Wytwarzanie c.w.u. za pomocą urządzeń gazowych. Aspekty techniczne i ekonomiczne

W budynkach mieszkalnych ciepła woda użytkowa wytwarzana jest przy pomocy różnych urządzeń, wykorzystujących energię ze spalania paliwa, elektryczną, cieplną lub  słoneczną. W Polsce c.w.u. może być dostarczana z miejskiej sieci ciepłowniczej lub produkowana przez indywidualne gazowe ogrzewacze wody, kotły gazowe dwufunkcyjne, lokalne kotłownie (gazowe, olejowe itp.), indywidualne elektryczne grzejniki wody czy systemy solarne, jednak najczęściej wykorzystywane są w tym celu urządzenia gazowe, zwłaszcza przepływowe ogrzewacze wody. Urządzenia te mają ostatnio coraz większą konkurencję w postaci sieci ciepłowniczych czy urządzeń elektrycznych, głównie z powodu licznych zatruć tlenkiem węgla.

Możliwość zatrucia spalinami jest istotnym ograniczeniem dla stosowania gazu w mieszkaniach, co wykorzystują zwłaszcza przedsiębiorstwa ciepłownicze, oferując, reklamowane jako bezpieczne, dostarczanie c.w.u. z sieci. Użytkownicy często wymieniają ogrzewacze gazowe na dużo droższe w eksploatacji urządzenia elektryczne, a wiele nowych budynków pozbawionych jest zupełnie instalacji gazowej. Skuteczną metodą zapobiegania wypadkom zatruć tlenkiem węgla, przy jednoczesnym nierezygnowaniu z użytkowania gazu, jest zastosowanie urządzeń gazowych z zamkniętą komorą spalania. Całkowicie eliminują one możliwość pojawienia się w pomieszczeniach produktów spalania mogących zawierać toksyczny tlenek węgla, a ich dodatkowym atutem jest większa efektywność energetyczna.

Warto prześledzić, jak w przyszłości mogą się kształtować ceny nośników energii (tab. 1). Prognozowany w „Polityce energetycznej Polski do 2030 r.” wysoki wzrost cen wytwarzania ciepła i energii elektrycznej związany jest z obowiązkiem nabywania uprawnień do emisji gazów cieplarnianych i sukcesywnej (do 2027 r.) likwidacji bezpłatnych uprawnień do emisji CO2. W wypadku nowych źródeł energii elektrycznej i cieplnej pojawi się obowiązek zakupu uprawnień pokrywających 100% emisji CO2. Te ekologiczne obciążenia nie będą dotyczyły wytwarzania ciepła i c.w.u. w urządzeniach domowych, co oznacza, że w przyszłości cena pozyskiwania energii przy pomocy urządzeń gazowych (zwłaszcza charakteryzujących się wysoką efektywnością energetyczną) będzie znacznie korzystniejsza niż w wypadku ciepła sieciowego czy energii elektrycznej.

Urządzenia gazowe do przygotowywania c.w.u.

Do wytwarzania c.w.u. służą w Polsce najczęściej przepływowe ogrzewacze wody (ok. 2–3 mln zainstalowanych urządzeń), rzadziej kotły dwufunkcyjne. W większości są to urządzenia typu B z otwartą komorą spalania, czyli pobierające powietrze do spalania z pomieszczenia, w którym pracują, i wyprowadzające spaliny na zewnątrz. Ich niewłaściwe użytkowanie grozi zatruciem produktami spalania, czasami nawet śmiercią.

W ostatnich latach liczba zatruć tlenkiem węgla utrzymuje się wciąż na wysokim poziomie, a liczba wypadków śmiertelnych szacowana jest na przynajmniej kilkaset rocznie. Związane jest to z przeprowadzanymi działaniami termomodernizacyjnymi, obejmującymi m.in. nadmierne uszczelnianie okien, co skutkuje niewystarczającym napływem powietrza potrzebnego do spalania gazu. Dodatkowe zagrożenie stanowi fakt, że często stosowane są urządzenia przestarzałe, kilkunasto-, a nawet kilkudziesięcioletnie, wymagające natychmiastowej wymiany.

