Technika kondensacyjna. Korzyści płynące z zastosowania kotłów kondensacyjnych (cz. 1.)

Opis procesu spalania

Obecnie na rynku dostępne są zarówno kotły kondensacyjne gazowe, jak i olejowe. Jednak ze względu na znaczne różnice w kosztach eksploatacji dominują kotły gazowe. W większości są one zasilane gazem ziemnym lub płynnym (propanem). Gaz ziemny E (dawniej GZ 50) zawiera ponad 97,36% metanu CH4 (zgodnie z informacją Mazowieckiej Spółki Gazowniczej). Pozostałe składniki oraz parametry gazu ujęto w tabeli 1.

Reakcja spalania głównego składnika gazu ma postać:

CH₄ + 2O₂ →CO₂ + 2H₂O Właściwości gazu płynnego (propanu) stosowanego do zasilania kotłów kondensacyjnych podano w tabeli 2.

Reakcja spalania propanu jest następująca:

C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

W wyniku spalania gazu wydzielają się dwutlenek węgla oraz para wodna i energia. W tradycyjnym kotle niekondensacyjnym wykorzystywana jest wyłącznie ta energia, nazywana też energią jawną (ciepłem jawnym). Zostaje ona częściowo przekazana wodzie w instalacji grzewczej, ale inną jej część marnujemy poprzez straty do otoczenia, straty kominowe i niezupełne spalanie. Niewykorzystane jest natomiast tak zwane ciepło utajone zawarte w parze wodnej uchodzącej w strumieniu spalin do otoczenia.Kotły kondensacyjne są bardziej efektywne. Cechują je o wiele niższe straty energii z uwagi na zastosowanie bardziej rozbudowanego wymiennika ciepła, czego wynikiem jest niższa temperatura spalin. Dodatkowo dzięki wymuszeniu przepływu spalin i powietrza przez wentylator oraz zastosowaniu wentylatora o zmiennej prędkości w kotle kondensacyjnym uzyskujemy niższy współczynnik nadmiaru powietrza λ, który osiąga wartość na poziomie 1,2–1,25 w porównaniu do 1,8–2,0 przy kotle atmosferycznym. Dzięki temu strata kominowa ulega znacznemu zmniejszeniu.

Podczas pracy kotła kondensacyjnego oprócz mniejszych strat uzyskujemy również, jak sama nazwa sugeruje, efekt kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach. W zależności od aktualnych parametrów część lub całość pary uchodzącej w tradycyjnym kotle do komina może w tym przypadku zostać wykorzystana. Schładzając ją, uzyskujemy dodatkową energię, nazywaną energią utajoną lub ciepłem utajonym.

Wspomnieć należy o dziwnej z punktu widzenia praw fizyki formie podawania sprawności kotła kondensacyjnego. Wynika ona z przyjętego w przeszłości założenia, że kocioł, wykonany wówczas przeważnie z miedzi lub żeliwa, nie może wykorzystać ciepła utajonego pary wodnej.

Brak odporności materiału wymiennika na kwaśny kondensat powstający z pary wodnej i pozostałych produktów spalania sprawiał, że doprowadzenie do kondensacji było efektem wręcz niepożądanym. Nic więc dziwnego, że dla uproszczenia obliczeń uznano, że ciepło jawne (bez ciepła pary wodnej) stanowi 100% energii zawartej w paliwie i do tej wartości odnoszono ilość energii odebranej przez wymiennik kotła,by określić jego sprawność.

Przez dziesięciolecia podejście takie wydawało się prawidłowe. Dopiero gdy na większą skalę zaczęto stosować kotły kondensacyjne, pojawił się problem. Kocioł ten bowiem nie dość że odbiera od spalin prawie całe ciepło jawne, to jeszcze dodatkowo wykorzystuje część ciepła utajonego pary wodnej. Okazuje się więc, że korzystając z dotychczasowego wzoru do określania sprawności, do 100% musimy dodać jeszcze dodatkowe kilka procent wynikające z kondensacji. Łącznie otrzymujemy więc „nienaturalną” wartość powyżej 100%, co często budzi zdziwienie osób zapoznających się z parametrami danego urządzenia.

