Kotły na paliwa stałe. Urządzenia do odprowadzania nadmiaru ciepła
Kocioł z wężownicą schładzającą
Windhager
Kotłom na paliwa stałe stawia się duże wymagania – mają zapewnić nie tylko tanią eksploatację i niską emisję, ale i wysoką sprawność. Coraz częściej wymaga się od nich także możliwości współpracy z nowoczesnymi instalacjami z zaworami termostatycznymi i jednocześnie z kolektorami słonecznymi lub pompami ciepła, a nawet z instalacjami zasilanymi dodatkowo kotłami olejowymi lub na gaz płynny. Powyższe wymagania mogą być w pełni spełnione w instalacjach zamkniętych. Jednak dotychczas prawo dopuszczało zasilanie kotłami na paliwa stałe jedynie instalacji otwartych.
Zobacz także
Hoval Sp. z o.o. Kotły w obudowach zewnętrznych – ważne aspekty projektowe
Na etapie projektowania budynku inwestor we współpracy z architektem i projektantem instalacji sanitarnych musi podjąć decyzję o zlokalizowaniu kotłowni gazowej. Często zdarza się, że z uwagi na moc projektowanej...
Na etapie projektowania budynku inwestor we współpracy z architektem i projektantem instalacji sanitarnych musi podjąć decyzję o zlokalizowaniu kotłowni gazowej. Często zdarza się, że z uwagi na moc projektowanej kotłowni oraz ograniczenia przestrzenne – zabronione jest jej wybudowanie w piwnicy i konieczne staje się jej zlokalizowanie na najwyższej kondygnacji budynku.
RESAN pracownia projektowa W jaki sposób zaprojektować źródło ciepła, aby prawidłowo ogrzać budynek?
Budynki komercyjne lub użyteczności publicznej mogą mieć własne źródła ciepła, (kotły, pompy ciepła) lub być podłączone do sieci miejskiej poprzez węzeł cieplny. Niezależnie od wybranego rozwiązania, prawidłowo...
Budynki komercyjne lub użyteczności publicznej mogą mieć własne źródła ciepła, (kotły, pompy ciepła) lub być podłączone do sieci miejskiej poprzez węzeł cieplny. Niezależnie od wybranego rozwiązania, prawidłowo zaprojektowane i wykonane źródło ciepło jest absolutną podstawą do tego, by ogrzewanie budynku było niezawodne, wydajne i energooszczędne.
ELTERM Konfigurator doboru kotłów elektrycznych ELTERM
Firma ELTERM zaprezentowała konfigurator doboru kotłów elektrycznych 2020. Wszystkie modele naszych kotłów współpracują z instalacjami fotowoltaicznymi i poza Wachmistrzem wyposażone są w dedykowane liczniki...
Firma ELTERM zaprezentowała konfigurator doboru kotłów elektrycznych 2020. Wszystkie modele naszych kotłów współpracują z instalacjami fotowoltaicznymi i poza Wachmistrzem wyposażone są w dedykowane liczniki zużycia energii pochodzącej z instalacji PV.
W § 133 ust. 7 rozporządzenia ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], wprowadzono zapis, który brzmiał: Zabrania się zasilania z kotła na paliwo stałe instalacji ogrzewczych wodnych systemu zamkniętego, wyposażonych w przeponowe naczynia wzbiorcze. Spełnienie tego wymagania nie przysparzało instalatorom trudności i zapewniało bezpieczeństwo użytkowania. Ale zapis ten był od lat krytykowany, gdyż nie uwzględniał postępu technicznego w budowie kotłów i ich zabezpieczeń oraz dążenia do coraz dokładniejszej regulacji instalacji centralnego ogrzewania.
Po wprowadzonych w tym roku zmianach, od dnia 8 lipca zapis ten brzmi następująco: Zabrania się stosowania kotła na paliwo stałe do zasilania instalacji ogrzewczej wodnej systemu zamkniętego, wyposażonej w przeponowe naczynie wzbiorcze, z wyjątkiem kotła na paliwo stałe o mocy nominalnej do 300 kW, wyposażonego w urządzenia do odprowadzania nadmiaru ciepła [2].
Już w 2002 roku, w pięć dni po podpisaniu przez ministra rozporządzenia w sprawie warunków technicznych, powstała polska norma PN-EN 303-5:2002 Kotły grzewcze – Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 300 kW – Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie [3], w której określono kotły grzewcze o mocy nominalnej do 300 kW przewidziane do opalania wyłącznie paliwami stałymi.
