dynamicznego dostosowania wydajności układu do aktualnych potrzeb użytkowników.
Być może już wkrótce prawie w ogóle nie będzie trzeba dokonywać zmian na sterowniku zamontowanym w pokoju. Zamiast tego w jeszcze większym stopniu wykorzystywane będą aplikacje mobilne, a system sterowania dostosuje pracę całej instalacji do naszego rozkładu dnia i niezależnie od tego, czy danego dnia wrócimy do domu wyjątkowo wcześnie, czy późnym wieczorem, system przygotuje ciepłą wodę tuż przed naszym powrotem.
Z pewnością bardzo ważna, szczególnie w układach hybrydowych, będzie optymalizacja pracy poszczególnych urządzeń w kontekście dostępnych taryf energetycznych, ale i aktualnej wydajności ogniw fotowoltaicznych, jeśli takie zostaną zastosowane w budynku.
Oprócz zapewnienia komfortu w danej chwili znaczenia nabiera również możliwość magazynowania nadwyżek energii generowanej przez kolektory słoneczne czy ogniwa fotowoltaiczne.
Warto przeczytać: Projektowanie kotłowni wodnych >>>
