Technika kondensacyjna. Korzyści płynące z zastosowania kotłów kondensacyjnych (cz. 2)

Na przestrzeni lat wiele się zmieniło. Obecnie kocioł bardzo często zabudowywany jest w łazienkach lub kuchniach, przez co jego gabaryty i wygląd zewnętrzny muszą umożliwiać łatwe wkomponowanie w estetykę pomieszczenia. Żeby ograniczyć gabaryty kotła, musiano połączyć wymiennik wstępny (niekondensujący) z wymiennikiem kondensacyjnym. Teraz jest to już jeden element, w którym nadal występuje podział na część wstępną (niekondensującą, suchą) i część, w której zachodzi kondensacja pary wodnej zawartej w spalinach. Ten podział jest dziś uzyskiwany poprzez odpowiednie ukierunkowanie przepływu spalin oraz wody grzewczej.

Dzięki zastosowaniu przegród kierujących spaliny najpierw oddają część ciepła jawnego w wymienniku wstępnym, a następnie trafiają do wymiennika kondensacyjnego, gdzie zostają ostatecznie schłodzone. Natomiast woda z powrotu instalacji płynie w przeciwprądzie, czyli ogrzewa się wstępnie w kondensacyjnej części wymiennika i potem trafia do wymiennika suchego, w którym zostaje podgrzana do zadanej temperatury. Takie rozwiązanie pozwala na maksymalne odebranie ciepła od spalin i wykorzystanie energii zawartej w paliwie.

Wraz ze zmianą budowy wymiennika ciepła zmieniło się również położenie wentylatora. W starej konstrukcji był on często umieszczony w strumieniu spalin, na wyjściu z kotła, a zadaniem jego było wspomaganie ciągu kominowego. Obecnie wentylator jest zwykle umieszczony na wejściu powietrza do kotła i jego zadaniem jest dostarczenie do spalania tylko takiej ilości powietrza, jaka jest w danej chwili potrzebna. W związku z tym prędkość obrotowa jest proporcjonalna do aktualnej mocy, z jaką pracuje kocioł. Współczynnik nadmiaru powietrza w całym zakresie mocy kotła jest utrzymywany na poziomie ok. 1,25–1,30, niskim w porównaniu do ok. 2 w przypadku kotła atmosferycznego.

Te zmiany sprawiły, że współczesne kotły kondensacyjne mają naprawdę niewielkie rozmiary i można je zabudować nawet w ciągu szafek kuchennych. Wysokość kotła kondensacyjnego małej mocy ledwie przekracza 70 cm, a szerokość i głębokość – odpowiednio 40 i 30 cm.

Oprócz zmniejszania gabarytów kotłów wprowadzano zmiany optymalizujące pracę urządzeń. Chodziło o to, by z jednej strony jeszcze bardziej zwiększyć sprawność kotła, a z drugiej – w każdej chwili dostarczyć odpowiedni poziom komfortu. Dawniej po uruchomieniu przez regulator pokojowy kocioł od razu pracował z wysoką mocą i dążył do szybkiego osiągnięcia zadanej temperatury. Taki sposób pracy ograniczał maksymalną sprawność kotła, dlatego starano się to zmienić. Poniżej podano przykłady rozwiązań zwiększających poziom sprawności kotłów kondensacyjnych.

Optymalizacja pracy kotła na potrzeby ciepłej wody

Temperatura pracy kotła podczas zasilania zasobnika

W przypadku kotła atmosferycznego podczas ogrzewania ciepłej wody najważniejsza jest intensywna wymiana ciepła między wodą grzewczą podgrzewaną przez kocioł a wodą użytkową zgromadzoną w pojemnościowym podgrzewaczu wody. To, czy urządzenie będzie pracowało z temperaturą 70, 75 czy 80°C, nie ma dużego wpływu na jego sprawność, dlatego temperatura ta z reguły wprowadzana jest na stałe w algorytmie pracy kotła na poziomie 75–87°C.

Inaczej jest z kotłami kondensacyjnymi. W tym wypadku bardzo ważne jest, by temperatura pracy kotła była jak najniższa, bo fakt ten decyduje o jego sprawności. Z drugiej strony przy zbyt niskiej temperaturze wody grzewczej wydłuży się znacznie czas ładowania zasobnika. W celu uzyskania wysokiej sprawności kotła, a z drugiej strony skrócenia czasu podgrzewania zasobnika w nowoczesnych kotłach kondensacyjnych zadana temperatura wody grzewczej podczas przygotowania c.w.u. zależy od zadanej temperatury c.w.u. Z reguły jest ona o 10 do 20°C wyższa od temperatury ciepłej wody. Dzięki temu szczególnie w początkowym okresie ładowania zasobnika spaliny są bardzo mocno schładzane, co prowadzi do uzyskania zjawiska kondensacji.