Dokumentem tym wprowadzono do katalogu Polskich Norm normę europejską EN 303-5:1999. Norma była przez szereg lat argumentem dla zwolenników zasilania kotłów na paliwa stałe instalacji zamkniętych zabezpieczonych przeponowym naczyniem wzbiorczym. Zawiera bowiem wymagania dotyczące regulatorów i ogranicznika temperatury w zamkniętych układach grzewczych oraz, co najważniejsze, wymagania wobec urządzeń do odprowadzania nadmiaru mocy cieplnej.
Jednak w załączniku do wspomnianego rozporządzenia norma ta nie jest przywołana do zapisu § 133 ust. 7. Czy aby nie jest to zbyt daleko idąca swoboda w zabezpieczaniu instalacji? Treść rozporządzenia powinna być zgodna z postanowieniami normy dotyczącymi wymaganego wyposażenia kotła, w zależności od systemu wyłączania spalania, lub w rozporządzeniu powinna być ta norma przywołana.
Czy brak w rozporządzeniu wyraźnego odniesienia do normy w zakresie badania skuteczności działania urządzenia do odprowadzania nadmiaru mocy nie otwiera furtki dla stosowania nieprzebadanych rozwiązań? Oby te zmiany w przepisach nie były zachętą dla niektórych instalatorów do wykonywania „autorskich” rozwiązań. W ostatnich latach uzbierało się sporo przykładów takich działań, a dowiadywaliśmy się o nich przeważnie po eksplozji i zniszczeniu kotła oraz instalacji, a nawet budynku. Producenci często podają informację, że kocioł spełnia wymagania normy PN-EN 303-5, ale nie zawsze wyraźnie podają, w jakim zakresie.
Na polskim rynku nieliczne są sytuacje, gdy producent informuje (tak jak to ma miejsce w Niemczech), że kocioł jest przebadany zgodnie z tą normą na skuteczność działania zabezpieczeń i urządzenia do odprowadzania nadmiaru mocy cieplnej w warunkach krytycznych. Wynika to być może z faktu, że dotychczas kotły na paliwa stałe mogły zasilać jedynie układy otwarte. Miejmy nadzieję, że instalatorzy będą korzystać z rozwiązań zalecanych przez producentów do danych kotłów.
Producent może również zlecić przeprowadzenie badań kotła w jednostce badawczej posiadającej odpowiednią akredytację. Wprawdzie badania zgodności wykonania i wyposażenia kotła z normą PN-EN 303-5:2002 oraz jego własności funkcjonalnych nie są obligatoryjne, to jednak stanowią ważną informację o jakości kotła i bezpieczeństwie jego eksploatacji.
Badania takie wykonuje m.in. Instytut Energetyki, Zakład Kotłów i Urządzeń Grzewczych w Łodzi. Przeprowadza procesy certyfikacji wyrobów w zakresie:
- Certyfikacji dobrowolnej urządzeń grzewczych w celu potwierdzenia spełnienia przez te wyroby wymagań w zakresie efektywności energetycznej przy zachowaniu wymagań dotyczących ochrony środowiska i bezpieczeństwa eksploatacji. Certyfikacja dobrowolna obejmuje m.in. kotły grzewcze wodne, kominki i wkłady kominkowe oraz ogrzewacze pomieszczeń opalane paliwami stałymi.
- Certyfikacji obowiązkowej w zakresie badań projektu WE w celu potwierdzenia zgodności projektu kotłów grzewczych wodnych zasilanych ręcznie paliwem stałym z zasadniczymi wymaganiami ustalonymi w dyrektywie 97/23/WE. Uzyskanie certyfikatu badania projektu WE stanowi dla producenta podstawę do wydania deklaracji zgodności z zasadniczymi wymaganiami i oznakowania wyrobu znakiem CE zgodnie z dyrektywą 97/23/WE.
- W ramach certyfikacji dobrowolnej weryfikację wyrobu według modułu F kotłów grzewczych wodnych zasilanych ręcznie paliwem stałym z zasadniczymi wymaganiami ustalonymi w dyrektywie 97/23/WE. Weryfikacja obejmuje jednostkowy odbiór wyrobu dokonywany przez zespół, co umożliwia producentowi oznakowanie wyrobu znakiem CE przy współudziale jednostki notyfikowanej.
