Gazowe kotły kondensacyjne to obecnie jeden z najpopularniejszych rodzajów urządzeń grzewczych stosowanych w budownictwie mieszkaniowym i nie tylko. Technologia ta znana jest od kilkudziesięciu lat, popularna zaś stała się u schyłku ubiegłego wieku. Rozwój technologii, zmiany przepisów i coraz szersza oferta osprzętu instalacyjnego sprawia, że wykonawca instalacji z kotłem kondensacyjnym nadal może natrafiać na szereg aspektów technicznych do rozwiązania. W artykule zebrano odpowiedzi na 10 powtarzających się często pytań zadawanych podczas szkoleń lub w kontakcie z producentami tych urządzeń.
1. Automatyka instalacji podłogowej, a sterownik kotła. Jak uzyskać optymalną współpracę?
Instalacje ogrzewania podłogowego coraz częściej wyposażane są w układ miejscowej regulacji temperatury. System składa się z co najmniej kilku sterowników pokojowych zamontowanych w poszczególnych pomieszczeniach, centralki sterującej i elektrozaworów na rozdzielaczu/rozdzielaczach instalacji podłogowej.
Rozwiązanie to jest szczególnie przydatne w budynku o rozbudowanej bryle, w którym nasłonecznienie poszczególnych pomieszczeń jest zróżnicowane. Rano układ sterujący wyłącza części instalacji podłogowej obsługującej pokoje po stronie wschodniej, następnie południowej, itd. Miejscowa regulacja temperatury sprawdza się również w sypialniach, gdzie chcemy utrzymywać niższą temperaturę niż w pozostałych pomieszczeniach. Na etapie montażu instalacji podłogowej z systemem sterowania i kotła gazowego często pojawia się pytanie o odpowiednią współpracę tychże urządzeń. Pojawia się obawa o to, jak zachowa się kocioł, gdy np. w słoneczny wiosenny dzień żaden z termostatów nie będzie żądał pracy. Wówczas wszystkie elektrozawory zostaną zamknięte, a kocioł może się uruchomić, nawet wielokrotnie. Jeśli jest wyposażony w zawór nadmiarowo-upustowy wówczas pompa wymusi przepływ wody wyłącznie wewnątrz układu hydraulicznego kotła. Po uruchomieniu palnika temperatura wody w kotle szybko wzrośnie i palnik zostanie wyłączony. W kotłach, które nie mają zaworu nadmiarowo-upustowego może dojść do wyłączenia awaryjnego, np. na skutek przegrzania wymiennika lub zadziałania czujnika przepływu. Na szczęście większość systemów automatyki ogrzewania podłogowego jest wyposażona w możliwość zarządzania pracą kotła.
Jakie kroki należy podjąć w celu uzyskania korzystnej współpracy między kotłem a automatyką instalacji podłogowej?
- Kocioł należy wyposażyć w automatykę pogodową i czujnik temperatury zewnętrznej.
- Krzywą grzewczą dostosować do potrzeb instalacji.
- Żądaną temperaturę pokojową ustawić na poziomie 1-2°C wyższym od oczekiwanej temperatury w najcieplejszym pomieszczeniu w budynku.
- Sygnał żądania pracy z centralki instalacji podłogowej podać do automatyki kotła pod wejście termostatu pokojowego.
Takie rozwiązanie sprawi, że kocioł nie uruchomi się dopóty, dopóki w co najmniej jednym pomieszczeniu nie pojawi się potrzeba ogrzewania.
2. Instalacja podłogowa i grzejniki łazienkowe. W jaki sposób uzyskać komfort eksploatacji i wysoką sprawność kotła?
Teoretycznie w tym przypadku mamy wybór pomiędzy komfortem, jaki daje gorący grzejnik łazienkowy, a wysoką sprawnością kotła przy pracy z niską temperaturą.
W wariancie komfortowym stosujemy dwa obiegi grzewcze: jeden zasilający grzejniki i pracujący z wyższą temperaturą oraz drugi obieg instalacji podłogowej pracujący z niższą temperaturą wody. Oznacza to wyższy koszt inwestycji i niższą sprawność kotła kondensacyjnego, ale za to zawsze mamy do dyspozycji ciepłe grzejniki łazienkowe.
