Kotły na paliwa stałe. Urządzenia do odprowadzania nadmiaru ciepła

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.

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.

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

1. 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.).
2. 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).
3. 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.
4. PN-B-02414:1999 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo – Zabezpieczenie instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego z naczyniami wzbiorczymi przeponowymi – Wymagania.
5. www.cichewicz.pl.
6. www.syr.pl.
7. www.itgs.radom.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!