Dobór kotłów w kotłowniach wodnych małej i średniej mocy
Selection of boilers of small and medium sized water boiler plants
Kotłów do kotłowni wodnej, fot. Bitermo
Opis procedur doboru kotłów w kotłowniach wodnych małej i średniej mocy. Poradnik projektanta instalacji grzewczych.
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.
Dobór kotłów
Doboru kotła dokonuje się na podstawie obliczeń bilansu cieplnego (patrz cz. 1 – RI 12/2012). Przy więcej niż jednym kotle wymaganą moc cieplną dzielimy na poszczególne jednostki, zaokrąglając wynik w górę. Przy niewielkim niedomiarze mocy (1−3%) możemy podjąć decyzję o zaokrągleniu w dół.
Należy pamiętać, że kotły o różnej mocy mogą być stosowane jedynie w kotłowniach z pompami kotłowymi. Wielkość kotła wybieramy z katalogu producenta. Jest to moc deklarowana będąca strumieniem ciepła przekazanym do nośnika ciepła. Nie jest wymagany żaden współczynnik zwiększający – jak w dawnych konstrukcjach jednostek kotłowych [1].
Najistotniejsze parametry doboru kotła to [10, 11]:
- moc [kW] – parametr wejściowy,
- sprawność (efektywność),
- ciśnienie dopuszczalne [bar],
- temperatura dopuszczalna [°C],
- temperatura spalin przy pełnym obciążeniu [°C],
- wymiary geometryczne: szerokość, długość, wysokość [m] (wraz z palnikiem),
- wymiary przewodu spalinowego [m] (niekoniecznie tożsame z wymiarami komina),
- wymiary przewodu spalinowo-powietrznego przy kotłach z zamkniętą komorą spalania [m],
- rozmieszczenie króćców przyłączeniowych: zasilenia, powrotu, zaworu bezpieczeństwa,
- wymiary fundamentu [m] (jeżeli jest to kocioł stojący).
Opory przepływu spalin w kotłach z palnikami nadmuchowymi są pokonywane przez spręż wentylatora palnika – nie są składową bilansu ciśnienia przy obliczaniu wymiarów przewodów odprowadzających spaliny.
W przypadku kotłów atmosferycznych ciąg kominowy musi pokonać opory przepływu spalin przez kocioł. Należy pamiętać o przekazaniu danych projektantowi instalacji elektrycznej, który w projekcie powinien doprowadzić zasilanie do skrzynki przyłączeniowej kotła.
Przeczytaj: Schematy ideowe kotłowni wodnych małej i średniej mocy – kotłownie z pompami kotłowymi >>
Palnik kotła i regulator obiegów kotłowych są zasilane ze skrzynki przyłączeniowej. Przy większych kotłach, gdy palnik jest dobierany oddzielnie, wymagane może być wykonanie osobnego elektrycznego zasilania palnika.
Pojęcie sprawności kotła, zwłaszcza w kontekście kotłów kondensacyjnych, wymaga komentarza. Zgodnie z normą [6] producenci podają sprawność w odniesieniu do ciepła spalania (Hs [kJ/kg]) i wartości opałowej paliwa (Hi [kJ/kg]) przy temperaturze obiegu grzejnego 75/60°C. Ciepło spalania zawiera składową będącą ciepłem skraplania pary wodnej zawartej w spalinach przy ochłodzeniu produktów spalania do temperatury odniesienia.
Sprawnością urządzenia (systemu) w odniesieniu do efektu nazywamy stosunek efektu (skutku) rzeczywistego do efektu teoretycznego, największego z możliwych [3]:
gdzie:
Efr – efekt rzeczywisty,
Eft – efekt teoretyczny.
Obydwie wielkości muszą być wyrażone w tych samych jednostkach. Sprawność odniesiona do nakładu ma inny wzór definicyjny [3]. Urządzenie działające bez strat (ciepła lub energii) jest doskonałe i ma sprawność 1 (100%). Sprawność nie może być większa od jedności.
