Technika kondensacyjna. Praktyczne zastosowanie kotłów kondensacyjnych

W ciągu kilku najbliższych lat kotły kondensacyjne najprawdopodobniej zastąpią w Polsce urządzenia atmosferyczne, tak jak to się dzieje w innych krajach Europy. Wynika to z opłacalności ich stosowania i coraz większego zainteresowania Polaków korzystaniem z rozwiązań energooszczędnych. Jednak w dalszym ciągu na rynku można spotkać błędne opinie, że kotła kondensacyjnego nie można zastosować w każdej instalacji.

Do takich opinii należy zaliczyć przekonanie, że kocioł kondensacyjny może współpracować  jedynie z instalacją podłogową, bo tylko wówczas będzie mógł skraplać zawartą w spalinach parę wodną, odbierając od niej ciepło utajone. Opinia ta była jeszcze kilkanaście lat temu bardzo popularna, jednak dziś zarówno praktyczne doświadczenia, jak i rozważania teoretyczne wskazują, że jest ona błędna.

Po pierwsze, dlatego że temperatura punktu rosy, a więc graniczna temperatura spalin, przy której zachodzi zjawisko kondensacji, wynosi ok. 55–56°C, natomiast współczesne instalacje grzejnikowe są projektowane nie tak jak dawniej na parametry 90°/70° czy 80°/60°, ale raczej na temperatury 75°/60° czy 70°/55°C. Oznacza to, że przy zewnętrznej temperaturze obliczeniowej zadana temperatura instalacji będzie wynosiła 70–75°C, natomiast przy temperaturze –5 czy –10°C temperatura zasilania instalacji będzie o wiele niższa.

W sezonie grzewczym z reguły tylko przez kilka–kilkanaście dni występują bardzo niskie temperatury zewnętrzne – średnia temperatura wynosi z reguły, w zależności od regionu Polski, kilka stopni powyżej zera. Czyli przez 80–90% tego sezonu temperatura wody nawet w instalacji grzejnikowej będzie na tyle niska, by doszło do skroplenia pary wodnej ze spalin.

Oczywiście intensywność kondensacji przy współpracy kotła z instalacją grzejnikową nie jest tak wysoka jak w instalacji podłogowej, ale w ciągu prawie całego sezonu grzewczego zjawisko to występuje. Warunkiem uzyskania wysokiej sprawności kotła współpracującego z instalacją grzejnikową jest zastosowanie sterownika pogodowego, który będzie stale dostosowywał temperaturę pracy instalacji do aktualnych strat ciepła budynku. Dzięki temu kocioł będzie pracował z najniższą temperaturą, która zapewni komfort cieplny użytkownikom budynku.

Praktyka instalatorska

Jak widać na rys. 2, przedstawiającym wykres krzywych grzewczych przykładowego sterownika pogodowego, dla instalacji zaprojektowanej dla parametrów 75°/55° należy wybrać krzywą 1,2. Z wykresu wynika, że powyżej 0°C woda w instalacji będzie miała temperaturę niższą niż 55°C. W praktyce oznacza to, że również spaliny będą mieć temperaturę niższą od punktu rosy, dzięki czemu dojdzie do kondensacji, więc taki dobór wielkości grzejników i parametrów instalacji wydaje się uzasadniony.

Jednak w praktyce, szczególnie w budownictwie jednorodzinnym, inwestor często „poprawia” projektanta i zakłada, że kocioł kondensacyjny będzie pracował o wiele lepiej, jeśli zastosuje się grzejniki o powierzchni większej, niż zalecono w projekcie. Wynika to czasem z obawy, czy kocioł kondensacyjny w ogóle będzie w stanie dostarczyć odpowiednią ilość ciepła do pomieszczeń przy obliczeniowej temperaturze zasilania 75°C. W efekcie w budynku stosowane są grzejniki o większej powierzchni, które dla dostarczenia tej samej ilości energii wymagają niższej temperatury niż grzejniki o powierzchni dobranej przez projektanta.

Zamiast krzywej grzewczej 1,2 wystarczy ustawić 0,8–0,9, a zdarzają się przypadki, w których wystarczy nawet krzywa 0,3, podczas gdy dla instalacji podłogowej jest ona czasami zbyt niska. Przekonanie o potrzebie przewymiarowania instalacji grzejnikowej na potrzeby współpracy z kotłem kondensacyjnym ma swoje korzenie w latach 90., gdy kotły te pojawiły się na rynku na większą skalę. Do kontroli pracy instalacji wykorzystywano wówczas często sterowniki pokojowe zamiast pogodowych.

Było to spowodowane przede wszystkim wysokimi kosztami sterowników pogodowych, a także brakiem zaufania części instalatorów i inwestorów do tej technologii. W znacznej części instalacji stosowano więc sterowniki pokojowe, które nie regulowały temperatury pracy kotła. Algorytm sterowania sprowadzał się jedynie do okresowego włączania i wyłączania kotła w celu pokrycia strat cieplnych budynku.

