Kotły kondensacyjne jednofunkcyjne we współpracy z zasobnikami c.w.u.

We współczesnym budownictwie mieszkaniowym bardzo popularnym rozwiązaniem jest kocioł jednofunkcyjny współpracujący z pojemnościowym podgrzewaczem wody popularnie nazywanym zasobnikiem c.w.u. Rozwiązanie to pozwala uzyskać najwyższy komfort poprzez krótki czas oczekiwania na ciepłą wodę, stabilną temperaturę nawet w przypadku dużej zmienności przepływu. Zastosowanie zasobnika zapewnia również dłuższą żywotność kotła dzięki temu, że nie musi on uruchamiać się za każdym razem, gdy ktoś korzysta z ciepłej wody. W ostatnim czasie zarówno w obszarze kotłów, jak i zasobników pojawiło się wiele zmian. 

Kotły – wyższe wymagania pod względem sprawności

Pod koniec 2015 roku zaostrzono wymagania w zakresie sprawności kotłów gazowych i olejowych o mocy do 400 kW. Z tego powodu producenci praktycznie mogą wprowadzać na rynek jedynie kotły jednofunkcyjne kondensacyjne, które cechują się najwyższą sprawnością. Wiele z tych urządzeń ma również nowoczesne rozwiązania, które pozwalają zoptymalizować współpracę z zasobnikiem c.w.u. w celu osiągnięcia wysokiego komfortu i sprawności, a przez to najniższych kosztów. Szeroki zakres modulacji mocy Bardzo korzystną cechą kotłów kondensacyjnych przeznaczonych do współpracy z zasobnikami jest szeroki zakres modulacji mocy. Wiadomo, że straty ciepła współczesnych budynków są coraz niższe, ale wymagany komfort ciepłej wody nie zmienia się lub jest coraz wyższy. Stąd przydatna jest możliwość pracy kotła kondensacyjnego z niską mocą, np. 3-4 kW na potrzeby c.o. i automatyczne zwiększenie mocy nawet do 20-24 kW w trakcie ładowania zasobnika c.w.u. Dawniej stosując kocioł atmosferyczny, który z reguły miał znacznie węższy zakres regulacji mocy, musieliśmy pójść na kompromis wybierając kocioł o dużej mocy (np. 24 kW), by szybko ładować zasobnik lub też kocioł o niskiej mocy, dobrze dopasowany do strat ciepła w budynku, (np. 12 kW) licząc się z tym, że podgrzewanie zasobnika będzie trwało nawet godzinę. Obecnie decydując się na kocioł kondensacyjny, w większości przypadków nie mamy takiego dylematu. Nie dość, że większość kotłów ma szeroki zakres modulacji mocy, to jeszcze część z nich dysponuje możliwością automatycznego zwiększenia mocy w trakcie ładowania zasobnika (jeśli zasobnik został gwałtownie opróżniony). Przykładowo moc kotła na potrzeby c.o. może się zmieniać w zakresie 4-20 kW, ale na potrzeby c.w.u. może on podnieść moc nawet do 24 kW. Różnica niby niewielka, ale mimo wszystko ma wpływ na czas ponownego ogrzania zasobnika. Optymalizacja temperatury ładowania zasobnika  Większość kotłów kondensacyjnych jednofunkcyjnych jest wyposażona w automatyczną adaptację temperatury czynnika grzewczego zasilającego zasobnik c.w.u. Z reguły kocioł pracuje z temperaturą wyższą o 10-15 K od wymaganej temperatury c.w.u. Dzięki temu, szczególnie w pierwszej fazie ładowania zasobnika do kotła wraca woda o szczególnie niskiej temperaturze, pozwalając intensywnie schłodzić i przez to odebrać ciepło od spalin, praktycznie doprowadzając do kondensacji. Dopiero w końcowej fazie zasilania zasobnika temperatura wody wracającej do kotła jest coraz wyższa i kondensacja nie jest już możliwa. Mimo wszystko dzięki dostosowaniu temperatury pracy kotła średnia sprawność podczas ładowania zasobnika jest znacznie wyższa niż w przypadku tradycyjnego kotła niekondensacyjnego. Dzięki temu niższy jest również koszt podgrzewania wody.