Wymagania dla kotłów zasilających instalacje zamknięte według PN-EN 303-5
Norma przewiduje możliwość stosowania kotłów grzewczych w instalacjach systemu zamkniętego pod warunkiem wyposażenia kotła w urządzenia regulacyjno-zabezpieczające. Rodzaj tych urządzeń zależy od systemu wyłączania spalania paliwa w kotle. Norma wyróżnia trzy systemy wyłączania spalania:
- szybko wyłączający,
- częściowo wyłączający,
- niewyłączalny.
W systemie spalania szybko wyłączającym we wszystkich przypadkach zakłóceń pracy (np. przy zaniku zasilania energetycznego lub nagłej przerwie w odbiorze ciepła) wytwarzanie ciepła w palenisku może być przerwane tak szybko, że po stronie wodnej i po stronie spalania nie występują stany zagrożenia. Za stan zagrożenia uważa się wzrost temperatury wody w kotle powyżej 110°C lub nagromadzenie się mieszaniny gazów palnych w komorze spalania i/lub kanałach spalinowych.
W systemie spalania częściowo wyłączającym wytwarzanie ciepła (wskutek zadziałania urządzeń regulacyjnych i zabezpieczających) może być na krótko w znacznej części przerwane, przez co nie zaistnieje w komorze spalania stan zagrożenia. Pozostała w palenisku moc cieplna, przekazywana po wyłączeniu do wody, nazywana jest szczątkową mocą cieplną.
W przypadku systemu szybko wyłączającego wymagane wyposażenie kotła stanowią: regulator temperatury i ogranicznik temperatury bezpieczeństwa z ręcznym powrotem do pozycji wyjściowej. W kotłach z wyłączanym systemem spalania nie jest wymagane stosowanie urządzenia do odprowadzania szczątkowej mocy cieplnej. W systemie częściowo wyłączającym wymagane wyposażenie kotła to: regulator temperatury, ogranicznik temperatury bezpieczeństwa z ręcznym powrotem do pozycji wyjściowej i niezawodne urządzenie do odprowadzania szczątkowej mocy cieplnej, w stanie awaryjnym niedopuszczające do wzrostu temperatury wody w kotle powyżej 110°C, przy czym szczątkowa moc cieplna pozostająca w kotle po zadziałaniu ogranicznika temperatury (odprowadzana przez niezawodne urządzenie do odprowadzania nadmiaru mocy cieplnej) nie powinna przekraczać 100 kW.
W przypadku kotłów z niewyłączalnym systemem spalania ich nominalna moc cieplna nie powinna przekraczać 100 kW, a wyposażenie kotła stanowią: regulator temperatury i niezawodne urządzenie do odprowadzania możliwie maksymalnej mocy cieplnej w przypadku powstania zakłóceń, niedopuszczające w stanie awaryjnym do wzrostu temperatury wody w kotle powyżej 110°C.
Z przytoczonych postanowień normy PN-EN 303-5:2002 wynika, że moc urządzenia do odprowadzania z kotła szczątkowej mocy cieplnej nie powinna przekraczać 100 kW. Ograniczenie to podyktowane jest niewątpliwie tym, że gabaryty urządzeń odprowadzających większe moce cieplne wykluczałyby ich praktyczne zastosowanie w kotłach grzewczych.
Skuteczność działania wyżej wymienionych urządzeń regulacyjno-zabezpieczających (wg normy PN-EN 303-5:2002) należy sprawdzać podczas badań typu. Badania te, jak wyżej wspomniano, nie są obligatoryjne. Producent kotła w instrukcji instalowania i eksploatacji powinien podać informację, czy kocioł może być stosowany w instalacji ogrzewczej systemu zamkniętego oraz o wymaganym sposobie zabezpieczenia kotła i instalacji. Informacje te producent podaje na własną odpowiedzialność.
Rys. 1. Schemat zabezpieczenia kotła za pomocą wbudowanej wężownicy chłodzącej i z zabezpieczeniem termicznym SYR 3065
Urządzenia do odprowadzania nadmiaru ciepła – przykłady rozwiązań
Wymienniki
Jedno z rozwiązań [5] oparte jest na wykorzystaniu wymiennika w postaci miedzianej wężownicy o mocy wyższej od mocy znamionowej kotła, tak aby wymiennik ten mógł skutecznie i, co najważniejsze, szybko odebrać nadmiar energii z płaszcza wodnego kotła, w przypadku gdy woda w nim przekroczy zadaną temperaturę, np. 90°C.