Dość powszechnie stosowane są jeszcze w mieszkaniach gazowe przepływowe ogrzewacze wody starego typu, wyposażone w palniki inżekcyjne, w których zapłonu dokonuje palnik dyżurny (tzw. świeczka). Płomień dyżurny zużywa niebagatelne ilości gazu, ok. 150–200 m3 rocznie [2], a sprawność tych urządzeń przy mocy nominalnej wynosi ok. 80%. Oferowane obecnie na rynku przepływowe ogrzewacze wody mają sprawności rzędu 84–87%. Są to urządzenia wiszące, o małych gabarytach, najczęściej z automatycznym zapłonem i możliwością regulowania temperatury i wydajności ogrzewanej wody. Za automatyczny zapłon odpowiada zwykle iskra wytwarzana dzięki baterii lub hydrogeneratorowi (turbince napędzanej przepływem wody).

Urządzenia te wyposażone są w czujnik odwrócenia ciągu, który odcina dopływ gazu w razie wypływu spalin do pomieszczenia. Należy jednak pamiętać, że nie w każdej sytuacji może on zapobiec wypływowi spalin do pomieszczenia. Obowiązująca norma PN-EN 26 dotycząca tych urządzeń [3] przewiduje bowiem weryfikację działania tego czujnika jedynie w warunkach częściowego i całkowitego zablokowania przewodu spalinowego, natomiast przy ciągu wstecznym sprawdza się tylko, czy nie następuje znaczne pogorszenie spalania (wzrost stężenia tlenku węgla). Stanowi to poważny błąd stwarzający śmiertelne zagrożenie dla użytkowników urządzeń tego typu [4].

Ogrzewacze mają ponadto czujnik chroniący przed przegrzewem wody w wymienniku ciepła. Podstawową wadą tych urządzeń jest wspomniana możliwość zatrucia produktami spalania, dlatego dla ich prawidłowego funkcjonowania konieczne jest zapewnienie odpowiedniego dopływu powietrza, a także niezawodnego odprowadzania spalin w każdych warunkach klimatycznych. Nawet sprawne urządzenia są bardzo wrażliwe na niedostateczny dopływ powietrza i w sytuacjach takich w spalinach pojawia się duża ilość tlenku węgla.

Stan techniczny eksploatowanych ogrzewaczy 

Przeprowadzono badania, które miały na celu sprawdzenie stanu technicznego najbardziej wiekowych gazowych przepływowych ogrzewaczy wody. Badaniom poddano 11 urządzeń, które jeszcze do niedawna pracowały w mieszkaniach, a sprawdzano jakość spalania i sprawność energetyczną, opierając się na zapisach normy PN-EN 26:2002.

Badanie jakości spalania polega na sprawdzeniu zawartości tlenku węgla w suchych nierozcieńczonych spalinach. Według obowiązującej normy zawartość CO nie może przekroczyć 0,1% przy zasilaniu gazem odniesienia i 0,2% w przypadku zasilania gazem granicznym spalania niezupełnego. Dla użytkowników, a także ze względów ekologicznych, ważna jest jak największa efektywność energetyczna urządzeń. Sprawność gazowego przepływowego ogrzewacza wody nie powinna być niższa niż 84% dla ogrzewaczy o znamionowym obciążeniu cieplnym przekraczającym 10 kW i 82% dla ogrzewaczy o obciążeniu nieprzekraczającym 10 kW [3]. Procedury badawcze i wymagania wobec gazowych przepływowych ogrzewaczy wody opisano szczegółowo w publikacji [5].