Dodatkowo ówczesne kotły kondensacyjne miały często wąski zakres modulacji mocy. To wszystko powodowało w przypadku zastosowania grzejników o standardowych parametrach obliczeniowych szybki wzrost temperatury i spadek sprawności kotła.

Aby tego uniknąć, przewymiarowywano grzejniki, które dostarczały tę samą ilość ciepła przy niższej temperaturze. W ten sposób użytkownik otrzymywał instalację prostą w obsłudze i gwarantującą odpowiednią wydajność i sprawność kotła.

Dziś stosowanie sterowników  pogodowych do kotłów kondensacyjnych jest standardem, dlatego przewymiarowanie grzejników jest zbędne. Tym bardziej że koszt zastosowania grzejników o większej powierzchni jest dość znaczny, a oszczędności osiągane z tego tytułu – niewielkie, gdyż sprawność kotła rośnie jedynie o 2–4%. Mimo to praktyka przewymiarowywania będzie pewnie jeszcze przez jakiś czas stosowana.

Tak czy inaczej, warto pamiętać, że stosowanie kotła kondensacyjnego z instalacją grzejnikową we współczesnym budownictwie nie jest błędem. Nie skutkuje to drastycznym obniżeniem sprawności kotła pod warunkiem zastosowania odpowiedniego sterownika.

Kondensacja to niejedyny zysk

Wyższa sprawność kotłów kondensacyjnych niż atmosferycznych nie wynika jedynie z faktu skraplania przez te pierwsze urządzenia części pary wodnej zawartej w spalinach. Dzięki odpowiedniej konstrukcji palnika oraz zastosowaniu wentylatorów o zmiennej prędkości obrotowej w kotłach tych dla odpowiedniej jakości procesu spalania nie jest potrzebny wysoki współczynnik nadmiaru powietrza. W porównaniu do kotłów atmosferycznych spada on z ok. 2 do 1,2–1,25, czyli do kotła dostaje się podczas spalania prawie 40% mniej chłodnego powietrza.

Dzięki temu strata kominowa jest znacznie mniejsza niż w przypadku standardowego kotła. Ta wartość może spaść z ok. 8% do 1%; jest to widoczne na wykresach przepływu energii. Nawet w skrajnym przypadku, gdy kocioł kondensacyjny przez cały sezon grzewczy pracuje z wysoką temperaturą, powyżej punktu rosy, jego sprawność i tak jest wyższa niż standardowego kotła atmosferycznego.

Współpraca kotłów kondensacyjnych ze starymi instalacjami

Wymienione cechy kotłów kondensacyjnych sprawiają, że można je z powodzeniem zastosować w starej instalacji grzewczej. Nawet jeśli została ona zaprojektowana na wysokie parametry obliczeniowe, i tak jej sprawność w połączeniu z kotłem kondensacyjnym będzie wyższa niż po wymianie starego kotła na nowy atmosferyczny. Stanie się tak dzięki niższym stratom kominowym oraz kondensacji zachodzącej podczas pracy kotła przy wyższych temperaturach zewnętrznych (pod warunkiem wyposażenia go w sterownik pogodowy).

Dodatkowo zastosowanie kotła kondensacyjnego z zamkniętą komorą spalania podniesie poziom bezpieczeństwa użytkowników ze względu na brak ryzyka wypływu spalin do pomieszczenia. Z uwagi na pobór powietrza z zewnątrz, a nie z pomieszczenia kotłowni, możliwe jest także zmniejszenie intensywności nawiewu powietrza do kotłowni i lepsze wykorzystanie tego pomieszczenia.

Stara instalacja w domu po termomodernizacji

Zastosowanie kotła kondensacyjnego do współpracy ze starą instalacją jest szczególnie korzystne w budynku poddanym termomodernizacji. Jej efektem jest obniżenie strat cieplnych, co wymaga również obniżenia parametrów pracy instalacji. Może się wtedy okazać, że kocioł, współpracując ze starą instalacją, kondensuje przez prawie cały sezon grzewczy.

W instalacji znajdującej się w domu jednorodzinnym po termomodernizacji wymagana krzywa grzewcza  instalacji może spaść nawet z 1,0 do 0,5. Jest to charakterystyka, z jaką niekiedy pracują instalacje podłogowe. Temperatura zasilania wymagana dla ogrzania budynku nawet przy –20°C wynosi niecałe 50°C. Oznacza to, że nawet podczas mrozów kocioł będzie skraplał parę wodną.

Rozważając więc wymianę kotła zasilającego starą instalację, nie należy obawiać się, że kocioł kondensacyjny będzie pracował z niską sprawnością. ze starymi grzejnikami projektowanymi na wysokie parametry. Najmniej opłacalną inwestycją jest w takim przypadku wymiana grzejników. Optymalnie byłoby wykonać termomodernizację i wymienić kocioł.