Wysoką sprawność kotła osiągniemy zaś, zasilając grzejniki wodą o tej samej temperaturze co instalację podłogową. Z pewnością kocioł będzie wówczas pracował z wysoką sprawnością, ale moc przekazywana przez grzejniki będzie bardzo niska. Koszty inwestycji również nie są niskie, ponieważ niezbędne jest zastosowanie większych grzejników.
W jaki sposób uzyskać komfort i wysoką sprawność? (rys. 1)
W każdym z powyższych wariantów ponosimy dodatkowe koszty, tracąc jednocześnie część korzyści. Warto zastanowić się nad minimalizacją strat. Zwróćmy uwagę na to, że w większości nowych domów łazienki są wyposażone w ogrzewanie podłogowe, a grzejniki łazienkowe stanowią jedynie jej uzupełnienie. W praktyce grzejnik służy nam do szybkiego podniesienia temperatury przed kąpielą lub do suszenia ręczników. Wystarczająca byłaby, więc okresowa praca grzejników z wyższą temperaturą, np. rano i wieczorem. Rozdzielając instalację na niezależne obiegi, w przypadku większości sterowników mamy możliwość zaprogramowania pracy grzejników tak, by nagrzewały się do wyższej temperatury tylko w wybranych godzinach.
W pozostałych okresie mogą być zasilane wodą o niższej temperaturze lub nie pracują. Zakładając użytkowanie grzejników przez godzinę rano i godzinę wieczorem, uzyskujemy wysoką sprawność kotła w pozostałym okresie.
3. Czy warto stosować grzałkę w zasobniku c.w.u. w celu wykorzystania energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej?
Instalacja fotowoltaiczna staje się bardzo popularnym rozwiązaniem w domach jednorodzinnych, w szczególności dzięki dostępnemu mechanizmowi wykorzystania sieci energetycznej jako swoistego, sezonowego „magazynu energii”. Latem instalacja generuje nadwyżki energii, przekazuje je do sieci, a w pozostałym okresie mamy możliwość wykorzystać do 80% lub 70% (w przypadku instalacji mocy > 10 kWp) energii przekazanej do sieci. Z pewnością każdy użytkownik poszukuje metody prostego uniknięcia przekazywania nadwyżek do „magazynu”. Teoretycznie może to pozwolić lepiej wykorzystać pozyskaną przez moduły energię i uniknąć strat. Szukając prostych rozwiązań, część użytkowników decyduje się na montaż grzałki w zasobniku c.w.u.
Czy jest to jednak korzystne rozwiązanie?
Rachunek jest prosty. Jeśli podgrzewamy wodę za pomocą kotła gazowego wówczas każda kWh energii kosztuje nas około 14-15 groszy.
Grzejąc więc wodę za pomocą grzałki elektrycznej zasilanej przez system fotowoltaiczny i dostarczając do wody w zasobniku 1 kWh energii, oszczędzamy około 14-15 groszy.
Gdybyśmy przekazali tę kWh energii elektrycznej do sieci i w przyszłości wykorzystali dostępne 80% z tej ilości wówczas, biorąc pod uwagę średnie ceny prądu, zaoszczędzimy 80% z 50 groszy, czyli 40 groszy/kWh. Stosując, więc grzałkę możemy mieć złudne odczucie, iż lepiej wykorzystujemy energię, ponieważ nie oddajemy jej do sieci. W praktyce jednak może się okazać, że takie rozwiązanie jest nieopłacalne.
Oczywiście grzałka może być dobrym rozwiązaniem, jeśli z jakichś przyczyn zastosowaliśmy na tyle dużą instalację fotowoltaiczną, że nie jesteśmy w stanie wykorzystać w ciągu roku 80% energii przekazanej do sieci. W takim przypadku zastosowanie grzałki jest korzystniejsze niż brak wykorzystania energii. Jeszcze lepszym rozwiązaniem, szczególnie w przypadku wyższego zapotrzebowania na ciepłą wodę, byłoby zastosowanie pompy ciepła powietrze- woda zamiast grzałki.