Na rysunku 1 przedstawiono przebieg temperatur zasilania i powrotu kotła podczas ładowania zasobnika. Lewa część wykresu dotyczy przypadku, w którym temperatura zasilania kotła jest dostosowywana do zadanej temperatury ciepłej wody. Widać, że szczególnie w początkowym okresie ładowania zasobnika do kotła wraca woda o niskiej temperaturze, co umożliwia kondensację. Po prawej stronie widać przebieg pracy standardowego kotła pracującego z wyższą temperaturą wody grzewczej.

Wprowadzenie warstwowego ładowania zasobników

Kolejnym rozwiązaniem, które pozwoliło na podniesienie sprawności kotłów kondensacyjnych podczas pracy na potrzeby c.w.u., było wprowadzenie warstwowego ładowania zasobników (rys. 2). Zrezygnowano w tym wypadku z wężownicy w zasobniku, zastępując ją zewnętrznym wymiennikiem ciepła. Podczas podgrzewania wody jest ona pobierana pompą z dolnej części zasobnika i po przetłoczeniu przez wymiennik ciepła trafia do jego górnej części. Przy czym moc kotła i przepływ wody przez wymiennik są cały czas dostosowywane do potrzeb, tak by na gorę zasobnika trafiała woda o temperaturze zgodnej z zadaną wartością.

Takie rozwiązanie pozwala osiągnąć bardzo wysoki komfort poboru ciepłej wody, ponieważ już w kilka minut od rozpoczęcia procesu ładowania zasobnika w jego górnej części mamy do dyspozycji 20–40 litrów ciepłej wody. W przypadku zasobnika wyposażonego w wężownicę nie byłoby to możliwe z uwagi na powolne rozgrzewanie się wody w całej objętości.

Oprócz podwyższonego komfortu warstwowe ładowanie zasobnika powoduje wzrost sprawności kotła na potrzeby ciepłej wody z uwagi na to, że podczas jej ogrzewania do wymiennika ciepła cały czas trafia najchłodniejsza woda z dolnej części zasobnika. Pozwala to na uzyskanie niskiej temperatury powrotu kotła i niskiej temperatury spalin, a przez to wysokiej sprawności.

W przypadku zasobnika z wężownicą początkowo występuje znaczna różnica temperatur pomiędzy wodą grzewczą a wodą w zasobniku c.w.u. Zachodzi bardzo intensywna wymiana ciepła. Jednak w miarę upływu czasu i wzrostu temperatury wody w zasobniku proces ten jest coraz mniej wydajny, aż w końcowej fazie dochodzi do tego, że moc, jaką woda odbiera od kotła, jest niższa od minimalnej mocy urządzenia. Z tego powodu kocioł zaczyna taktować i wydłuża się proces ładowania zasobnika.

Podsumowując, można stwierdzić, że dzięki zastosowaniu warstwowego ładowania zasobnika wzrasta poziom komfortu użytkownika i sprawność urządzenia.

Optymalizacja pracy kotła na potrzeby instalacji c.o.

Dawniej po uruchomieniu przez regulator pokojowy kocioł od razu startował i pracując z wysoką mocą, dążył do jak najszybszego osiągnięcia zadanej temperatury. W przypadku starej konstrukcji kotłów niekondensacyjnych było to jak najbardziej prawidłowe, z uwagi na to, że pracowały one z maksymalną sprawnością właśnie przy mocy maksymalnej.

Zupełnie inaczej ma się sprawa z kotłami kondensacyjnymi, które mają z reguły wyższą sprawność przy pracy z mocą minimalną. Wtedy bowiem powierzchnia wymiennika ciepła staje się bardzo duża w porównaniu do niewielkiej ilości spalin. Następuje dzięki temu intensywna wymiana ciepła i wzrost sprawności kotła.

Zatem bardzo ważne jest w tym przypadku takie sterowanie pracą kotła, by osiągnąć dłuższe cykle pracy urządzenia z niższą mocą i jak najniższą temperaturą. Dawniej, przy wykorzystaniu w zasadzie wyłącznie regulatorów pokojowych typu włącz/wyłącz nie było to możliwe. Dziś można tego dokonać na kilka sposobów.

Zastosowanie sterownika pogodowego

Jest to najbardziej zalecane rozwiązanie współpracujące z kotłem kondensacyjnym. Dzięki zastosowaniu czujnika temperatury zewnętrznej można płynnie dopasowywać zadaną temperaturę pracy kotła do aktualnych strat ciepła budynku. W efekcie kocioł pracuje z najniższą temperaturą, która zapewnia komfort cieplny w budynku. Takie rozwiązanie pozwala na maksymalne schłodzenie spalin i efektywne odebranie od nich energii.