Zanieczyszczenia w instalacji

W starej instalacji spotykane są duże ilości osadów, dlatego jeśli jest ona w dobrym stanie technicznym, należy ją najpierw przepłukać. Natomiast po wymianie kotła, przy napełnianiu instalacji, trzeba dodać do wody inhibitory korozji. Chroni to instalację przed uszkodzeniem, co jest o tyle wskazane, że często jest ona wykonana z takich materiałów, jakie udało się kupić przed laty, i mają one czasem skrajnie różny potencjał elektrochemiczny.

W starej instalacji należy zastosować model, który jest do niej przystosowany.

Ciekawym rozwiązaniem są kotły stojące, których głównymi elementami są: zbiornik wody grzewczej, umieszczona w części górnej komora spalania i wężownica ze stali kwasoodpornej. Dzięki takiej konstrukcji kocioł charakteryzuje się dużą powierzchnią wymiany ciepła, ale również znaczną przestrzenią przepływu dla wody, co chroni urządzenie przed zablokowaniem zanieczyszczeniami napływającymi z instalacji.

Instalacje większych mocy i kaskady kotłów

Kotły kondensacyjne można również powodzeniem stosować w instalacjach większych mocy, gdyż mają one o wiele szerszy zakres modulacji mocy niż urządzenia starszych konstrukcji. Dodatkowo nie wymagają podwyższania temperatury powrotu i nie są narażone na pęknięcie członu. Jest to bardzo ważne szczególnie w budynkach wielorodzinnych, gdyż w atmosferycznych kotłach żeliwnych może dojść do uszkodzenia wymiennika ciepła, co wiąże się z kosztowną i pracochłonną naprawą. W przypadku kotła kondensacyjnego takie zagrożenie nie występuje, przeciwnie, można powiedzieć, że warunki, których nie tolerował stary kocioł (niska temperatura powrotu), są najlepsze dla nowego urządzenia.

Kotły kondensacyjne są także często znacznie mniejsze i lżejsze dzięki materiałowi zastosowanemu w wymienniku ciepła, czyli stali kwasoodpornej lub stopowi aluminiowo-krzemowemu. Świetnie nadają się do stosowania w kotłowniach dachowych z uwagi na wbudowany wentylator, który ułatwia wyrzut spalin, gdy komin może mieć zaledwie 2–3 m długości.

Zamknięta komora spalania i niższa pojemność cieplna wymienników sprawiają, że urządzenia te mają o wiele mniejsze straty postojowe w instalacjach kaskadowych niż kotły żeliwne. Przez starsze urządzenia atmosferyczne, nawet gdy w danej chwili nie pracują, i tak w okresie zimowym powinna płynąć woda, bo inaczej może dojść do zamrożenia wymiennika ciepła spowodowanego zimnym powietrzem napływającym do kotła. W przypadku kotła kondensacyjnego po wyłączeniu palnika i wentylatora przez urządzenie może płynąć tylko niewielki strumień powietrza. Dzięki temu nie dochodzi do znacznego wychłodzenia kotła czy jego zamrożenia i w czasie przerw w pracy woda z instalacji nie musi przepływać przez urządzenie.

W instalacjach kaskadowych szczególnie sprawdzają się kotły kondensacyjne wiszące. Taka kaskada zajmuje niewiele miejsca, a można dzięki niej osiągnąć znaczną moc. Dodatkowo szeroki zakres modulacji poszczególnych kotłów sprawia, że kaskada może pracować z bardzo różną mocą, nawet od kilkunastu do kilkuset kW. Można więc z łatwością ogrzać na przykład dużą halę magazynową i podłączyć do instalacji małej pojemności podgrzewacz ciepłej wody, który w okresie letnim będzie jedynym odbiornikiem ciepła.

Podsumowanie

Można śmiało stwierdzić, że teraźniejszość i przyszłość należą do kotłów kondensacyjnych, które mają wyższą sprawność, są mniejsze i pracują dużo ciszej. Można je stosować zarówno z instalacjami podłogowymi, jak i grzejnikowymi, w instalacji starej i nowej. Kotły nie są narażone na ryzyko uszkodzenia wymiennika ciepła z powodu niskiej temperatury powrotu, mają szeroki zakres modulacji i bardzo łatwo łączyć je w kaskady.

Pozostaje odpowiedź na pytanie, co w przyszłości będzie standardem w ogrzewnictwie bazującym na spalaniu gazu. Wykorzystanie ogniw paliwowych czy może współpraca kotła kondensacyjnego z absorpcyjną pompą ciepła?

Literatura

1. Żuchowski S., Technika kondensacyjna. Korzyści płynące z zastosowania kotłów kondensacyjnych (cz. 1), „Rynek Instalacyjny” nr 11/2009.

2. Żuchowski S., Technika kondensacyjna. Korzyści płynące z zastosowania kotłów kondensacyjnych (cz. 2), „Rynek Instalacyjny” nr 12/2009.