W wielu krajach stosuje się inną definicję sprawności, według której za energię zawartą w paliwie uznaje się sumę ciepła jawnego i ciepła utajonego zawartego w spalinach. Zatem odniesiona do tej wartości sprawność kotła nie może przekroczyć 100%. Przyjęta w naszym kraju (i wielu innych) definicja jest z punktu widzenia fizyki sztuczna, ale skutecznie ułatwia porównanie kotła kondensacyjnego z pozostałymi konstrukcjami.

Stosunek ciepła spalania do wartości opałowej

Z punktu widzenia właściwości chemicznych szczególnie polecanym paliwem jest gaz ziemny, którego głównym składnikiem jest metan o korzystnym stosunku wodoru do węgla w cząsteczce paliwa. W przypadku propanu C3H8, a tym bardziej oleju opałowego, sytuacja jest mniej korzystna z uwagi na mniejszą liczbę atomów wodoru w stosunku do atomów węgla w cząsteczce gazu. Dlatego nie ma uniwersalnej granicy sprawności kotła kondensacyjnego – na przykład 111 czy 108%. Zależy ona zawsze od rodzaju paliwa. Granicę sprawności dla danego gazu czy oleju opisuje stosunek ciepła spalania (całkowitej ilości energii paliwa z uwzględnieniem energii pary wodnej występującej w spalinach do wartości opałowej (ilości energii paliwa bez uwzględnienia ciepła utajonego pary wodnej).

W tabeli 3 porównano stosunek ciepła spalania (całej fizycznej ilości energii zawartej w paliwie) do wartości opałowej (ciepła jawnego). Jest to jednocześnie granica sprawności kotła kondensacyjnego.

Punkt rosy w zależności od rodzaju paliwaO sprawności kotła w danej chwili decyduje stopień wykorzystania zarówno ciepła jawnego, jak i utajonego, przy czym ta ostatnia wartość jest ściśle uzależniona od temperatury spalin. Im wyższa temperatura spalin, tym mniej intensywny jest proces kondensacji.

Powyżej punktu rosy kondensacja ustaje, ale kocioł kondensacyjny ma nadal wyższą sprawność od kotła tradycyjnego z uwagi na bardziej rozbudowaną powierzchnię wymiennika ciepła i niższy współczynnik nadmiaru powietrza. Temperatura punktu rosy zależy od rodzaju paliwa, zawartości CO₂ w spalinach oraz wilgotności powietrza i współczynnika nadmiaru powietrza.

Na rysunku 1 przedstawiono wykres zależności temperatury punktu rosy od współczynnika nadmiaru powietrza. Widać wyraźnie, że im niższy współczynnik nadmiaru powietrza, tym wyższa temperatura punktu rosy i tym bardziej intensywny i efektywny jest proces kondensacji. W kotłach kondensacyjnych, dzięki zastosowaniu wentylatorów o zmiennej prędkości obrotowej oraz sprzężeniu ilości dozowanego gazu z prędkością wentylatora, uzyskuje się niski współczynniki nadmiaru powietrza, na poziomie 1,2–1,25.

Porównanie sprawności kotłów

Badania eksploatacyjne kotłów wykazały, że przebieg charakterystyki sprawności kotłów kondensacyjnych jest szczególnie korzystny w porównaniu z innymi kotłami. Większość dotychczasowych konstrukcji cechowała niższa sprawność w okresie przejściowym, gdy obciążenie kotła było mniejsze. Jej przyczyną był przede wszystkim węższy zakres modulacji i wysokie straty postojowe kotła spowodowane studzeniem wymiennika przez powietrze przepływające przez kocioł nawet poza okresem pracy palnika.

