Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem Cz. 4. Dobór kotłów w kotłowni osiedlowej

Celem poniższego artykułu jest przedstawienie metody doboru kotłów w kotłowni osiedlowej. Znajomość warunków pracy układu przygotowania c.w.u. umożliwia wykorzystanie kotłów gazowych do wytwarzania ciepła na potrzeby chwilowe.

Analiza potrzeb cieplnych w osiedlu

W odniesieniu do pierwotnych założeń [1] przeprowadzono szczegółową analizę wszystkich obiektów w osiedlu. Zrezygnowano z przyłączenia do nowej kotłowni osiedlowej kotłowni TBS-u z kotłami kondensacyjnymi oraz instalacji z węzłami mieszkaniowymi (kotłownie K6–K10). Uznano, że budynki zaprojektowane i wybudowane kilka lat temu nie mogą być modernizowane, a określone zapotrzebowanie na moc nie pozwala na uzyskanie odpowiedniego efektu ekonomicznego do ich przeprowadzenia.

Przewymiarowanie tych kotłowni jest bardzo duże, gdyż ich rzeczywiste potrzeby wynoszą 172 kW, a moc zainstalowana w kotłowniach ma wartość 548 kW. Najlepiej byłoby przyłączyć wszystkie kotłownie do kotłowni K7. Trudno jednak myśleć o zbudowaniu sieci ciepłowniczej w nowym osiedlu.

Istotniejszym powodem rezygnacji z włączenia kotłowni K6–K10 jest niewłaściwy dobór kotłów. W instalacji z węzłami mieszkaniowymi parametry wody zasilającej w kotłowni wahają się w zakresie od t_p = 55°C (powrót) do t_z = 65–75°C (zasilanie). Ten zakres temperatur powoduje, że nawet przez moment w ciągu całego roku nie ma warunków do wystąpienia kondensacji pary wodnej ze spalin (t^kond_max < 55°C).

Instalowanie kotłów kondensacyjnych w instalacji z węzłami mieszkaniowymi jest zatem nieuzasadnioną rozrzutnością.

W analizach pominięto zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u. w szkole (K_sz) – wynika to z niewielkiej średniej mocy (15 kW). Ten fragment instalacji powinien zostać rozwiązany oddzielnie, po wyznaczeniu rzeczywistych potrzeb i współczynnika nierównomierności poboru c.w.u., który może wynosić nawet ponad 7. Wydaje się, że najlepszym rozwiązaniem jest tu zastosowanie węzła ciepłej wody z pełną akumulacją.

Wirtualna kotłownia osiedlowa

Lokalizacja kotłów w nowej kotłowni osiedlowej wymaga dodatkowego wyjaśnienia. Aby skorzystać z efektu jednego miejsca zakupu gazu [1], nie jest konieczne zainstalowanie wszystkich kotłów w jednym pomieszczeniu. Takie samo rozliczenie dostawy gazu uzyskać można przy jednym przyłączu z gazomierzem oraz przy rozprowadzeniu lokalnej sieci gazowej między różnymi budynkami z pozostałymi kotłami.

Istotnym aspektem rozwiązania, które można wykorzystać w rozpatrywanym osiedlu, jest fakt, że kotłownia gazowo-olejowa znajduje się w K4. W tym miejscu zainstalować można nowy kocioł olejowy, wykorzystując istniejącą infrastrukturę (zbiorniki olejowe i instalację paliwową). Nie determinuje to natomiast lokalizacji kotłów gazowych.

Dokładna lokalizacja kotłowni (olejowej i gazowych) będzie możliwa po przeanalizowaniu sieci ciepłowniczej i wyborze najlepszej pod względem ekonomicznym trasy i średnic przewodów, a także ich liczby (sieć cztero- lub dwururowa).

Możliwości zastosowania kotłów kondensacyjnych

Ze względu na swoją dostępność oraz zalety energetyczne kotły kondensacyjne powinny być stosowane również w kotłowniach osiedlowych. Konieczna jest jednak analiza pracy takiej kotłowni oraz zaproponowanie odpowiednich schematów technologicznych.