4. Jak przygotować instalację z kotłem, by w przyszłości rozbudować ją o pompę ciepła?
Zdarzają się przypadki, w których inwestorzy decydują się w pierwszej kolejności na montaż kotła gazowego, a za jakiś czas planują rozbudowę instalacji o pompę ciepła i ewentualnie instalację fotowoltaiczną. W takim przypadku montując kocioł, warto tak przygotować instalację, by w przyszłości zredukować zakres zmian.
W tym celu niezbędne jest ustalenie z inwestorem sposobu wykorzystania pompy ciepła w zakresie przygotowania ciepłej wody i ogrzewania budynku.
Wariant 1 Ciepła woda użytkowa przygotowywana wyłącznie przez kocioł (rys. 2)
Jeśli ciepłą wodą ma przygotowywać wyłącznie kocioł wówczas wystarczy zastosowanie niewielkiej pojemności zasobnika c.w.u. z wężownicą do współpracy z kotłem gazowym.
Wariant 2 Ciepła woda użytkowa przygotowywana przez kocioł i pompę ciepła (rys. 3)
W tym przypadku niezbędny będzie zasobnik ciepłej wody o większej pojemności i wyposażony w wężownicę o dużej powierzchni. Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest oczywiście dobór zasobnika do wymagań konkretnego modelu pompy ciepła. Nie znając jeszcze parametrów pompy ciepła, bezpiecznie będzie zastosować zasobnik o pojemności co najmniej 200 l, wyposażony w wężownicę o powierzchni nie mniejszej niż 1,5 m2. W przypadku wysokiego zapotrzebowania na ciepłą wodę lub chęci wykorzystania instalacji fotowoltaicznej warto zastosować zasobnik o większej pojemności, np. 300-400 l.
Współpraca w trybie ogrzewania
W zależności od konfiguracji instalacji grzewczej kocioł może ją zasilać bezpośrednio lub za pośrednictwem sprzęgła hydraulicznego o małej pojemności. Planując rozbudowę instalacji o pompę ciepła i chcąc uniknąć znacznej przebudowy instalacji, należy od razu zastosować zbiornik buforowy w roli sprzęgła hydraulicznego. Zbiornik ten jest niezbędny dla zapewnienia optymalnej pracy pompy ciepła, przede wszystkim zapewnienia odpowiednio długiego czasu pracy sprężarki i redukcji liczby cykli pracy. W zależności od rodzaju pompy ciepła wymagana pojemność zbiornika buforowego może wynosić od 4-6 l/kW
w przypadku pompy ciepła z płynną regulacją mocy, po 20-25 l/kW dla modelu wyposażonego w sprężarką jednostopniową.
Chłodzenie
Podobnie jak w przypadku ogrzewania również niezbędny jest zbiornik buforowy, który dodatkowo powinien być wyposażony w izolację paroszczelną, by uniknąć wykraplania się wilgoci na ściankach zbiornika.
5. Czy kocioł kondensacyjny może pracować w układzie otwartym?
W trakcie modernizacji starej instalacji grzewczej część inwestorów dąży do minimalizacji zakresu prac. Stąd pojawia się pytanie, czy kocioł kondensacyjny może pracować w instalacji otwartej? Należy zacząć od tego, że nie jest to korzystne rozwiązanie z uwagi na ciągły dopływ tlenu do instalacji i intensywne wytrącanie się zanieczyszczeń. Dla zapewnienia wieloletniej, bezawaryjnej pracy instalacji należałoby doprowadzić do jej zamknięcia i wyposażenia w przeponowe naczynie wzbiorcze. Prócz tego instalacja powinna zostać poddana płukaniu i wyposażona w magnetoodmulacz dla usunięcia pozostałości zanieczyszczeń.
Wracając do pytania, do otwartej instalacji grzewczej nie można podłączyć dowolnego kotła kondensacyjnego. Niezbędne jest wcześniejsze sprawdzenie czy ma on dopuszczenie do pracy w tego typu instalacji. Większość kotłów kondensacyjnych dostępnych na rynku została zaprojektowana do wykorzystana we współczesnych, zamkniętych instalacjach grzewczych. Kocioł taki jest wyposażony w termostat bezpieczeństwa, który reaguje dopiero przy temperaturze wody około 110oC, co jest wartością bezpieczną jedynie w instalacji zamkniętej.