Kotły kondensacyjne z powodu innego sposobu regulacji wydajności mają z reguły szerszy zakres modulacji, a podczas pracy z mocą minimalną osiągają wyższą sprawność dzięki intensywniejszej wymianie ciepła. Wykres na rysunku 2 obrazuje zmienność sprawności różnych rodzajów kotłów w zależności od aktualnego obciążenia.

Moc kotła dobieramy, uwzględniając najbardziej niekorzystne warunki. Jednak podczas 90% sezonu grzewczego kocioł nie będzie w pełni wykorzystany, dlatego najważniejsza okazuje się sprawność kotła podczas pracy z minimalnym obciążeniem. W tym zakresie urządzenia kondensacyjne osiągają sprawność dużo wyższą od innych kotłów.

Sytuacja w Europie

Wysoka sprawność, będąca najważniejszą cechą kotłów kondensacyjnych, przekłada się na wymierne korzyści w postaci niższego zużycia gazu oraz redukcji emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Z tego powodu w coraz większej liczbie krajów podjęto działania zmierzające do wyeliminowania z rynku starszych, nieefektywnych konstrukcji kotłów. Jest to szczególnie widoczne w takich krajach jak Wielka Brytania, Holandia czy Niemcy, w których udział sprzedaży kotłów kondensacyjnych w ogólnej liczbie sprzedanych urządzeń zbliża się do 100%.

W najbliższym czasie również we Francji i Hiszpanii planowane jest odejście od stosowania kotłów atmosferycznych. Istnieją również plany wprowadzenia takiego rozwiązania w całej Unii Europejskiej. Trendy te widoczne są również na naszym rynku. Na rysunku 3 przedstawiono udział kotłów kondensacyjnych w ogólnej sprzedaży kotłów w ubiegłych latach w krajach UE.

Opłacalność stosowania

Jeszcze kilka lat temu prawie każdy inwestor przed zakupem kotła kondensacyjnego pytał, czy to się opłaci. Dziś, gdy ceny tych urządzeń nie różnią się już znacznie od kotłów tradycyjnych, należałoby raczej zapytać, czy opłaci się niestosowanie kotła kondensacyjnego.Do przeprowadzenia prostej analizy można wykorzystać koszt ogrzewania domu o powierzchni około 120 m2 położonego w pobliżu Warszawy, a zamieszkałego przez 4 osoby. W tabeli 4 zestawiono koszty ogrzewania i przygotowania c.w.u. w ostatnich trzech sezonach grzewczych.

Średni roczny koszt eksploatacji instalacji z kotłem niekondensacyjnym wyniósł 3775 zł. Budynek wyposażono w instalację grzejnikową. Zakładając, że zastosowanie kotła kondensacyjnego z regulatorem pogodowym przyniesie oszczędności na poziomie 15%, można oszacować, że roczne koszty eksploatacyjne spadną o ponad 500 zł. Natomiast różnica w cenie pomiędzy kotłem kondensacyjnym a tradycyjnym wynosi obecnie ok. 2–2,5 tys. zł.

Zatem nawet przyjmując stałe cen gazu, widać, że dodatkowe nakłady poniesione na zakup kotła kondensacyjnego zwrócą się w ciągu 4–5 lat. Z reguły im wyższe jest zapotrzebowanie na ciepło, tym szybciej zwraca się koszt zakupu kotła kondensacyjnego.Można więc śmiało stwierdzić, że nawet w perspektywie kilku lat stosowanie kotła niekondensacyjnego jest już nieopłacalne, wiąże się bowiem z ponoszeniem wyższych kosztów eksploatacyjnych. Ta różnica w kosztach może być jeszcze wyższa, gdy ceny gazu w Polsce zaczną zbliżać się do cen na rynkach Europy Zachodniej. Wówczas każdy procent sprawności kotła może mieć duże znaczenie.

Dodatkowe korzyści płynące z zastosowania kotłów kondensacyjnych zostaną przedstawione w kolejnych artykułach.