Wykorzystanie kondensacji spalin w instalacji grzewczej

Kotły kondensacyjne powoli stają się standardem w nowych i remontowanych instalacjach grzewczych wykorzystujących jako nośnik energii cieplnej gaz ziemny, płynny czy w mniejszym stopniu olej opałowy. Eksploatacja takiego kotła przy odpowiednim dopasowaniu instalacji centralnego ogrzewania zmniejsza zużycie paliwa gazowego o przynajmniej 10 % w porównaniu z klasycznymi kotłami pracującymi bez efektu kondensacji. Ponieważ są to kotły z zamkniętą komorą spalania, łatwiej też odprowadzić z nich wytwarzane spaliny, a niekiedy można nawet zrezygnować z podłączenia ich do komina. Jednak oprócz spalin kocioł taki „produkuje” skropliny, które trzeba odprowadzić do kanalizacji lub odpowiedniego zbiornika, a całe urządzenie wymaga systematycznych, fachowo przeprowadzanych przeglądów i zabiegów konserwacyjnych.

Wykorzystanie kondensacji spalin w instalacji grzewczej

Co daje nam efekt kondensacji spalin?

W technice cieplnej do oceny zdolności energetycznych stosowanych paliw wykorzystywane są dwa charakteryzujące je w tym zakresie parametry - wartość opałowa i ciepło spalania.

Wartość opałowa określa ilość ciepła pozyskiwanego z określonej masy lub objętości paliwa w np. MJ/kg lub MJ/m3 gdy wytwarzane spaliny nie będą schłodzone do temperatury pozwalającej na odzyskanie energii cieplnej zawartej w parze wodnej po jej skropleniu.

Ciepło spalania określa z kolei energię odpowiadająca wartości opałowej określonego paliwa ale powiększoną o ciepło pozyskane z kondensacji pary wodnej w spalinach po ich schłodzeniu do temperatury otoczenia.

W praktyce największe różnice między tymi parametrami występują w paliwach ze znacznym udziałem w ich składzie wodoru, gdyż w procesie spalania ulega on utlenieniu wytwarzając cząsteczki wody, które w postaci pary są nośnikiem znacznej energii cieplnej.

Z tego względu najbardziej efektywną pracę kotłów z efektem kondensacji uzyskuje się przy wykorzystaniu gazu ziemnego, którego głównym składnikiem jest metan o symbolu CH4.

W procesie spalania przebiegającym według reakcji: CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O wytwarzana jest znaczna ilość wody w postaci pary, a po jej skropleniu można odzyskać dodatkowo do 11% energii, co znajduje uzasadnieniu w podawaniu sprawności energetycznej kotłów kondensacyjnych przekraczającej 100% - odzysk energii kondesacji pary wodnej dodawany jest do podstawowej wartości opałowej wykorzystywanej powszechnie jako baza porównawcza dla oceny własności energetycznych różnorodnych paliw.

Teoretyczna sprawność kotłów na gaz ziemny wyniesie więc 111%, a przy innych nośnikach energii będzie mniejsza: dla gazu płynnego 108% ,a dla oleju opałowego 106%.

Do jakich instalacji warto montować kotły kondensacyjne?

Efekt pozyskiwania ciepła z z zawartej w spalinach pary wodnej wymaga obniżenia ich temperatury do wartości umożliwiającej kondensację, która jest zmienna dla różnych paliw. Dla gazu ziemnego początek skraplania wystąpi poniżej 57oC, gazu płynnego ok. 50oC, a oleju opałowego 46o C.

W rezultacie dla zapewnienia możliwości wykorzystaniu energii kondesacji musi być ograniczona temperatura zasilania w instalacji grzewczej do poziomu poniżej tych wartości, co wymaga odpowiedniego doboru grzejników czy innych elementów przekazujących ciepło do pomieszczeń.

W efekcie np. przy korzystaniu z tradycyjnych grzejników muszą mieć one znacznie większą powierzchnię, aby umożliwić przekazanie odpowiedniej mocy grzejnej.