O pracy kotła z niską temperaturą, sprawności i mitach…

Przy okazji tego tematu warto zauważyć, że na rynku do dziś zdarzają się głosy sugerujące, że kocioł kondensacyjny jest zaprojektowany wyłącznie do pracy z niską temperaturą. Niektórzy twierdzą wręcz, że pracując z wysoką temperaturą, kocioł tego typu ma znacznie niższą sprawność od kotła tradycyjnego, dlatego, że nie skrapla pary wodnej. Oczywiście taka teoria nie ma nic wspólnego z rzeczywistością, bo niby czemu pracując z wysoką temperaturą, kocioł kondensacyjny miałby mieć niższą sprawność od kotła tradycyjnego? W kotle kondensacyjnym gorące spaliny przepływają przez wymiennik ciepła o znacznie rozbudowanej powierzchni, co pozwala uzyskać wyższą sprawność. Po drugie w kotle kondensacyjnym ilość gazu i powietrza doprowadzanego do palnika jest ściśle kontrolowana przez regulację prędkości wentylatora i pracę zespołu gazowego. Poszczególne składniki są skutecznie mieszane w komorze wentylatora, dzięki temu nie ma potrzeby stosowania dużego nadmiaru powietrza do spalania (z reguły jest to około 20-25%). W kotle z otwartą komorą wygląda to całkiem inaczej. O ilości powietrza dopływającego do palnika decyduje szereg warunków, jak temperatura i ciśnienie powietrza, stan i wysokość komina, a także skuteczność nawiewu powietrza do pomieszczenia. Poza tym gaz miesza się z powietrzem wokół dysz palnika. Skuteczność zmieszania składników jest znacznie niższa,  stąd w kotle z otwartą komorą spalania wymagany jest znacznie większy nadmiar powietrza do spalania gazu, rzędu 90-100%. Większa ilość chłodnego powietrza oznacza większe rozcieńczenie spalin i niższą ich temperaturę, a przez to sprawność kotła. W efekcie sprawność kotła kondensacyjnego jest znacznie wyższa (o 8-10%) od sprawności kotła atmosferycznego nawet podczas pracy z temperaturą rzędu 80°C.

Zasobniki – większa dbałość o redukcję strat ciepła

Wiele osób obawia się, że nawet, gdy nie pobieramy ciepłej wody, kocioł często musi włączać się w celu ponownego podgrzania zasobnika, co w efekcie skutkuje wysokimi kosztami eksploatacji. W rzeczywistości straty ciepła większości zasobników są bardzo niskie. Przykładowo dla popularnych zasobników o pojemności rzędu 100-150 l mogą one wynosić, np. 1-1,5 kWh/dobę, co oznacza koszt utrzymywania wysokiej temperatury rzędu 20-30 groszy na dobę. Mimo wszystko zawsze warto ograniczać koszty eksploatacji oraz zużycie paliw kopalnych stąd od ubiegłego roku wprowadzono czytelny system oznaczania zasobników w zależności od generowanych strat ciepła. Dzięki temu łatwo wybrać produkt, który zapewni nam najniższe koszty eksploatacji. Zasobnik taki można rozpoznać po pierwsze poprzez oznaczenie klasą A lub B na etykiecie energetycznej oraz podany strumień strat ciepła wyrażony w Watach. Mając do wyboru kilka zasobników o tej samej pojemności, od razu widzimy, który z nich będzie bardziej energooszczędny. W wyniku wprowadzenia nowych oznaczeń wzrosło zainteresowanie szczególnie energooszczędnymi zasobnikami spełniającymi wymogi klasy A lub B. To z kolei automatycznie pociągnęło za sobą modernizację dotychczas oferowanych produktów i ogólny spadek strat ciepła w zasobnikach.

