Sprawność kotłów

Jedną z najważniejszych cech charakteryzujących kotły grzewcze jest sprawność wyrażana najczęściej w procentach. Wielkość ta mówi ile procentowo jednostek ciepła można uzyskać z jednostki energii paliwa. Jeżeli sprawność równa jest na przykład 70% oznacza to, że z jednej jednostki energii paliwa uzyskuje się 0,7 jednostki ciepła. Pozostałe 0,3 jednostki to straty energii. Wydawać by się mogło, że powyższa definicja jest na tyle jednoznaczna, że trudno tu o niejasności, a jednak jest kilka kwestii mylących, które postaram się krótko naświetlić.

Sprawność chwilowa i średnia

Dobierając wielkość kotła do określonego budynku powinniśmy się kierować dwoma kryteriami. Po pierwsze bierzemy pod uwagę zapotrzebowanie na moc budynku, która to wielkość mówi jaka moc niezbędna jest do ogrzania budynku przy ekstremalnych warunkach pogodowych, przy czym ekstremalne warunki pogodowe na większości obszaru Polski oznaczają średnią dobową temperaturę zewnętrzną równą -20 stopni. Po drugie, jeżeli kocioł ma także służyć do podgrzewania ciepłej wody, kierujemy się czasem w którym kocioł powinien podgrzać wodę w zasobniku, lub gdy nie ma zasobnika – mocą która niezbędna jest do podgrzania określonego strumienia wody użytkowej. We współcześnie budowanych domach, charakteryzujących się dobrą izolacyjnością cieplną, moc potrzebna do celów przygotowania ciepłej wody użytkowej jest wyższa od mocy potrzebnej do celów grzewczych i kocioł dobierany jest w oparciu o dane dotyczące przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Typowa moc kotła służącego zarówno do celów ogrzewania jak i przygotowania ciepłej wody użytkowej, dobieranego do współcześnie budowanego domu to 25 kW i jest dwukrotnie wyższa niż typowe zapotrzebowanie na moc budynku, co oznacza że nawet w ekstremalnych warunkach pogodowych do ogrzania domu wystarczy praca kotła z połową mocy.

Jak wynika z powyższego do celów przygotowania ciepłej wody potrzebna jest wyższa moc niż do ogrzewania budynku, jednak ilość paliwa zużytego do ogrzewania typowo jest czterokrotnie wyższa niż ilość paliwa zużytego do przygotowania ciepłej wody. Dzieje się tak dlatego, że jakkolwiek do przygotowania wody potrzebna jest wysoka moc, to moc ta potrzebna jest jedynie przez krótką część doby, kiedy domownicy zużywają ciepłą wodę. Natomiast ogrzewanie budynku wymaga niższej mocy, ale za to dostarczanej przez większą część doby.

Podsumowując powyższe typowy kocioł zainstalowany w nowobudowanym domu posiada moc około 25 kW, która to moc wykorzystywana jest w około połowie przy ekstremalnych warunkach pogodowych, a przy typowej średniej temperaturze panującej w sezonie grzewczym wynoszącej zero stopni moc wykorzystywana jest w jednej czwartej.

Tymczasem producenci kotłów podają najczęściej sprawność zmierzoną w warunkach pracy kotła z mocą nominalną. W zależności od konstrukcji kotła sprawność może dość znacznie zmieniać się z mocą. W przypadku tradycyjnych konstrukcji kotłów zazwyczaj sprawność spada i no niejednokrotnie bardzo znacznie wraz ze spadkiem mocy kotła, natomiast w przypadku nowych konstrukcji, a szczególnie w przypadku kotłów kondensacyjnych sprawność może nieznacznie rosnąć wraz ze spadkiem mocy kotła. Dodatkową komplikacją jest fakt, że sprawność kotła zależy także, a w przypadku kotłów kondensacyjnych jest to zależność bardzo silna, od instalacji grzewczej z którą kocioł współpracuje.

