Eksploatacyjna sprawność kotła kondensacyjnego

Koszty gazu ziemnego oraz perspektywy ograniczeń jego dostawy stwarzają uzasadniony niepokój odbiorców ciepła. Ponadto stopniowo eliminuje się węgiel jako paliwo w gospodarstwach domowych i alternatywą może być właśnie gaz ziemny. Dla uzyskania maksymalnych korzyści należy w pełni wykorzystać możliwości tego paliwa.

W artykule przeanalizowano sprawność eksploatacyjną gazowego kotła kondensacyjnego na podstawie pomiarów wykonanych w mieszkaniu zamieszkanym przez trzy osoby.

W celu porównania kotłów różnych producentów oraz sprawności tych urządzeń wykonuje się badania energetyczne w ściśle określonych warunkach [1]. Kotłom gazowym poświęcono liczne publikacje, m.in. [2–5]. Na szczególną uwagę zasługuje publikacja [6] – opisano w niej wprawdzie „warunki rzeczywiste”, ale badania dotyczyły stanowiska laboratoryjnego i nie były wykonywane w warunkach dynamicznych, nie mają zatem praktycznego zastosowania.

Przeczytaj także: Dostawa ciepłej wody zasilanej gazowym kotłem kondensacyjnym >>

Istotnymi elementami, które trudno ocenić, są zmienne potrzeby dotyczące przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz wahania zapotrzebowania na moc do centralnego ogrzewania. Charakter pracy kotła wymaga dostosowania chwilowej mocy do potrzeb. Ważnym aspektem jest również dobór parametrów (temperatury) instalacji.

Producenci kotłów gazowych, podając ich sprawność, kierują się wynikami badań laboratoryjnych. Warunki pracy urządzeń są wtedy niemal idealne, zatem z punktu widzenia użytkownika wartość sprawności z nich wynikająca jest niezbyt przydatna w codziennej eksploatacji.

Przy projektowaniu należy pamiętać o unikaniu przewymiarowania kotłów oraz o stosowaniu akumulacji ciepła i kotłów wielomodułowych (pracujących w kaskadzie).

Główną ideą przedsięwzięcia było maksymalne wykorzystanie gazu ziemnego za pomocą kotła kondensacyjnego. Podstawowym założeniem była praca kotła tylko z kondensacją. Cel ten zrealizowano przez zaprojektowanie instalacji centralnego ogrzewania z maksymalnymi parametrami: t_zco/t_pco = 55/35°C.

Wpłynęło to na około 2,64 razy większą powierzchnię grzejników niż dla t_zco/t_pco = 80/60°C. Ponadto ciepła woda użytkowa była podgrzewana w wymienniku przepływowym w zależności od chwilowych potrzeb. Maksymalna temperatury ciepłej wody użytkowej wynosi t_cw^max = 50°C.

Odbiorcy uznali taką temperaturę c.w.u. za właściwą, mimo że jest niższa od zalecanej dla nowych budynków w rozporządzeniu o warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki.

Opis instalacji

Analizę przeprowadzono w mieszkaniu znajdującym się w budynku trzykondygnacyjnym zlokalizowanym w II strefie klimatycznej (temperatura zewnętrzna obliczeniowa: 18°C) [8]. Powierzchnia całkowita mieszkania znajdującego się na środkowej kondygnacji wynosi ok. 106 m². Ciepła woda użytkowa przygotowywana jest dla trzech osób.

W poprzednim roku na potrzeby centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej (w sezonie ogrzewczym) zużyto 4 Mg koksu, co kosztowało użytkowników ok. 5 tys. zł. Latem c.w.u. podgrzewano w bojlerze elektrycznym, a koszt energii wyniósł 600 zł.

Dobrano jednofunkcyjny gazowy kocioł kondensacyjny o mocy nominalnej 20 kW. Na rys. 1 pokazano podłączenie kotła do instalacji.

Kocioł gazowy po stronie wodnej został opomiarowany za pomocą licznika ciepła typu Multical Compact, a także osobnego gazomierza (oprócz gazomierza głównego, który służy do rozliczeń z dostawcą gazu). Poza gazowym kotłem kondensacyjnym instalacja gazowa zasila kuchenkę czteropalnikową z elektrycznym piekarnikiem.