Wymiennik ten jest montowany w płaszczu wodnym, w miejscu gdzie woda osiąga najwyższą temperaturę – bliską temperaturze zasilenia instalacji c.o. Lokalizacja ta nie jest bez znaczenia, gdyż umożliwia najskuteczniejszy odbiór nadmiaru temperatury ze strumienia wody kierowanej z kotła do przewodów c.o.
Wymiennik zamontowany w płaszczu wodnym jest podłączony do przewodu z wodą zimną, która przepływa przez niego tylko w przypadku otwarcia się zaworu termicznego z czujnikiem zanurzonym w płaszczu wodnym kotła po przekroczeniu zadanej temperatury. Woda przechodzi przez wymiennik i odbiera ciepło z płaszcza wodnego kotła, po czym odprowadzana jest do studzienki schładzającej, gdyż skierowanie gorącej wody bezpośrednio do przewodów kanalizacyjnych mogłoby je uszkodzić.
Według zapewnień producenta taki wymiennik jest w stanie obniżyć temperaturę wody w płaszczu kotła o kilka stopni w ciągu kilkunastu sekund. Jeśli temperatura wody w płaszczu kotła spadnie poniżej zadanej wartości, to zawór zamyka dopływ wody do wymiennika. W tym rozwiązaniu bardzo istotna jest wysoka jakość wymiennika i zaworu, pozwalająca na nawet kilkukrotne następujące po sobie włączanie i wyłączanie zabezpieczeń.
W rozwiązaniach z wbudowaną w kocioł wężownicą bezpieczeństwa stosuje się np. zabezpieczenie termiczne 3065. Na rysunku 1 pokazano montaż zaworu na wejściu zimnej wody do chłodnicy w kotle na paliwo stałe.
Tak zamontowany zawór jest najlepiej chroniony przed uszkodzeniem przez osady kamienia kotłowego i ma zapewnioną długą żywotność. Zimna woda przepływająca przez chłodnicę pośrednio chłodzi przegrzany kocioł. Dzięki temu maksymalna temperatura wody w instalacji nie zostaje przekroczona [6].
Zasobniki
Do odprowadzania nadmiaru mocy cieplnej stosowane są też zasobniki. Taki zbiornik może pełnić jednocześnie funkcje:
- zabezpieczenia kotła,
- zasobnika c.w.u. z możliwością podłączenia kolektorów słonecznych,
- akumulatora ciepła, zwłaszcza dla kotłów zgazowujących drewno.
Pojemność zasobnika buforowego dla zabezpieczenia instalacji przed przegrzaniem można wyznaczyć na podstawie normy PN-EN 303-5, która zawiera wytyczne do obliczeń pojemności zbiornika akumulacyjnego dla kotłów grzewczych z załadunkiem ręcznym. W przybliżeniu na 1 kW mocy kotła należy instalować 40 dm3 pojemności zasobnika buforowego. Zatem dla typowego domu jednorodzinnego zbiornik musiałby mieć 800–900 dm3.
Taki system odbioru nadmiaru ciepła z kotła w sytuacjach awaryjnych jest zalecany dla kotłów z ręcznym załadunkiem paliwa, zwłaszcza na drewno. Ponadto bufor ten magazynuje ciepło, gdyż nadwyżka energii wytworzonej w kotle występuje przez większą część okresu grzewczego, a dodatkowo kotły, pracując w sposób niedławiony, z mocą nominalną, osiągają znacznie większą sprawność.
Praca z mocą nominalną ma jeszcze tę zaletę, że powoduje niską emisję zanieczyszczeń powstałych w wyniku spalania. Zastosowanie zasobnika buforowego w instalacji z kotłem na paliwo stałe pozwala na uzyskanie komfortu użytkowania, gdyż wydłużają się okresy pomiędzy załadunkami, a latem można korzystać z c.w.u. wytworzonej w kolektorach słonecznych lub uruchamiać kocioł tylko raz na parę dni. I rzecz najistotniejsza – zastosowanie zbiornika buforowego, który pełni jednocześnie rolę akumulatora ciepła, pozwala osiągnąć ok. 20% oszczędności w wydatkach na paliwo w stosunku do instalacji bez zasobnika, a instalacja daje się łatwo i płynnie sterować.