Teoretycznie pełne wykorzystanie przez cały sezon grzewczy efektu kondensacji, wymaga zaprojektowania instalacji zasilanej z kotła gazowego na gaz płynny pracującej na parametrach 55oC zasilanie i 45oC powrót, co w porównaniu z tradycyjnym sposobem zasilania 75oC/65oC wymaga np. zamontowania grzejników o około dwukrotnie większej powierzchni.

Jednak w praktyce ogrzewanie z pełną mocą pracuje z reguły tylko przez krótki okres, w czasie największych mrozów, a przez większość sezonu grzewczego na potrzeby grzejne wystarczają parametry czynnika grzewczego na niższym poziomie. W efekcie kondensacja występuje przez 70-80% czasu pracy kotła, a oszczędności w zużyciu paliwa sięgają 10-15% w porównaniu z tradycyjnymi kotłami.

W nowych czy modernizowanych domach instalacje grzejne projektowane są do zasilania niskotemperaturowego poprzez ogrzewanie powierzchniowe tzw. podłogówki lub ogrzewania ściennego, co zapewnia efekt kondensacji prze cały sezon grzewczy.

Wymagania instalacyjne kotłów kondensacyjnych

Niska temperatura spalin wychodzących z kotła kondensacyjnego sprawia, że nie mogą one osiągnąć wymaganego ciąg kominowy na drodze grawitacyjnej i dlatego pracują w układzie wentylatorowym i z zamkniętą komorą spalania, co również uniezależnia je od konieczności dopływu powietrza z pomieszczenia, niezbędnego do spalania paliwa.

Schematy stalowych systemów kominowych do współpracy z kotłami kondensacyjnymi: WSPS, SPS, SPS izolowany. rys. Komin-Flex
Schematy stalowych systemów kominowych do współpracy z kotłami kondensacyjnymi: WSPS, SPS, SPS izolowany. rys. Komin-Flex

Zależnie od mocy nominalnej i lokalizacji kotła odprowadzenie spalin może odbywać się za pośrednictwem tradycyjnego komina, a zgodnie z wymaganiami jakim powinny odpowiadać przewody spalinowe w przypadku odprowadzania spalin o wysokiej agresywności chemicznej, wewnętrzne powierzchnie kanałów musza być odporne na takie oddziaływaniem a więc ze stali lub ceramiki kwasoodpornej a także tworzywa sztucznego.

W takim rozwiązaniu konieczne będzie jednak niezależne doprowadzenie powietrza zewnętrznego poprzez adapter umieszczony na wylocie z kotła. Wariant ten stosowany jest głównie przy np. wymianie starego kotła gazowego z grawitacyjnym odprowadzeniem spalin na kondensacyjny.

Alternatywnym rozwiązaniem będzie zamontowanie systemowego komina z koncentrycznych rur powietrzno-spalinowych (tzw. rura w rurze), które można np. wstawić w istniejący kanał kominowy lub wyprowadzić niezależnie w obudowanej szachcie ponad dach budynku. Przy mocy kotła do 21 kW dopuszczalne jest wyprowadzenie dwuściennego przewodu powietrzno-spalinowego przez ścianę domu pod warunkiem zachowania odpowiedniego odstępu od okien i okapów.

Wylot takiego przewodu musi znajdować się w odległości nie mniejszej niż 0,5 m od krawędzi okna oraz np. przysłaniających go ryzalitów, okapów, co utrudniałoby odpływ strumienia spalin.

Rury spalinowe do kotłów kondensacyjnych wykonywane są również z tworzywa sztucznego - modyfikowanego polipropylenu, który jest odporny na agresywne oddziaływanie spalin jak i temperatury do 120oC, a system łączenia poszczególnych odcinków rur dostosowuje je do pracy w nadciśnieniu panującym w kanale spalinowym zapewniając odpowiednia szczelność.