Do zastosowania w instalacji otwartej niezbędny jest kocioł posiadający dopuszczenie do stosowania w tego typu instalacjach. Kocioł taki ma wbudowany termostat bezpieczeństwa, który wyłączy palnik już przy temperaturze około 90oC.
Zdarzają się przypadki stosowania w układzie otwartym kotłów nie posiadających stosownego dopuszczenia i wyposażania. Na dodatek czasami blokowane jest działanie układu zabezpieczającego, np. czujnika ciśnienia chroniącego kocioł przed pracą przy zbyt niskim poziomie wody.
Nigdy nie powinno się dokonywać tego typu ingerencji w układ zabezpieczający. W przeciwnym razie, w przyszłości może dojść do niebezpiecznych zdarzeń. Nie wolno również stosować w instalacji otwartej kotłów, które nie są do tego przeznaczone.
6. Na co zwrócić uwagę, zasilając nagrzewnicę powietrza z kotła kondensacyjnego? (rys. 4, 5, 6)
W części budynków w skład instalacji zasilanej przez kocioł kondensacyjny wchodzi nagrzewnica powietrza zabudowana w centrali wentylacyjnej. Projektując tego typu instalację, należy mieć na uwadze wymagania takiego odbiornika. Najważniejsze jest zapewnienie ciągłej dostępności czynnika grzewczego w sezonie grzewczym. Zasilanie nagrzewnicy nie może być przerywane, np. przez cykl podgrzewania wody w zasobniku c.w.u. W związku z tym należy stosować układ hydrauliczny zapewniający równoległą pracę obiegów grzewczych i ładowania zasobnika c.w.u. Można ewentualnie zablokować pracę innego obiegu w trakcie ładowania zasobnika. W tym celu wystarczy dokonać odpowiedniej konfiguracji sterownika lub zastosować przekaźnik odłączający pompę obiegową zasilającą, np. grzejniki w trakcie ładowania zasobnika c.w.u.
7. Czy poziomy wyrzut spalin przez ścianę można stosować tylko w przypadku kotłów o mocy do 21 kW?
Kwestię tę reguluje §175 rozporządzenia: „Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie”. W przypadku budynków jednorodzinnych, zagrodowych i rekreacji indywidualnej rzeczywiście możliwe jest wyprowadzenie przewodów powietrzno-spalinowych przez zewnętrzną ścianę budynku tylko w przypadku, gdy moc nominalna urządzenia gazowego nie przekracza 21 kW. Jednak jeśli montujemy kocioł/kotły w budynku produkcyjnym, magazynowym lub hali sportowej czy widowiskowej wówczas nie ogranicza się mocy cieplnej urządzeń gazowych z zamkniętą komorą spalania, z których przewody powietrzno-spalinowe są wyprowadzane przez ścianę zewnętrzną. To rozwiązanie dopuszczalne jest jednak tylko w przypadku, gdy spełnione poniższe warunki:
- odległość ściany od granicy działki wynosi co najmniej 8 m;
- odległość od innej ściany z oknami co najmniej 12 m;
- minimalna wysokość wyprowadzenia przewodów to 3 m ponad poziomem terenu.
8. Jaka ilość kondensatu może powstawać w kotle w ciągu doby?
W ostatnich latach znacząco wzrosła liczba niskotemperaturowych instalacji grzewczych.
W oczywisty sposób pozwala to lepiej wykorzystać energię zawartą w spalanym paliwie. Efektem ubocznym pracy kotła kondensacyjnego będzie oczywiście powstający kwaśny kondensat, który należy odprowadzać do kanalizacji.
W związku z tym pojawiają się pytania o intensywność tego procesu, a przez to i ilość kondensatu
w ciągu roku. Część osób zastanawia się, na ile strumień kondensatu może wpłynąć, np. na wzrost opłat za wywóz nieczystości płynnych. Musimy przy tym pamiętać, że paliwa wykorzystywane do zasilania kotłów gazowych, czyli gaz ziemny, gaz płynny czy olej opałowy różnią się liczbą atomów wodoru względem atomów węgla w cząsteczce. Sprawia to, że skroplenie pary wodnej zawartej w spalinach przynosi najlepsze rezultaty w przypadku kotła zasilanego gazem ziemnym. Uzyskamy w ten sposób do 11% dodatkowej ilości energii w stosunku do ilości odzyskanej bez wykroplenia pary wodnej. Na drugim miejscu jest gaz płynny
propan z 8% energii, którą można dodatkowo wykorzystać, a na ostatnim olej opałowy 6%.