Wyniki badań przedstawiono w tab. 2. Wiek badanych urządzeń był zróżnicowany – miały one od 22 do nawet 47 lat (badania przeprowadzono w 2010 r.). W dwóch przypadkach brakowało informacji o roku produkcji badanego urządzenia, ale ustalono, że ogrzewacze tego typu produkowane były w latach 1978–84 (GWP 21-II) i 1992–97 (PG 17-20). Ogrzewacze PGm-4 i PG 6 M6 były pierwotnie urządzeniami na gaz miejski, jednak w trakcie wieloletniej eksploatacji wymieniono w nich palniki na dostosowane do spalania gazu ziemnego. Nie udało się przeprowadzić pełnego badania dwóch urządzeń – PGm-4 i G 17-00-z12 – ze względu na ich bardzo zły stan techniczny. 

Stężenie tlenku węgla w spalinach przekraczało w tych wypadkach zakres pomiarowy analizatora spalin, wynoszący 20 000 ppm. Urządzenia charakteryzowały się bardzo dużym zużyciem gazu, co świadczy o prawdopodobnej ingerencji w ich konstrukcje (np. rozwiercenie palnika). Podczas oględzin urządzenia GWP 21-II, o najwyższym stężeniu CO w spalinach (43 955 ppm) i najmniejszej sprawności (67%), stwierdzono, że ma ono wypaloną nagrzewnicę.

W przypadku 7 z 11 przebadanych urządzeń przekroczony został dopuszczalny poziom stężenia tlenku węgla w suchych nierozcieńczonych spalinach (1000 ppm). Przy tak wysokich stężeniach i napływie spalin do pomieszczeń występuje niebezpieczeństwo zgonu użytkowników tych urządzeń już po kilku minutach [7]. Sprawności urządzeń były w większości wypadków niższe od wymaganych przez normę (84%). Dodatkowo należy podkreślić fakt, że ogrzewacze te pracowały właściwie cały czas z maksymalną mocą, niezależnie od ilości pobieranej ciepłej wody. Urządzenia nowszego typu mają możliwość dostosowania obciążenia palnika do wydajności c.w.u, co oczywiście zmniejsza zużycie gazu.

Stan techniczny badanych urządzeń dobrze ilustruje fot. 1. Na podstawie pomiarów można stwierdzić, że dalsze użytkowanie takich urządzeń, których jak można przypuszczać, zainstalowano w naszym kraju tysiące, jest groźne dla ich użytkowników.

Urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania

W wielu publikacjach [8, 9] wykazano, że skuteczną metodą eliminacji wypadków zatruć CO, przy jednoczesnym nierezygnowaniu z użytkowania gazu, jest stosowanie urządzeń gazowych typu C z zamkniętą komorą spalania, które wymagają jednak odpowiednich systemów kominowych. Dotychczasowe układy spalinowe dla urządzeń typu B przeznaczone były wyłącznie do odprowadzania spalin na zewnątrz przez system kominowy, podczas gdy obecne systemy dla urządzeń typu C służą również dostarczaniu powietrza do spalania. 

Istnieją dwa podstawowe rozwiązania systemów powietrzno-spalinowych:

• doprowadzanie powietrza i odprowadzanie spalin przewodem koncentrycznym,
• doprowadzanie powietrza i odprowadzanie spalin dwoma niezależnymi przewodami.

Podstawowym atutem systemów koncentrycznych jest zwiększanie efektywności energetycznej urządzeń grzewczych, a ich dodatkową zaletą jest skuteczne izolowanie przewodu spalinowego, co eliminuje ryzyko przedostawania się spalin do pomieszczeń mieszkalnych. W takim wypadku system powietrzno-spalinowy staje się przeponowym wymiennikiem ciepła (rekuperatorem), w którym płynące do urządzenia powietrze w przeciwprądzie do spalin odbiera od nich ciepło. Przeprowadzone badania i obliczenia symulacyjne wykazały, że wstępne podgrzewanie powietrza znacznie poprawia sprawność urządzeń, co wyraźnie wpływa na zmniejszenie zużycia gazu.