Rodzaje zasobników

Na rynku dostępnych jest kilka rodzajów zasobników c.w.u.

Z wężownicą

To najpopularniejszy rodzaj zasobnika. Są one z reguły najbardziej przystępne cenowo. Przy tym mogą współpracować z różnymi źródłami ciepła, czasem nawet z kilkoma. Zasobnik ma wówczas dwie lub nawet trzy wężownice. Kolejną zaletą zasobników z wężownicą jest względnie wysoka odporność na zanieczyszczenia. Podczas nagrzewania i stygnięcia wężownicy w naturalny sposób dochodzi do jej rozszerzania i kurczenia, co utrudnia odkładanie się zanieczyszczeń. Oczywiście przy wysokiej twardości wody mimo wszystko po pewnym czasie dochodzi do zarastania wężownicy kamieniem kotłowym. Pewnym mankamentem zasobników zasilanych za pomocą wężownicy jest długi czas oczekiwania na ciepłą wodę po gwałtownym rozładowaniu zasobnika. Wynika to z faktu jednoczesnego nagrzewania przez wężownicę całej pojemności podgrzewacza. Dodatkowo po naładowaniu zasobnika występuje w nim znaczna zmienność temperatury wody pomiędzy górną i częścią zasobnika. Z oczywistych względów woda w dolnej części jest chłodniejsza, stąd chcąc zakumulować dużą ilość energii niezbędne jest stosowanie zasobnika o względnie dużej pojemności.

Ładowane warstwowo

Są wyposażone w umieszczony poza zasobnikiem wymiennik ciepła i niewielką pompę. Ich zadaniem jest pobór wody z dolnej części zasobnika i podgrzewanie jej od razu do zadanej temperatury. Dzięki temu nawet po gwałtownym rozładowaniu zasobnika nadal można korzystać z ciepłej wody z tym, że przepływ musi być dostosowany do możliwości kotła lub poczekać kilka minut na podgrzanie górnej warstwy zasobnika. Przy odpowiednim doborze zasobnika i kotła taka sytuacja w ogóle nie będzie miała miejsca. Do zasobnika będzie okresowo napływała duża ilość zimnej wody, ale w kolejnych minutach będzie ona warstwa po warstwie podgrzewana do zadanej temperatury. Co charakterystyczne dla zasobników ładowanych warstwowo różnica temperatury pomiędzy górną i dolną częścią zasobnika jest bardzo mała. Dzięki temu można skuteczniej wykorzystać całą pojemność zasobnika. Tę samą ilość energii można zakumulować w mniejszej pojemności, oszczędzając w ten sposób wymaganą przestrzeń montażową. I takie jest główne zastosowanie zasobników warstwowych, zapewnienie wysokiej wydajności przy ograniczonej przestrzeni montażowej. Bardzo często zasobniki ładowane warstwowo stanowią pewną opcję na wypadek wzrostu zapotrzebowania na ciepłą wodę i potrzeby przejścia z kotła dwufunkcyjnego, przepływowego na układ z zasobnikiem c.w.u. W przypadku wielu kotłów można wówczas zastosować niewielki zasobnik ładowany warstwowy, umieszczony obok lub pod kotłem. Równomierne nagrzewanie wody w zasobniku i brak stref o niskiej temperaturze sprawiają, że rozwiązanie to zapewnia niższe ryzyko rozwoju bakterii. Jednak z uwagi na zastosowanie pompy i płytowego wymiennika ciepła układ z zasobnikiem warstwowym jest oczywiście bardziej wrażliwy na zanieczyszczenia i osadzanie się kamienia kotłowego. W przypadku wysokiej twardości wody elementy te mogą wymagać częstej konserwacji i oczyszczenia.