Rys. 2. Schemat instalacji składającej się z kotła na paliwo stałe, kotła gazowego lub olejowego, zbiornika buforowego, obwodu c.o. pośredniego z zaworem mieszającym, obwodu c.o.dodatkowego bezpośredniego oraz z obwodu przygotowania c.w.u. Kocioł na paliwo stałe zabezpieczony zaworem zabezpieczenia termicznego typu 3065 w układzie z wymiennikiem chłodzącym lub typu 5067 w układzie bez wymiennika chłodzącego
W układach, w których kocioł nie jest wyposażony w wymiennik chłodzący, zalecane jest stosowanie zabezpieczenia termicznego 5067. Zawór ten składa się z: zaworu zwrotnego, reduktora ciśnienia, sterowanego termicznie zaworu napełniającego i wyrzutowego oraz czujnika temperatury z kapilarą. Zawór redukcyjny jest połączony z siecią wodną, wyjście sterowanego termicznie zaworu napełniającego podłączone jest do przewodu powrotnego kotła, jak pokazano to na rysunku 2.
Do przewodu zasilającego podłączony jest zawór wyrzutowy i z instalacji grzewczej wypływa gorąca woda, a zimna woda może wpływać z przewodu zasilającego, dzięki czemu ochładza się kocioł. Czujnik temperatury montowany jest w najcieplejszym miejscu, najlepiej w górnej części kotła. Zawór wyrzutowy otwiera się przy temperaturze 97°C.
Przy obniżeniu temperatury kotła do 94°C zawór wyrzutowy zostaje zamknięty. Dzięki sterowanemu termicznie zaworowi napełniającemu oraz czujnikowi temperatury przywrócone zostaje właściwe ciśnienie przepływu w instalacji grzewczej. Kiedy temperatura wody w kotle osiąga 88°C, zamyka się również zawór napełniający.
Zabezpieczenia kotłów z automatycznym podawaniem paliwa
Kotły na paliwa stałe z automatycznym podawaniem paliwa nie stwarzają znaczącego zagrożenia niekontrolowanym wzrostem temperatury w instalacji c.o., gdyż ilość paliwa podawana do palnika retortowego jest niewielka. Ponadto w razie wzrostu temperatury zabezpieczenia i działania automatyczne uruchomione zostają bez udziału użytkownika.
Rozwiązania te powinny posiadać skuteczne zabezpieczenia przed wydostaniem się ognia poza komorę spalania na podajnik i zasobnik paliwa. Stosuje się zabezpieczenia przed zapaleniem się podawanego paliwa w podajniku ślimakowym i zasobniku. Uruchamiają się one, gdy temperatura podajnika przekroczy np. 86°C.
W takim przypadku sterownik wyłączy podajnik na 30 sek., aby usunąć z niego żar. Jeśli po dwóch minutach od wykonanej próby usunięcia żaru temperatura podajnika nie zmniejszy się, sterownik dokona kolejnej próby. Gdy po czterech takich próbach od osiągnięcia temperatury 86°C sterownik nie zdoła obniżyć temperatury podajnika, nastąpi zatrzymanie pracy kotła i jego awaryjne wygaszenie.
Awaryjne urządzenie gaszące, zabezpieczające przed zapłonem paliwa w zasobniku, może być też podłączone do instalacji wodociągowej i w przypadku przekroczenia zadanej temperatury urządzenie gaszące otwiera zawór wody i działa niezależnie od zasilania elektrycznego. Kocioł może być również wyposażony w zasobnik wypełniony wodą, którego grawitacyjny wypływ zabezpieczony jest parafiną i w przypadku wzrostu temperatury parafina mięknie, a woda zalewa podajnik.
Niebezpieczeństwu przedostania się ognia do zasobnika z paliwem przeciwdziałają też:
- dobieg podajnika kotła dłuższy od podajnika z zasobnika,
- wyższe obroty podajnika kotła od podajnika z zasobnika,
- szczelna konstrukcja podajnika paliwa,
- grawitacyjny transport paliwa pomiędzy podajnikami,
- klapa na odcinku grawitacyjnego transportu paliwa, która po przejściu kotła w tryb przytłumienia, wyłączeniu kotła lub odcięciu zasilania elektrycznego automatycznie się zamyka.
Literatura
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690 ze zm.).
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 marca 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 56, poz. 461).
- PN-EN 303-5:2002 Kotły grzewcze – Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 300 kW – Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
- PN-B-02414:1999 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo – Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami wzbiorczymi przeponowymi – Wymagania.
- www.cichewicz.pl.
- www.syr.pl.
- www.itgs.radom.pl.