Na rys. 1 przedstawiono przykładowe wyniki obliczeń symulacyjnych uzyskanych przy pomocy oprogramowania Fluent (umożliwiającego m.in. modelowanie wymiany ciepła), których celem było określenie wpływu zastosowania koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych na efektywność energetyczną i zużycie gazu w ogrzewaczach z zamkniętą komorą spalania. 

Obliczenia dotyczyły urządzenia gazowego o mocy nominalnej 19,5 kW podłączonego do koncentrycznych przewodów zbiorczych dla różnych kondygnacji budynku pięciopiętrowego. Przyjęto dwie różne temperatury spalin na wlocie do przewodu spalinowego typowe dla powszechnie stosowanych urządzeń gazowych, tj. kotłów gazowych (ok. 110°C) i przepływowych ogrzewaczy wody (187°C).

W tab. 3 oszacowano zmniejszanie się zużycia gazu w wyniku wzrostu sprawności urządzenia gazowego. Uzyskane rezultaty wykazały, że wstępne podgrzewanie powietrza w koncentrycznym przewodzie powietrzno-spalinowym ma znaczny wpływ na efektywność wykorzystania gazu ziemnego w urządzeniach z zamkniętą komorą spalania i zmniejsza zużycie gazu o 1,8–4,6%, w zależności od długości przewodów, kondygnacji oraz temperatury spalin.

Wyniki te można odnieść zarówno do gazowych ogrzewaczy wody, jak i małych kotłów gazowych o zbliżonych mocach (ok. 20 kW) oraz podobnych strumieniach powietrza i spalin. W kotłach występować będzie zazwyczaj niższa temperatura spalin i z tego względu przyrosty sprawności spowodowane wstępnym podgrzewaniem powietrza będą mniejsze, jednak sprawność nominalna tych urządzeń będzie wyższa z powodu mniejszej straty kominowej.

W celu zobrazowania poziomu efektywności energetycznej, jaki mogą osiągnąć urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania, na rys. 2 zaprezentowano wyniki badań sprawności dwóch gazowych przepływowych ogrzewaczy wody typu C podłączonych do pojedynczego systemu kominowego. Badania miały na celu sprawdzenie zachowania się wybranych urządzeń podłączonych do dwóch podstawowych rodzajów przewodów powietrzno-spalinowych (rozdzielnych i koncentrycznych) o różnych długościach [10]. Urządzenie B podłączono tylko do systemu koncentrycznego, gdyż jest ono przystosowane jedynie do takiego rozwiązania. W wypadku urządzenia A podłączonego o systemu  koncentrycznego udało się przeprowadzić badania tylko dla przewodów długości 2 i 4 m.

Wszystkie badane systemy zdecydowanie przekraczają wymaganą normą sprawność 84%. Różnica sprawności między systemem koncentrycznym a rozdzielnym dla tego samego urządzenia i tej samej długości przewodów powietrzno-spalinowych wynosi ponad 5%. Wydłużaniu przewodów powietrzno-spalinowych towarzyszyła wzrastająca sprawność każdego systemu. Wynika to przede wszystkim ze zmniejszania się współczynnika nadmiaru powietrza spowodowanego wzrostem oporów przepływu związanych ze zwiększaniem długości przewodów.

W wypadku systemów koncentrycznych drugim istotnym czynnikiem powodującym wzrost sprawności jest podgrzewanie powietrza do spalania (rys. 2). 
Urządzenia gazowe z zamkniętą komora spalania (typu C) uzyskują znacznie wyższe sprawności od przebadanych starych urządzeń typu B (o 8–16 punktów procentowych), a  także nowych urządzeń tego typu, których sprawność maksymalna wynosi 87%. W wypadku starszych urządzeń ma miejsce dodatkowe zużycie gazu spowodowane ciągłym działaniem płomienia dyżurnego oraz niedostosowaniem mocy urządzeń do ilości pobieranej wody.