Kłopotliwy kondensat

Skroplenie pary wodnej i zawartej w spalinach związków chemicznych tworzy w samym kotle kondensat, który musi być odprowadzony na zewnątrz. Przeciętnie przy pozyskaniu 1 kWh energii z paliwa powstaje ok. 0,16 litra skroplin, gdy spalany jest gaz ziemny, 0,13 litra w przypadku gazu płynnego i ok. 0,08 litra przy wykorzystaniu oleju opałowego.

W efekcie w ciągu 1 godziny przy pracy kotła gazowego z mocą 10kW uzyskamy ok. 1,6 litra kwaśnego płynu, który z reguły odprowadzany jest bezpośrednio do kanalizacji. W przypadku niewielkich kotłów użytkowanych w domach jednorodzinnych kondensat można traktować jako ścieki bytowe, które nie powodują negatywnych skutków w instalacji kanalizacyjnej jak i w procesie ich oczyszczania.

Pompa Wilo-Plavis-C do odprowadzania kondensatu i skroplin z urządzeń grzewczych. fot. Wilo
Pompa Wilo-Plavis-C do odprowadzania kondensatu i skroplin z urządzeń grzewczych. fot. Wilo

Kwasowość skroplin z kotłów gazowych jest stosunkowo niewielka - pH zawiera się w granicach 4-5 - zatem są one bezpieczne dla tworzywowych rur kanalizacyjnych nawet przy przepływie bez rozcieńczenia.

Wyższa kwasowością charakteryzują się skropliny wytwarzane w kotłach olejowych - pH może nawet wynosić poniżej 2 - i zależy głównie od zawartości siarki w spalanym paliwie, z której powstaje najbardziej agresywny kwas siarkowy. W praktyce odprowadzany kondensat ulega zobojętnieniu po zmieszaniu ze ściekami bytowymi które z reguły mają odczyn zasadowy (proszki do prania, mydło itp.).

Również w przypadku przydomowych oczyszczalni ścieków nie zauważa się negatywnego wpływu skroplin na proces ich uzdatniania chyba, że przez dłuższy czas nie ma dopływu innych rozcieńczających je płynów, a kocioł pracuje w dużą mocą.

W razie potrzeby instalowane są neutralizatory kondensatu, w których dzięki dolomitowemu wsadowi następuje zobojętnienie kwaśnego ich odczynu. Stosuje się je np. w razie konieczności przetłaczania skroplin za pomocą pompki lub przy dużych kotłach zasilanych olejem opałowym.

Niezbędne konserwacje kotła kondensacyjnego

Kotły kondensacyjne wymagają z reguły staranniejszej obsługi serwisowej niż kotły tradycyjne, a mokre skropliny mogą zawierać zanieczyszczenia stałe, które odkładając się w przewodach doprowadzając niekiedy do zablokowania odpływu kondensatu i zatrzymania pracy palnika.

Zależnie od rozwiązań konstrukcyjnych w konkretnym modelu kotła, skropliny odprowadzane są bezpośrednio lub przez osadnik i syfon, gdzie głównie zbierają się zanieczyszczenia. Okresowo trzeba więc demontować osadnik i oczyszczać ewentualnie przemywając również odprowadzenie.

Okresowego czyszczenia wymaga też blok cieplny z palnikiem co wymaga jego schłodzenia do bezpiecznej temperatury. Choć niekiedy prace te można przeprowadzić samodzielnie to jednak przynajmniej raz do roku warto skorzystać z usług firmowego serwisanta, który dysponując odpowiednim oprzyrządowaniem sprawdzi stan istotnych dla funkcjonowania kotła elementów oraz ustawień regulacyjnych gwarantujących optymalną efektywność jego pracy.

 

Autor: Cezary Jankowski

Opracowanie: Aleksander Rembisz

Zdjęcia: Viessmann, Wilo, Komin-Flex

Film: TV Budujemy Dom dla Onninen i Termet

Komentarze

FILMY OSTATNIO DODANE
Copyright © AVT 2020 Sklep AVT