Zasobniki płaszczowe

To również znany rodzaj zasobników o bardzo szerokich możliwościach. Odporne na zanieczyszczenia i cechujące się niskimi oporami przepływu. Z tego powodu rozwiązanie to często wybierano do zastosowania w instalacji grawitacyjnej. Przy odpowiedniej konstrukcji są w stanie skutecznie ogrzać wodę w całej pojemności zbiornika z wyraźną jednak różnicą pomiędzy temperaturą górnej i dolnej strefy. Mankamentem części zasobników płaszczowych warstwowo jest niska moc, jaką są w stanie na bieżąco przejmować od źródła ciepła. Jest to często rekompensowane dużą pojemnością płaszcza wodnego, który rozgrzewa się w pierwszej kolejności, a później następuje powolne ogrzewanie wody w zasobniku.

Dobór pojemności zasobnika

W przypadku domu jednorodzinnego często spotykamy się z różnorodnymi metodami doboru podgrzewacza. Z reguły są one oparte na iloczynie liczby domowników i zakładanej pojemności zasobnika na osobę, np. 50 l/osobę. Trzeba jednak wziąć pod uwagę, że dom domowi nierówny. Może się okazać, że zasobnik o pojemności 100 l wystarczy dla 5 osób, np. w domu z jedną łazienką wyposażoną standardowo, a zasobnik o pojemności 200 l będzie za mały dla dwóch osób, które jednak korzystają w łazience z panelu prysznicowego czy dużej wanny. W związku z tym chcąc dobrać zasobnik, którego pojemność zapewni odpowiedni komfort, należałoby przede wszystkim ustalić z inwestorem, które punkty poboru będą użytkowane jednocześnie, np. wanna w jednej z łazienek i natrysk w drugiej. Następnie należałoby zsumować niezbędne ilości wody do zasilenia poszczególnych odbiorników. W przypadku wanny możemy to określić na podstawie danych technicznych, a w przypadku natrysku ważny jest przepływ wody. Jeśli jest to standardowy natrysk o przepływie rzędu 8-10 l/min wówczas dziesięciominutowa kąpiel będzie wymagała dostarczenia około 80-100 l wody. Jeśli jednak jest to panel prysznicowy z kilkoma dyszami lub deszczownica wówczas przepływ może wynosić nawet 20-30 l/min, a więc odpowiednio 200 do 300 l/godzinę. Sumując te ilości, np. 100 ldla wanny i 80 l dla natrysku uzyskujemy wymagany wydatek zasobnika w ciągu pierwszych dziesięciu minut pracy. Z reguły taki parametr znajdziemy w danych technicznych zasobnika. Teraz gdybyśmy chcieli dobrać zasobnik z wężownicą wówczas będzie to model o pojemności co najmniej 140-150 l  z wydajnością początkową na poziomie 180-190 l. Podobną wydajność zapewni zasobnik ładowany warstwowo o pojemności około 100 l dzięki sukcesywnego doładowywaniu zasobnika w trakcie poboru wody. W przypadku budynków wielorodzinnych wymaganą pojemność zasobnika wylicza się na podstawie liczby mieszkań, zakładanego czasu użytkowania i dobowego zużycia ciepłej wody.

Ogrzewać z priorytetem czy równolegle

Bardzo często w dokumentacji projektowej można spotkać się z zapisem „praca kotłowni z priorytetem ciepłej wody”. Oznaczałoby to, że w trakcie ładowania zasobnika/zasobników obiegi grzewcze nie będą zasilane. O ile jednak w domach jednorodzinnych jest to standardowe rozwiązanie, to w budynkach wielorodzinnych raczej unika się tego rozwiązania, ponieważ ładowanie zasobników trwa czasem nawet kilka godzin. Ma to miejsce szczególnie w czasie porannego lub wieczornego szczytu poboru. O ile poza sezonem grzewczym nie stanowi to problemu, o tyle w trakcie występowania niskiej temperatury zewnętrznej może to powodować okresowe wahania temperatury w pomieszczeniach i dyskomfort mieszkańców. Chcąc uniknąć tego typu niedogodności, stosuje się układ z równoległym ładowaniem zasobnika i pracą obiegu grzewczego. W tym celu obieg grzewczy należy wyposażyć w zawór mieszający tak, by możliwe było zasilenie obiegu z temperaturą regulowaną wg krzywej grzewczej podczas, gdy zasobnik jest zasilany z wysoką temperaturą, np. 80°C.