Efektem w przypadku kotła jest moc cieplna – strumień ciepła przekazany do nośnika ciepła. Efektem doskonałym byłaby całkowita zamiana energii chemicznej spalania paliwa w ciepło, bez strat na zewnątrz układu (do otoczenia). Maksymalna (teoretyczna) moc kotła jest równa strumieniowi energii chemicznej reakcji spalania:
- w przypadku odniesienia do wartości opałowej:
- w przypadku odniesienia do ciepła spalania:
gdzie:
B – strumień masy (objętości) paliwa [kg/s, (m3/s)].
W przypadku paliw gazowych do wzoru podstawiany jest strumień objętości gazu oraz wartość opałowa lub ciepło spalania w przeliczeniu na jednostkę objętości (m3) w warunkach odniesienia (np. temperatury 0°C i ciśnienia 1 bar). Wartości obliczone ze wzorów (2) i (3) są teoretycznie możliwymi strumieniami ciepła przekazanego do nośnika ciepła w kotle.
Zatem sprawność w odniesieniu do kotła niekondensacyjnego możemy zdefiniować jako:
gdzie:
hnk – sprawność kotła niekondensacyjnego, pozostałe oznaczenia jw.,
Fk – moc cieplna kotła [kW].
Sprawność w odniesieniu do kotła kondensacyjnego to:
gdzie:
hk – sprawność kotła kondensacyjnego, pozostałe oznaczenia jw.
Innym pojęciem, nietożsamym z pojęciem sprawności, jest efektywność, a właściwie współczynnik efektywności (e) [3]. Jest to stosunek efektu (Ef) do nakładu (N).
Efektywność może mieć aspekt techniczny lub ekonomiczny. Może być efektywnością teoretyczną, gdy efekt i nakład są teoretyczne, i rzeczywistą, gdy obydwie wielkości odpowiadają wartościom rzeczywistym. Jest pojęciem bardziej pojemnym niż sprawność.
Nie jest wymagane, aby efekt i nakład były liczone w tych samych jednostkach. Można sobie wyobrazić efektywność liczoną w jednostkach pieniężnych na jednostkę o charakterze technicznym, w kilowatogodzinach na gigadżul itp.
Przeczytaj: Schematy ideowe kotłowni wodnych małej i średniej mocy – kotłownie bez pomp kotłowych >>
W literaturze często mylone są pojęcia sprawności i efektywności, nagminnie w odniesieniu do prawobieżnych (np. obieg silnika gazowego) i lewobieżnych (np. obieg chłodziarki lub pompy ciepła) obiegów termodynamicznych. W kotle kondensacyjnym możemy zdefiniować współczynnik efektywności jako:
gdzie:
ek – współczynnik efektywności kotła kondensacyjnego, pozostałe oznaczenia jw.
Proszę zwrócić uwagę na różnicę w mianowniku wzoru (5) i (7). Podobnie „sprawność” kotła niekondensacyjnego obliczona zgodnie z [6] odniesiona do ciepła spalania jest w istocie efektywnością (współczynnikiem efektywności).
Przeczytaj: Kotły kondensacyjne – oszczędność czy marketing? >>
Są to subtelne, choć niezbędne rozróżnienia pojęć prowadzące do uporządkowania terminologii. Współczynnik efektywności może być większy od jedności, w przeciwieństwie do sprawności.
Obliczanie strumienia masy nośnika ciepła w obiegach kotłowni
Strumień masy nośnika ciepła jest obliczany w oparciu o obliczenia bilansu cieplnego i wyniki doboru kotłów. W tekście uwypuklone zostaną różnice w procedurach obliczeniowych wynikające z odmiennych schematów kotłowni: z pompami kotłowymi i bez pomp kotłowych. Wskazane jest, aby przy tej części cyklu Czytelnik śledził schematy ideowe kotłowni [2, 4].
Strumień masy w obiegu pojedynczego kotła
Strumień masy nośnika ciepła w obiegu pojedynczego kotła można obliczyć ze wzoru [2, 4]:
gdzie:
mk1 – strumień masy nośnika ciepła w obiegu pojedynczego kotła [kg/s],
Fk – moc cieplna kotła (katalogowa) [kW],
cp – ciepło właściwe wody, zależne od temperatury [kJ/(kgK)],
tkzo – temperatura zasilania w obiegu kotłów w warunkach obliczeniowych [°C],
tkpo – temperatura powrotu w obiegu kotłów w warunkach obliczeniowych [°C].