Im więcej energii odzyskujemy, tym więcej powstaje kondensatu, stąd w zależności od technologii może to być do 15,5 l/100 kW mocy kotła dla gazu ziemnego, przez około 12-13 l/100 kW dla gazu płynnego do 8 l/100 kW dla oleju opałowego.
Jeśli kocioł pracuje jedynie na potrzeby ogrzewania domu i przygotowania c.w.u. wówczas czas pracy palnika (dla pełnej mocy) wynosi z reguły od 1700- 2200 godzin/rok. Stąd ilość powstającego rocznie kondensatu można szacować na poziomie 31 m3 dla 100 kW kotła opalanego gazem ziemnym, 26 m3 dla kotła na gaz płynny i 16 m3 dla oleju opałowego.
9. Do jakiej temperatury wody w instalacji występuje zjawisko kondensacji pary wodnej?
Podobnie jak ilość kondensatu, tak i temperatura spalin, która pozwala na występowanie zjawiska kondensacji zależy od rodzaju paliwa. Poza tym temperatura punktu rosy zależy również od współczynnika nadmiaru powietrza, zawartości CO2 w spalinach, itd. Dla typowych parametrów stosowanych w kotłach kondensacyjnych temperatura spalin, poniżej której rozpocznie się proces kondensacji wynosi od 57°C dla gazu ziemnego przez 52°C dla gazu płynnego, po 47°C dla oleju opałowego. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że utrzymywanie temperatury zasilania instalacji z kotła kondensacyjnego na poziomie odpowiednio 57°C, 52°C czy 47°C (w zależności od rodzaju paliwa) pozwoli na wystąpienie zjawiska kondensacji.
Na podstawie proporcji można oszacować, że w budynku jednorodzinnym o szczytowym zapotrzebowania na ciepło na poziomie 10 kW roczna „produkcja” kondensatu wyniesie od 1,6 do 3,1 m3. Przy obecnych cenach wywozu nieczystości płynnych może to kosztować od 40 do 77 zł/rok.
10. Jak określić wymaganą kubaturę pomieszczenia z kotłami kondensacyjnymi większej mocy?
Kubatura pomieszczenia z kotłem kondensacyjnym pracującym w trybie poboru powietrza do spalania z zewnątrz nie może być mniejsza niż 6,5 m3. W tak małym pomieszczeniu będzie możliwość montażu jedynie kotła o małej mocy.
Co zaś w przypadku kotłowni o wyższej mocy? Wg rozporządzenia: „Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie” kubatura pomieszczenia z kotłami o mocy od 60 do 2000 kW i powyżej 2000 kW „… powinna być określana indywidualnie, przy uwzględnieniu warunków technicznych i technologicznych, a także wymagań eksploatacyjnych”. Wielkość pomieszczenia powinna zatem pozwolić na swobodny montaż, obsługę i konserwację znajdujących się w kotłowni urządzeń. W tym zakresie pomocne mogą być, podane w instrukcji instalacji poszczególnych urządzeń, zalecane odległości minimalne od poszczególnych przegród oraz wymagana odległość przed urządzeniem, która zapewni swobodną obsługę i konserwację urządzenia.
Sytuacja wygląda inaczej jeśli, z jakichś przyczyn, kotły mają pobierać powietrze do spalania z pomieszczenia. Wówczas pracują one w tzw. systemie B. Komora spalania jest częściowo otwarta w stosunku do pomieszczenia i projektując kotłownię, należy dopilnować, by maksymalne obciążenie cieplne nie przekraczało 4650 W/m3.
W związku z tym wymagana kubatura wyniesie co najmniej 21,5 m3 na każde 100 kW mocy kotłów.
Zdjęcia i rysunki: Vaillant