Podstawowym założeniem przy tworzeniu schematu technologicznego było jak największe wykorzystanie zalety kotłów kondensacyjnych, którą jest maksymalna możliwa sprawność wytwarzania ciepła. Polega to na utrzymywaniu przez cały czas pracy kotłów najlepszych parametrów pracy, tj. temperatur przed i za kotłami, czyli t_pk^K = 35°C = const i t_zkK = 55°C = const.

Wymaga to znajomości temperatur w sieci ciepłowniczej na zasilaniu i powrocie. Jak podano w artykule [3], temperatura na zasilaniu z kotłowni osiedlowej jest stała przez cały rok i wynosi 70°C. Temperatura powrotu do ciepłowni jest zmienna i zależy od obciążenia instalacji centralnego ogrzewania oraz chwilowych potrzeb ciepłej wody użytkowej. 

Do wyznaczenia temperatury powrotu w sezonie ogrzewczym i latem posłużono się wynikami analiz przedstawionych w [3].

Udział kotłów kondensacyjnych latem

Obliczono temperaturę wody ogrzewającej za wymiennikami ciepła przy temperaturze na zasilaniu t_zk = 70°C = const w zależności od potrzebnej mocy do podgrzewania ciepłej wody użytkowej [4]. Wyniki tych obliczeń pokazano na rys. 1. 

Na podstawie wyliczonych temperatur za wymiennikami c.w.u. wyznaczono temperatury na powrocie w kotłowni w ciągu letniego tygodnia. Odpowiedni wykres przedstawiono na rys. 2. Natomiast na rys. 3 pokazano udział mocy cieplnej z kotłów kondensacyjnych w ciągu jednego tygodnia latem. W lecie udział kotłów kondensacyjnych w wytwarzaniu ciepła do podgrzewania ciepłej wody użytkowej wynosi ok. 70,4%.

Praca kotłów kondensacyjnych w sezonie ogrzewczym

W celu sprawdzenia, czy warto analizować pracę kotłów w sezonie ogrzewczym, przeprowadzono obliczenia wykresu regulacyjnego z najistotniejszymi parametrami. Na rys. 4 pokazano przebieg temperatur na wykresie regulacyjnym w zależności od temperatury zewnętrznej.

Jak widać z tego rysunku, w ciągu sezonu ogrzewczego przy pewnym zakresie temperatur zewnętrznych (> –1°C) temperatura wody powrotnej jest niższa od wymaganej w kotle kondensacyjnym(poniżej 35°C). Konieczne jest zastosowanie rozwiązania technologicznego, które pozwoli zapobiec takim sytuacjom. 

Przy temperaturach zewnętrznych niższych od –1°C temperatura powrotu do kotłowni jest zbyt wysoka (powyżej 35°C). W takim wypadku konieczne jest zwiększenie przepływu wody przez kocioł, aby uzyskać największy udział kotłów kondensacyjnych w produkcji ciepła.

Produkcja ciepła z kotłów kondensacyjnych w ciągu roku

Znając parametry pracy kotłów kondensacyjnych latem i w sezonie ogrzewczym, można wyznaczyć udział nowoczesnych wysokosprawnych kotłów w produkcji ciepła w ciągu całego roku. Obliczenia przeprowadzono dla rzeczywistych temperatur zewnętrznych w 2006 r. w miejscowości, w której zlokalizowane jest analizowane przykładowe osiedle.

W ciągu roku kotły kondensacyjne mogą wyprodukować ok. 63,1% ciepła. Ma to istotny wpływ na zużycie gazu ziemnego, a co za tym idzie, na koszty eksploatacyjne. Szczegółowy udział poszczególnych rodzajów kotłów oraz koszty gazu ziemnego podano w tabeli 1. Natomiast w tabeli 2 przytoczono stawki taryfowe w grupach W-6A i W-6B [5].

Jak widać z tabeli 1, zastosowanie kotłów kondensacyjnych pozwala na obniżenie kosztów gazu ziemnego o ok. 13%. W obliczu prawdopodobnego wzrostu cen gazu ziemnego inwestycja wydaje się opłacalna.