Z c.t. równolegle

Podobnie w instalacjach, w których jednym z odbiorników energii jest ciepło technologiczne, a szczególnie nagrzewnice, nie można stosować układu z priorytetem c.w.u. W przeciwnym przypadku podczas ładowania zasobnika w okresie zimowym następowałaby przerwa w dostarczaniu ciepła do nagrzewnicy, powodując zadziałanie zabezpieczenia antyzamrożeniowego lub wręcz uszkodzenia nagrzewnicy. W związku z tym w instalacji, w której występują odbiorniki, które powinny być zasilane w sposób ciągły optymalnym rozwiązaniem jest również stosowanie ładowania równoległego.

Nie zawsze musi być sprzęgło

W układach z równoległym ładowaniem z reguły zasobnik jest ładowany za sprzęgłem hydraulicznym. W niektórych przypadkach można zoptymalizować instalację, stosując kocioł o dużej pojemności wodnej, który nie wymaga stosowania sprzęgła hydraulicznego. Zarówno pompę obiegu grzewczego, jak i pompę ładującą podłącza się bezpośrednio do kotła. Dzięki temu nie potrzebna jest pompa kotłowa oraz sprzęgło hydrauliczne. Poza tym niektóre kotły o dużej pojemności mają dwa króćce powrotu, wyższy, do którego wraca woda zasilania zasobnika i niższy, do którego napływa z reguły znacznie chłodniejsza woda z powrotu instalacji c.o. Dzięki temu w wielu przypadkach nawet podczas ładowania zasobnika równoległa praca instalacji c.o. pozwala maksymalnie schłodzić spaliny opuszczające kocioł i doprowadzić do kondensacji pary wodnej i uzyskania wysokiej sprawności.

Osprzęt w instalacjach z zasobnikami c.w.u.

Niezbędnym elementem instalacji z podgrzewaczem wody jest oczywiście armatura zapewniająca bezpieczną pracę i oszczędność wody. Przede wszystkim niezbędny jest zawór bezpieczeństwa o wielkości i ciśnieniu otwarcia dostosowanym do pojemności zasobnika i maksymalnego ciśnienia roboczego. Zawór bezpieczeństwa, jak sama nazwa wskazuje, stanowi ostateczne zabezpieczenie, które upuszcza część wody z zasobnika w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia. Może to mieć miejsce, np. w przypadku awarii naczynia wzbiorczego. Po wielokrotnym zadziałaniu zaworu bezpieczeństwa dochodzi często do niewielkiego wycieku wody z zasobnika i odkładania się osadów na korpusie zaworu. Powoduje to niepotrzebny wzrost zużycia wody oraz zmianę charakterystyki zaworu bezpieczeństwa. Z tego powodu powinno się unikać zadziałania zaworu bezpieczeństwa poprzez stosowanie odpowiedniej wielkości naczynia wzbiorczego, które przejmie część wody podczas rozgrzewania zasobnika, zapewniając stabilne ciśnienie. Dobór pojemności naczynia wzbiorczego zależy od ciśnienia w sieci wodociągowej, ciśnienia zadziałania zaworu bezpieczeństwa oraz pojemności zasobnika i ewentualnie instalacji c.w.u. i cyrkulacji szczególnie, gdy jest rozbudowana. Ważnym elementem systemu jest ewentualna anoda chroniąca zasobnik przed korozją. Najczęściej jest to anoda magnezowa, która zużywa się podczas eksploatacji. Przy corocznym przeglądzie należy kontrolować jej stan i w razie potrzeby wymieniać. W przypadku zasobników o dużej pojemności czasem bywa to kłopotliwe, np. gdy anoda jest długa, np. 50-70 cm, a przestrzeń pomiędzy zasobnikiem, a sufitem jest mniejsza. W takim przypadku jedynym rozwiązaniem jest usunięcie zużytej anody poprzez sukcesywne wysuwanie jej z zasobnika i przycinanie. Oczywiście na jej miejsce nie będziemy już w stanie umieścić anody o tej samej długości. Możemy w zamian zastosować anodę „łańcuchową”, która składa się z kilku elementów połączonych przegubowa. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie anody aktywnej, wyposażonej w zasilacz. Jest ona niewielka i swobodnie można ją umieścić w miejscu zużytej anody magnezowej. Nie wymaga cyklicznej wymiany, a ilość zużywanej energii w skali roku jest bardzo mała, np. rzędu 35-40 kWh/rok.