W przypadku schematu kotłowni bez pomp kotłowych oraz kotłowni z kotłami kondensacyjnymi, pompami kotłowymi i zbiornikiem buforowym parametry obiegu kotła można przyjąć takie same jak obiegów grzewczych centralnego ogrzewania, np. 70/50°C.
Składowa gorącego mieszania pojawia się przy wyższej temperaturze powietrza zewnętrznego, co oznacza, że w obiegu kotła płynie mniejszy od obliczeniowego strumień masy nośnika ciepła. Przy bardzo niskich parametrach obliczeniowych instalacji ogrzewania, np. 50/30°C, powinno się stosować wyłącznie kotły kondensacyjne.
Przy schemacie kotłowni ze sprzęgłem hydraulicznym i kotłami niekondensacyjnymi należy uwzględnić stałą składową gorącego mieszania płynącą przez sprzęgło hydrauliczne. Składowa ta stanowi 40–50% strumienia masy wody w obiegu kotła, zatem temperatura wody powrotnej w obiegu kotłów powinna wynosić:
gdzie:
tpo – temperatura powrotu w obiegach grzewczych ogrzewania w warunkach obliczeniowych [°C].
Temperaturę zasilania obiegów grzewczych centralnego ogrzewania przyjmuje się identyczną z temperaturą zasilania w obiegu kotła (kotłów). Strumień masy nośnika ciepła jest obliczany ze wzoru (8).
Przeczytaj także: Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem >>
W przypadku kotłowni z kilkoma kotłami (bez pomp kotłowych) wyłącznie do celów centralnego ogrzewania (ewentualnie wentylacji), z funkcją regulacji temperatury zasilania w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego (tzw. regulacją pogodową) w obiegu kotłów strumień masy płynący przez obieg pojedynczego kotła jest równy:
gdzie:
mk1 – strumień masy nośnika ciepła w obiegu pojedynczego kotła [kg/s],
SFk – suma mocy cieplnej (katalogowej) wszystkich kotłów [kW].
Strumień masy w obiegu wspólnym kotłów
Strumień masy nośnika ciepła we wspólnym obiegu kotłów jest liczony jako suma strumieni masy w poszczególnych obiegach kotłów w przypadku [2, 4]:
- kotłów z pompami kotłowymi, bez względu na różnice w schemacie ideowym,
- kotłów bez pomp kotłowych ze stałą temperaturą wody zasilającej w obiegach kotłów, np. 70°C.
Strumień masy nośnika ciepła we wspólnym obiegu kotłów w przypadku opisanym wytłuszczonym drukiem w komentarzu do wzoru (10) jest równy strumieniowi masy w obiegu każdego kotła.
Strumień masy nośnika ciepła w obiegach ogrzewania
Strumień masy nośnika ciepła w obiegach ogrzewania można obliczyć ze wzoru [2, 4]:
gdzie:
mcoj – strumień masy wody instalacyjnej do c.o. w obiegu „j” [kg/s],
Fcoj – moc cieplna do c.o. w obiegu „j” [kW],
cp – ciepło właściwe wody zależne od temperatury [kJ/(kg K)],
tzoj – temperatura zasilania w instalacji c.o. w obiegu „j” w warunkach obliczeniowych [°C],
tpoj – temperatura powrotu w instalacji c.o. w obiegu „j” w warunkach obliczeniowych [°C].
Strumień masy nośnika ciepła w obiegach wentylacji
Strumień masy nośnika ciepła w obiegach wentylacji (podgrzewania powietrza wentylacyjnego) można obliczyć ze wzoru [2, 4]:
gdzie:
mwj – strumień masy wody instalacyjnej w obiegu „j” wentylacji [kg/s],
Fwj – moc cieplna obiegu „j” wentylacji [kW],
cp – ciepło właściwe wody zależne od temperatury [kJ/(kgK)],
tzowj – temperatura zasilania w obiegu „j” wentylacji w warunkach obliczeniowych [°C],
tpowj – temperatura powrotu w instalacji c.o. w obiegu „j” w warunkach obliczeniowych [°C].