Dodatkowo współczesne kotły po otrzymaniu od sterownika informacji o aktualnej zadanej temperaturze nie pracują od razu z maksymalną mocą. Z reguły startują one z mocą minimalną, a następnie w zależności od potrzeb zwiększają swoją moc lub nie. Wszystko zależy od uchybu regulacji i szybkości przyrostu temperatury. Jeśli aktualna temperatura kotła zbliża się do wartości zadanej, wówczas nadal pracuje on z minimalną mocą. Jeśli zaś po pewnym czasie kocioł nie osiąga temperatury, następuje wzrost mocy urządzenia.

Działanie tego rozwiązania (rys. 3) polega na tym, że palnik uruchamia się z podwyższoną mocą (około 50%) w celu zapewnienia prawidłowego zapłonu i identyfikacji płomienia, a następnie pracuje z mocą minimalną przez co najmniej minutę. Jeśli po tym okresie występuje wysokie zapotrzebowanie na ciepło (temperatura nie rośnie lub jest cały czas o wiele niższa od wartości zadanej), moc kotła wzrasta. W przeciwnym wypadku kocioł pracuje z mocą minimalną nawet przez 5 minut.

Zastosowanie nowoczesnego sterownika pokojowego z cyfrową komunikacją

Nie zawsze sterownik pogodowy jest idealnym rozwiązaniem, szczególnie w mieszkaniach lub domach o małej powierzchni. Poza tym wielu użytkowników uważa, że sterownik pogodowy jest zbyt skomplikowany. Oczywiście najlepszym rozwiązaniem byłoby przekonanie inwestora, że zastosowanie odpowiedniego sterownika pogodowego zapewnia energooszczędną eksploatację.

Jeśli jednak takie rozwiązanie nie wchodzi w grę, można skorzystać ze sterownika pokojowego z komunikacją cyfrową i kompensacją wahań temperatury. Urządzenie to dokonuje pomiaru temperatury pokojowej w sposób ciągły i w zależności od uchybu regulacji zmienia zadaną temperaturę pracy kotła. Gdy temperatura pokojowa zaczyna spadać, zadana temperatura pracy kotła rośnie i następuje jego uruchomienie.

Następnie w miarę zbliżania się temperatury pokojowej do ustawionej wartości sterownik obniża zadaną temperaturę pracy kotła, a po pewnym czasie dochodzi do jego ponownego wyłączenia. Zatem sterownik pokojowy w sposób ciągły dokonuje pomiaru spadku temperatury pokojowej i stara się uzupełnić brakującą ilość ciepła w pomieszczeniu poprzez dostarczenie małej porcji energii.

Efekt pracy tego typu urządzenia jest dla wielu użytkowników zaskakujący. Stwierdzają oni często, że temperatura pokojowa wciąż utrzymuje się na prawidłowym poziomie, a mimo to kocioł startuje. Nie ma w tym nic nieprawidłowego. Po prostu steruje on kotłem w ten sposób, by sukcesywnie uzupełniał ilość ciepła traconą przez budynek do otoczenia. Dzięki temu nie są odczuwalne spadki temperatury.

Poza tym z uwagi na dostarczanie energii w postaci małych porcji praca kotła jest bardzo podobna do pracy w instalacji wyposażonej w sterownik pogodowy. Co prawda ze względu na okresową pracę kotła i dostarczanie energii w postaci porcji po uruchomieniu zawsze pracuje on z nieco wyższą temperaturą, jednak w miarę zbliżania się do zadanej temperatury obniża się temperatura pracy kotła. W efekcie instalacje wyposażone w tego typu sterownik często cechują się bardzo podobną sprawnością do tych, jakie osiągane są w instalacjach ze sterownikiem pogodowym.

Rysunek 4 obrazuje sposób pracy cyfrowego sterownika pokojowego. Posiada on wpisaną charakterystykę, według której na podstawie pomiaru temperatury pokojowej (a raczej jej odchyłki od zadanej wartości) następuje ustalenie żądanej temperatury pracy kotła. Podczas większej części sezonu grzewczego kocioł pracuje z temperaturą w zakresie 35–50°C, a więc umożliwiającą jeszcze kondensację pary wodnej ze spalin.

Z uwagi na to, że budynki mają rożną bezwładność cieplną, istnieje możliwość zmiany charakterystyki pracy instalacji wprowadzonej do sterownika. Dzięki temu kocioł szybciej lub wolniej dostarcza kolejne porcje energii do pomieszczeń.