Dobór kotłów

W przypadku kotłów kondensacyjnych zaleca się zastosowanie układu kaskadowego, składającego się z czterech lub więcej urządzeń. Łączna moc tych kotłów w sezonie ogrzewczym powinna wynosić ok. 800 kW. Sterowanie kaskadą pozwoli na pełne wykorzystanie maksymalnej sprawności kotłów kondensacyjnych.

Moc cieplna zwykłych kotłów gazowych powinna wynosić (w sezonie ogrzewczym):

Na rys. 6 przedstawiono uporządkowany wykres obciążeń latem, na podstawie którego można określić moc kotłów gazowych (tradycyjnych).

Jak wspomniano wcześniej, kaskada kotłów kondensacyjnych zapewni właściwą produkcję ciepła (z najwyższą sprawnością). W przypadku kotłów gazowych maksymalna moc potrzebna latem to ok. 90 kW. Uwzględniając potrzeby cieplne w sezonie ogrzewczym i latem, proponuje się zastosowanie czterech kotłów gazowych o mocy 37,5 kW.

Moc kotłów olejowych wynosi 700 kW. Ze względu na charakter pracy tych urządzeń (krótkie okresy i niewielka moc chwilowa) należy zastosować cztery kotły. Wynika z tego, że moc cieplna jednego kotła olejowego powinna wynosić 175,0 kW.

Osobnym zagadnieniem jest określenie wielkości, rodzaju i sposobu pracy ewentualnego zasobnika ciepła. Ten problem wykracza poza przyjęty zakres cyklu publikacji o możliwościach obniżenia kosztów eksploatacyjnych kotłowni gazowych.

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonych analiz można wysnuć następujące wnioski:

1. Dobór kotłów w kotłowni powinien opierać się na najbliższych rzeczywistości parametrach potrzeb cieplnych do centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej w ciągu całego roku.
2. W celu obniżenia zużycia gazu ziemnego opłacalne jest zastosowanie kotłów kondensacyjnych. Podstawowym parametrem do ustalenia efektów zastosowania kotłów kondensacyjnych jest temperatura wody powracającej do kotłowni osiedlowej. W analizowanym przykładzie instalacja kotłów kondensacyjnych pozwala na obniżenie kosztów zużycia gazu ziemnego o ok. 13%. Należy również podkreślić zalety zastosowania układu kaskadowych kotłów kondensacyjnych wynikające z możliwości sterowania tymi urządzeniami oraz łatwego osiągania maksymalnej sprawności produkcji ciepła w dużym zakresie mocy cieplnej.
3. Możliwe jest zastosowanie wirtualnej kotłowni osiedlowej – kotły nie muszą być zlokalizowane w jednym pomieszczeniu. Wówczas zamówiona ilość gazu ziemnego jest najmniejsza [1]. Ponadto wykorzystuje się istniejącą infrastrukturę (np. istniejące instalacje olejowe). Wymaga to jednak odpowiedniego systemu i algorytmu sterowania.
4. Należy podkreślić, że każdy obiekt musi być analizowany indywidualnie. Konieczne jest kontynuowanie analiz w celu określenia sposobu eksploatacji utworzonego systemu ciepłowniczego oraz kosztów inwestycyjnych. Wyniki analizy ekonomicznej ostatecznie przesądzą o ewentualnym wyborze sposobu modernizacji kotłowni lokalnych i wbudowanych oraz struktury sieci ciepłowniczej.

Literatura

1. Śnieżyk R., Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem. Cz. 1. Koszty paliwa, „Rynek Instalacyjny” nr 6/2012.
2. Śnieżyk R., Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem. Cz. 2. Analiza pracy instalacji c.o. i c.w.u., „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2012.
3. Śnieżyk R., Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem. Cz. 3. Parametry pracy kotłowni osiedlowej, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2012.
4. Program CAIRO ver. 2.0 PL, Seces-Pol, Gdańsk 1996.
5. Taryfa paliw gazowych nr 5/2012, PGNiG, Warszawa, 16 marca 2012 r.

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

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!