Pomiary zużycia gazu i wytwarzanego ciepła

Instalacja została uruchomiona w październiku 2012 r., analizie poddano okres od 1 listopada 2012 do 31 października 2013 r. W tabeli 1 podano miesięczne wartości zużycia gazu ziemnego i wytwarzania ciepła przez kocioł kondensacyjny. Natomiast na rys. 2 pokazano przebieg zużycia gazu w ciągu roku.

W tabeli 1 podano wartości zużycia gazu na podstawie faktur za jego dostawy. Sumaryczne zużycie gazu ziemnego B = 2407 m³, natomiast do kotła kondensacyjnego Bk = 2321 m³. Ilość wyprodukowanej przez kocioł gazowy energii cieplnej Ek = 79,44 GJ (dane z licznika ciepła). Średnie właściwe zużycie gazu ziemnego wyniosło bk = 29,22 m³/GJ (bk = Bk/Ek).

W taryfie paliw gazowych z 2012 r. [9] podano wartość ciepła spalania Hs = 39,5 MJ/m³. Według [1] odpowiada to wartości opałowej Hi = 34,5 MJ/m³.

Ciepło gazu porównano z ciepłem wyprodukowanym przez kocioł. Posłużono się zależnością:

Ostateczne rezultaty obliczeń podano w tabeli 2.

Średnia sprawność gazowego kotła kondensacyjnego w ciągu roku wyniosła:

W przypadku sprawności odniesionej do ciepła spalania (Hs = 39,5 MJ/m³) uzyskamy sprawność ogólną:

Otrzymaną wartość należy uznać za bardzo wysoką. Została ona obliczona dla całego roku i jest nawet wyższa od uzyskanej w badaniach opisanych w publikacji [6].

Czytaj dalej: Sterowanie dostawą ciepła >>

Sterowanie dostawą ciepła

Ze względu na wysokie koszty układu pomiarowo-sterującego regulacja dostawy ciepła polegała na wykorzystaniu programatorów czasowych umieszczonych na zasilaniu w energię elektryczną następujących urządzeń: kocioł, pompa obiegowa centralnego ogrzewania, pompa ciepłej wody użytkowej i pompa cyrkulacyjna.

Użytkownicy za pomocą programatorów ustalali wielkość dostawy ciepła oraz pracę urządzeń w zależności od obecności osób w mieszkaniu w ciągu tygodnia. Czas pracy kotła ze stałą mocą w wysokości ok. 12 kW uzależniony był od oszacowanej średniej temperatury zewnętrznej. Przykładowo przy średniej temperaturze zewnętrznej w ciągu doby 0°C wynosił on 12 godz.

Pracę kotła zobrazowano na rys. 2 – podano wartości temperatury wody instalacyjnej przed i za kotłem w przykładowy dzień roboczy w lutym. Pomiarów dokonano za pomocą rejestratorów AS1921G [10]. Ponieważ są one montowane na zewnątrz przewodów, rzeczywista temperatura wody instalacyjnej jest wyższa.

Wykonywano pomiary temperatury co 10 minut, łącznie 144 odczyty. Na podstawie danych meteorologicznych [11] wiadomo, że średnia temperatura zewnętrzna wynosiła –1,93°C.

Przez połowę doby temperatura na zasilaniu instalacji (za kotłem) wynosiła mniej niż 50°C, czyli kocioł pracował z zadaną mocą cieplną. W ciągu doby włączany był sześć razy. Na rys. 3 wyraźnie widać okresy włączenia centralnego ogrzewania (ok. godz. 5.00 i 15.00) i poboru ciepłej wody (6.00–7.00 oraz 21.40–22.10).

Koszt gazu ziemnego

W tabeli 3 zestawiono koszty gazu ziemnego [9] w okresie listopad 2012 – październik 2013. Z nieznanych powodów PGNiG po zgłoszeniu włączenia ogrzewania gazowego zastosował taryfę grupy W-2.12T i dopiero od czerwca 2013 r. właściwą W-3.12T. Z kolei na rys. 4 pokazano, jak zmieniał się koszt ciepła w ciągu roku.

W tabeli 3 podano koszty brutto. Jednostkowa cena brutto gazu ziemnego wyniosła 2,206 zł/m³. Ponieważ kocioł gazowy zużył 2321 m³, to proporcjonalnie koszt gazu do kotła wyniósł:

Średni koszt miesięczny ciepła wyniósł:

Porównanie cen ciepła

Średnia cena ciepła wyprodukowanego przez gazowy kocioł kondensacyjny wy­niosła:

Przeprowadzono obliczenia porównawcze kosztów ciepła przedsiębiorstw ciepłowniczych eksploatujących kotłownie gazowe. Wyniki obliczeń dla różnych rodzajów kotłowni gazowych [12–14] przedstawiono w tabeli 4. Przyjęto, że zamówiona moc cieplna wynosi 0,013 MW, a zużycie ciepła 79,44 GJ/a.