Współpraca regulatora pokojowego typu włącz/wyłącz z kotłem wyposażonym w regulację adaptacyjną

Czasem użytkownik podczas remontu budynku wymienia kocioł, ale z przyzwyczajenia pozostawia prosty regulator pokojowy. Takie rozwiązanie wydaje się niekonsekwentne, ponieważ z jednej strony stosowany jest nowoczesny kocioł, a z drugiej uniemożliwia mu się płynną pracę i dostosowanie temperatury pracy do aktualnych potrzeb instalacji. W efekcie kocioł załącza się okresowo i pracuje z wysoką mocą i temperaturą, by szybko osiągnąć temperaturę zadaną. Sprawność kotła niestety maleje.

Można jednak temu zaradzić, stosując kocioł z regulacją adaptacyjną. Po załączeniu stosownej funkcji podczas pracy kotła następuje ciągły pomiar długości czasu jego pracy w poszczególnych cyklach. Następnie system elektroniczny kotła steruje jego pracą tak, by uzyskać jak najdłuższe okresy pracy z jak najniższą temperaturą. Jest to realizowane następująco: jeśli pomiar wykazał, że w ostatnich cyklach kocioł pracował bardzo krotko (temperatura w pomieszczeniu gwałtownie rosła), to znaczy, że aktualne straty ciepła w budynku są bardzo niskie. Stąd po następnym załączeniu kotła przez długi czas pracuje on z mocą minimalną i wolniej osiąga zadaną wartość.

W ten sposób wydłuża się średni czas pracy kotła w poszczególnych cyklach i spada temperatura pracy, a to przekłada się na wyższą sprawność urządzenia.

Na rysunku 5 pokazano pracę funkcji adaptacyjnej. W dolnej części wykresu widzimy sygnał żądania pracy przekazany przez regulator pokojowy. W części górnej znajduje się przebieg zmian prędkości wentylatora (i jednocześnie mocy kotła). Po pierwszym uruchomieniu kocioł pracuje przez 10 minut z mocą minimalną. Jeśli w dalszym ciągu występuje żądanie pracy z regulatora pokojowego, kocioł zwiększa moc.

W następnych cyklach moc kotła jest dostosowywana do długości przerwy w żądaniu pracy. Jeśli przerwa była krotka (duże zapotrzebowanie na ciepło, np. pomiędzy 25 a 30 minutą), to moc jest wyższa. A jeśli przerwa była długa (małe zapotrzebowanie na ciepło, np. pomiędzy 50 a 60 minutą), moc jest redukowana. Dzięki temu kocioł pracuje z niższą mocą, niższą temperaturą, a tym samym wyższą sprawnością.

Wyższy poziom bezpieczeństwa

Liczne są przypadki śmierci użytkowników urządzeń gazowych z powodu wydostawania się do pomieszczenia tlenku węgla. W ogromnej większości jest to spowodowane nieznajomością tego zagadnienia i odpowiednich przepisów, co skutkuje na przykład zatykaniem wszystkich kratek wentylacyjnych w pomieszczeniu na czas sezonu zimowego. W efekcie urządzenia pracują z niedoborem tlenu do spalania, wyzwalając emisję CO. Dodatkowo brak dopływu powietrza sprawia, że spaliny nie uchodzą do komina, a wypływają do pomieszczenia.

Inaczej jest w przypadku kotłów kondensacyjnych, które należą do grupy urządzeń z zamkniętą komorą spalania. Jak sama nazwa wskazuje, ich komora spalania nie ma kontaktu z powietrzem w pomieszczeniu, dzięki czemu nie ma fizycznej możliwości emisji CO i zatrucia użytkowników. Kotły kondensacyjne jednym przewodem pobierają powietrze z zewnątrz, a drugim odprowadzają spaliny ponad dach lub za ścianę. Obie rury (powietrzna i spalinowa) mogą być prowadzone oddzielnie lub współśrodkowo. Na rysunku 6 przedstawiono przykładowe rozwiązanie poprowadzenia przewodów powietrzno-spalinowych dla kotłów kondensacyjnych.

Z tych powodów w razie braku odpowiedniej wentylacji pomieszczenia kotłowni zalecane jest stosowanie wyłącznie kotłów kondensacyjnych lub z zamkniętą komorą spalania.

Za zastosowaniem kotła kondensacyjnego przemawia jeszcze jeden argument, mianowicie komfort cieplny w pomieszczeniu przeznaczonym na montaż urządzenia. W wypadku zastosowania kotła atmosferycznego wymaga ono intensywnej wentylacji, co sprawia, że zimą czujemy nieprzyjemny przepływ zimnego powietrza. Stosując kocioł kondensacyjny, nie trzeba zapewniać aż tak intensywnej wentylacji, a poziom komfortu cieplnego w pomieszczeniu wzrasta.