Strumień masy nośnika ciepła w obiegu grzewczym ciepłej wody
Strumień masy nośnika ciepła w obiegu grzewczym przygotowania ciepłej wody oblicza się ze wzoru [2, 4]:
gdzie:
mgcw – strumień masy w obiegu grzewczym ciepłej wody [kg/s],
Fcw – moc cieplna do przygotowania ciepłej wody [kW],
cp – ciepło właściwe wody grzejnej zależne od temperatury [kJ/(kgK)] w obiegu grzewczym ciepłej wody,
tkzo – temperatura zasilania w obiegu kotłów, najczęściej przyjmowana jako 70°C,t
pcw – temperatura powrotu w obiegu grzewczym ciepłej wody, najczęściej przyjmowana w przedziale 25–35°C.
Przy zastosowaniu kilku wymienników do przygotowania ciepłej wody strumień masy nośnika ciepła w obiegu każdego wymiennika należy przyjąć jako łączny strumień podzielony przez liczbę wymienników.
Przeczytaj: Projektowanie kotłowni wodnej. Bilans cieplny kotłowni wodnej >>
Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym ciepłej wody
Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym przygotowania ciepłej wody przyjmuje się jako maksymalny strumień wyznaczony za pomocą procedur PN-EN 806 [7]:
gdzie:
mmax cw – maksymalny strumień masy ciepłej wody [kg/s],
q – chwilowy strumień objętości ciepłej wody wyznaczony z [6] [dm3/s],
r − gęstość ciepłej wody zależna od temperatury [kg/dm3].
Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym cyrkulacji ciepłej wody
Strumień masy nośnika ciepła w obiegu instalacyjnym cyrkulacji ciepłej wody przyjmuje się na podstawie obliczeń układów cyrkulacji z założeniem dopuszczalnego schłodzenia wody w instalacji c.w. [5]. Z doświadczeń autora wynika zależność:
gdzie:
mccw – strumień masy w obiegu cyrkulacji ciepłej wody [kg/s].
Przy większej niż 3 liczbie wymienników zaleca się łączenie wymienników w układzie Tichelmanna, zarówno w obiegu wody grzejnej, jak i wody instalacyjnej. Układ wraz z zaznaczonymi strumieniami masy w obiegu grzewczym pokazano na rys. 1. Uwaga dotyczy strumienia masy nośnika ciepła w obiegu grzewczym i instalacyjnym ciepłej wody oraz w obiegu instalacyjnym cyrkulacji ciepłej wody.
Literatura
- Nantka M., Ogrzewnictwo i ciepłownictwo, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006.
- Zaborowska E., Projektowanie kotłowni na paliwo ciekłe i gazowe, Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2012.
- Żarski K., Termodynamika. Zagadnienia praktyczne w ogrzewnictwie i klimatyzacji, Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 2005.
- Żarski K., Obiegi wodne i parowe w kotłowniach, Ośrodek Informacji „Technika instalacyjna w budownictwie”, Warszawa 2000.
- Żarski K., Komputerowe wspomaganie obliczeń układów cyrkulacyjnych ciepłej wody, „Instal” nr 5/2008.
- PN-EN 303:2000/A1:2005 Kotły grzewcze z palnikami nadmuchowymi. Terminologia, ogólne wymagania, badania i oznaczenie.
- PN-EN 806-3 Wymagania dotyczące wewnętrznych instalacji wodociągowych do przesyłu wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi; Arkusz 2. Projektowanie, Arkusz 3. Wymiarowanie przewodów.
- DT-UC-90/WO Warunki techniczne dozoru technicznego. Urządzenia ciśnieniowe. Wymagania ogólne.
- DT-UC-90/KW Warunki techniczne dozoru technicznego. Urządzenia ciśnieniowe. Kotły wodne.
- Katalog produktów Viessmann.
- Katalog produktów Buderus.
- N258, program do określania właściwości pary wodnej.
- PN-EN 12828 Instalacje grzewcze w budynkach. Projektowanie wodnych systemów instalacji ogrzewczych.