Podsumowanie

Osoby rezygnujące z urządzeń gazowych na rzecz c.w.u. z sieci ciepłowniczej rzadko znają prognozy dotyczące wzrostu cen wytwarzania ciepła i energii elektrycznej. W porównaniu z pozyskiwaniem energii przy pomocy urządzeń gazowych są to około dwukrotnie większe przyrosty, dlatego wykorzystywanie indywidualnych źródeł energii opalanych np. gazem ziemnym stanie się wkrótce bardzo atrakcyjnym cenowo rozwiązaniem. W publikacji [11] wykazano, że już teraz urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania mogą być konkurencyjne dla innych źródeł wytwarzania c.w.u. Nie bez znaczenia jest też fakt, że w ciepłej wodzie, szczególnie w wypadku urządzeń pojemnościowych, rozmnażają się intensywnie bakterie typu Legionella, a urządzenia przepływowe, do których należą gazowe ogrzewacze wody, są tej wady pozbawione.

Konieczne są jednak działania mające na celu poprawę bezpieczeństwa użytkowników urządzeń gazowych. Wyniki badań zdemontowanych przepływowych ogrzewaczy wody pokazują, z jakimi przypadkami można się spotkać w polskich warunkach. Stężenie tlenku węgla w spalinach w wielu wypadkach przekraczało dopuszczalną normę, a dalsze funkcjonowanie tych urządzeń stanowiło zagrożenie dla życia ich użytkowników. Ogrzewacze takie powinny zostać natychmiast wymienione, najlepiej na urządzenia z zamkniętą komorą spalania.

Zastosowanie gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania pozwala całkowicie wyeliminować zagrożenie zatrucia produktami spalania i efektywniej wykorzystać energię zawartą w paliwie gazowym. Ich sprawność nominalna jest znacznie wyższa niż tradycyjnych ogrzewaczy, a dodatkowe zastosowanie koncentrycznych systemów powietrznospalinowych skutkuje znacznie niższym zużyciem gazu i obniżeniem kosztów wytwarzania ciepłej wody użytkowej.

Artykuł przygotowano w ramach pracy statutowej Wydziału Energetyki i Paliw AGH

Literatura

1. Strugała A., Strategiczne aspekty zastosowania gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania w budynkach wielokondygnacyjnych, seminarium „Innowacyjny system dla bezpiecznego i ekonomicznego przygotowania c.w.u. w budynkach wielokondygnacyjnych”, 4 listopada 2009 r., Kraków.
2. Dudek G., Gazowe podgrzewacze wody, „Ładny Dom” nr 5/2005.
3. PN-EN 26:2002 Gazowe przepływowe ogrzewacze wody do celów sanitarnych, wyposażone w palniki atmosferyczne.
4. Gebhardt Z., Normalizacja a bezpieczeństwo urządzeń gazowych typu B11BS, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 7/2007.
5. Czerski G., Strugała A., Gebhardt Z., Urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania do przygotowania c.w.u. – wymagania i metody, „GWiTS” nr 10/2007.
6. Czerski G., Butrymowicz C., Tałach Z.A., Badania użytkowanych gazowych przepływowych ogrzewaczy wody, „GWiTS” nr 3/2011.
7. Czerski G., Ocena zagrożeń zatruć tlenkiem węgla użytkowników urządzeń gazowych w oparciu o bilans masowy pomieszczenia, „GWiTS” nr 11/2005.
8. Czerski G., Gebhardt Z., Zastosowanie gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2008.
9. Czerski G., Gebhardt Z., Butrymowicz C., Zastosowanie gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania w budynkach wielokondygnacyjnych, seminarium „Innowacyjny system dla bezpiecznego i ekonomicznego przygotowania c.w.u. w budynkach wielokondygnacyjnych”, 4 listopada 2009 r., Kraków.
10. Czerski G., Gebhardt Z., Badania gazowych przepływowych ogrzewaczy wody z zamkniętą komorą spalania podłączonych do różnych systemów kominowych, „GWiTS” nr 6/2008.
11. Czerski G., Gazowe przepływowe ogrzewacze wody z zamkniętą komorą spalania. Ekonomiczne aspekty stosowania, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!