Na rys. 5 porównano ceny ciepła w przedsiębiorstwach ciepłowniczych oraz w badanej instalacji.

Wprawdzie niektóre kotłownie, tzn. eksploatowane przez ECO S.A. Opole i MPEC Tarnów, znajdują się w III strefie klimatycznej, jednak różnica w zużyciu ciepła i zamówionej mocy cieplnej nie przekracza 5%.

Przeczytaj także: Praca centralnego ogrzewania w mieszkaniu zasilanym gazowym kotłem kondensacyjnym >>

W tabeli 4 zaznaczono kotłownie zasilane gazem zaazotowanym (znacznie tańszym niż gaz wysokometanowy). Na tej podstawie można stwierdzić, że przyłączenie badanej instalacji do kotłowni gazowej jest nieopłacalne. Nawet w przypadku kotłowni zasilanych gazem zaazotowanym koszt ciepła jest 34–58% wyższy niż w przypadku opisanego rozwiązania. Świadczyć to może o braku profesjonalizmu kadr projektujących i eksploatujących kotłownie zasilane gazem ziemnym – niewykorzystywane są zalety ciepłownictwa: profesjonalna obsługa i skala instalacji.

Większe zużycie gazu przez instalacje większe od badanej obniża jednostkową cenę gazu ziemnego. Stanowi to istotną zaletę dostawy ciepła przez przedsiębiorstwa ciepłownicze. Jednak na podstawie danych zawartych w tabeli 4 można wysunąć wniosek, że nie jest to odpowiednio dyskontowane.

Podsumowanie

Uzyskane rezultaty analiz wskazują na zastosowanie dobrego rozwiązania technologicznego. Średnia sprawność gazowego kotła kondensacyjnego w ciągu roku wyniosła 99,2% w odniesieniu do wartości opałowej oraz 86,65% w odniesieniu do ciepła spalania – należy ją uznać za bardzo wysoką.

Średnia cena ciepła wyniosła 46,64 zł/GJ i jest znacznie niższa niż w przypadku dostaw ciepła z kotłowni eksploatowanych przez przedsiębiorstwa ciepłownicze w zbliżonych warunkach. Ciepło z kotłowni gazowych PEC było od 35 do 58% droższe niż z badanej instalacji.

Literatura

1. Kowalski C., Kotły gazowe centralnego ogrzewania wodne niskotemperaturowe, WN-T, Warszawa 1994.

2. Mizielińska K., Olszak J., Gazowe i olejowe źródła ciepła małej mocy, Oficyna Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.

3. Danielewicz J., Gołecki K., Projektowanie kotłowni 2008. De Dietrich, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2008.

4. Żuchowski S., Technika kondensacyjna. Cz. 1–3, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2009, 12/2009, 7-8/2010.

5. Winogrodzki N., Systemy sterowania w kotłach kondensacyjnych, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2012.

6. Hibner W., Ksionek D., Rzeczywista sprawność gazowego kotła skroplinowego (kondensacyjnego) w warunkach eksploatacyjnych, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 5/2000.

7. Młyńczak A., Analiza techniczno-ekonomiczna dostawy ciepła z kotłowni PZL-HYDRAL S.A. w roku 1995, prognoza na 1996 r. i lata dalsze, PZL HYDRAL S.A., Wrocław 1996.

8. PN-82/B-02403 Ogrzewnictwo. Temperatury obliczeniowe zewnętrzne.

9. Taryfa paliw gazowych nr 5/2012, Polskie Górnictwo Naftowe i Gazowe, Warszawa 2012.

10. www.broenas.pl.

11. www.ogimet.com.

12. Decyzja nr OWR-4210-43/2013/134/XII-A/AŁ, URE, 28.10.2013.

13. Decyzja nr OWR-4210-60/2012/2013/73/XIII-B/MG, URE, 11.01.2013.14. Decyzja nr OKR-4210-34(7)/2013/188/IX/RF, URE, 26.07.2013.

Niniejsza praca badawczo-rozwojowa została sfinansowana w ramach działalności gospodarczej prowadzonej pod nazwą „Ryszard Śnieżyk”, www.rsniezyk.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!