Problemy w instalacjach z zasobnikami c.w.u.

Rozszczelnienie zbiornika. Montaż i eksploatacja podgrzewacza wody nie należy do czynności kłopotliwych, ale zawsze trzeba zwracać uwagę na kolejność montowanych elementów i wykonywanych czynności. W trakcie montażu i uruchomienia czasami zdarzają się nieprzewidziane sytuacje. Najpoważniejszym problemem jest nieprawidłowe umiejscowienie zaworu bezpieczeństwa. Zdarza się, że pomiędzy zaworem bezpieczeństwa a zasobnikiem zastosowano zawór odcinający czy zwrotny. Zamknięcie zaworu podczas rozgrzewania zasobnika powoduje niekontrolowany wzrost ciśnienia powyżej wartości maksymalnej i uszkodzenie zbiornika. Z reguły dochodzi do rozerwania spawów lub rozszczelnienia ewentualnej pokrywy rewizyjnej. Są to sytuacje niebezpieczne, w dodatku skutkujące potrzebą wymiany całego zasobnika. Z tego powodu dokonując montażu lub uruchomienia, zawsze warto dokładnie sprawdzić prawidłowość lokalizacji zaworu bezpieczeństwa.

Cykliczny wyciek z zaworu bezpieczeństwa. Zdarza się, że pomimo zastosowania naczynia wzbiorczego zawór bezpieczeństwa otwiera się w trakcie każdego cyklu zasilania podgrzewacza. Jest to objaw świadczący o tym, że naczynie nie przejmuje rozszerzającej się wody. W tym przypadku również warto zacząć od kontroli poprawności umieszczenia naczynia, bywa tak, że zostaje ono odcięte, np. zaworem zwrotnym. W razie potrzeby należy usunąć tę przyczynę. Innym powodem nieprawidłowego działania naczynia wzbiorczego może być jego zbyt mała pojemność lub nieprawidłowe ciśnienie poduszki gazowej. Zarówno zbyt niskie, jak i zbyt wysokie ciśnienie poduszki gazowej zmniejsza lub czasem redukuje do zera możliwości kompensacji rozszerzającej się wody. Ciśnienie poduszki gazowej w momencie, gdy naczynie jest odłączone od instalacji powinno być nieco wyższe (o około 0,2 bar) od ciśnienia zimnej wody dopływającej do zasobnika. Dzięki temu, gdy na naczynie oddziałuje ciśnienie wody w sieci membrana nie jest dociśnięta do ściany naczynia i mamy możliwość kompensacji przyrostu objętości. Dopiero w trakcie rozgrzewania wody następuje powolny przyrost objętości i dociskanie membrany, a później powolny wzrost ciśnienia. Jeszcze innym powodem cyklicznego, albo raczej już ciągłego wycieku z zaworu bezpieczeństwa mogą być zanieczyszczenia zalegające na powierzchni grzybka lub gniazda zaworu. Zanieczyszczenia można usunąć, doprowadzając do kilkukrotnego zadziałania zaworu. Jeśli to nie pomaga z reguły niezbędna jest wymiana zaworu.

Pełna treść artykułu w pliku pdf.

Instalnews - bezpłatny biuletyn e-czasopisma InstalReporter 4/2017 6/2016 2/2016