Dla użytkownika oczywiście najważniejsze są roczne opłaty za zużyte paliwo, a te zależą od ilości zużytego paliwa. Na wartość tę ma wpływ średnia sprawność uzyskiwana przez kocioł w całym sezonie grzewczym, przy różnych temperaturach zewnętrznych. Czasem stosowana jest metoda pomiaru, która w swoim zamyśle odzwierciedla pracę kotła w całym sezonie grzewczym. Niestety większość producentów nie podaje sprawności wyznaczonej przy użyciu tej metody. Należy jednak pamiętać, że nawet tak określona sprawność nie musi być jednakowa ze sprawnością rzeczywiście osiąganą przez kocioł, bo na tę rzeczywistą wpływ ma jeszcze instalacja grzewcza budynku.

Jednym z typowych przykładów sytuacji, w której kocioł osiąga wyraźnie niższą sprawność rzeczywistą od sprawności podanej w katalogu jest dobranie kotła węglowego retortowego o mocy znacznie wyższej od zapotrzebowania budynku, co w praktyce zdarza się względne często. Wyobraźmy sobie sytuacje, w której do ogrzania budynku w skrajnych warunkach pogodowych potrzebna jest moc 15 kW, a instalator dobrał kocioł o mocy 30 kW, tak by jego moc wystarczyła do celów przygotowania ciepłej wody użytkowej. W takim przypadku kocioł do celów grzewczych wykorzystuje zaledwie 50% swojej mocy przy ekstremalnych warunkach pogodowych, a przy średnich osiągana przez niego moc jest równa mniej więcej czwartej części mocy nominalnej. Ponieważ sprawność typowego kotła retortowego wyraźnie spada wraz z mocą kotła, to sytuacja taka może prowadzić nawet do wzrostu zużycia węgla nawet o 50% w stosunku do wartości, która by wynikała ze sprawności podawanej przez producenta a osiąganej przy nominalnej mocy kotła.

Drugi typowy przykład to zamontowanie kotła kondensacyjnego, do starej wysokotemperaturowej instalacji ogrzewania. Ponieważ sprawność osiągana przez kocioł kondensacyjny spada silnie wraz ze wzrostem temperatury wody powracającej z grzejników to sytuacja taka sprawia, że kocioł kondensacyjny nie uwidacznia swojej podstawowej zalety jaką jest wykroplenie pary wodnej ze spalin i w efekcie jego sprawność może być o kilkanaście procent niższa niż ta, która podawana jest przez producenta, a która wyznaczona została przy niskich temperaturach pracy kotła, typowych dla jego współpracy na przykład z ogrzewaniem podłogowym.

Sprawność kotła kondensacyjnego

Jak wspomniano wcześniej sprawność mówi o tym ile jednostek ciepła możemy uzyskać z jednostki energii paliwa. W świecie funkcjonują jednak dwa określenia maksymalnej teoretycznej ilości ciepła, którą można uzyskać ze spalenia jednostki paliwa. W pierwszym z określeń przyjęto, że ze względu na korozję woda obecna w spalinach nigdy nie będzie skraplana, a zatem maksymalną ilość ciepła określono jako ilość ciepła którą uzyskuje się gdy spaliny schłodzi się do temperatury otoczenia, ale przy pozostawieniu wody w spalinach w postaci gazowej. Według drugiego określenia maksymalna ilość ciepła to taka, która podobnie jak poprzednio odpowiada schłodzeniu spalin do temperatury otoczenia, ale jednocześnie przy całkowitym wykropleniu pary wodnej w spalinach. Pierwsza z tych wartości nazywana jest wartością opałową, natomiast druga ciepłem spalania, spotyka się jednak także określenia odpowiednio dolnej i górnej wartości kalorycznej paliwa.

W tradycyjnych kotłach, wykonanych z materiałów nieodpornych na korozję stosuje się szereg zabiegów technicznych mających na celu zapobieżenie kondensacji pary wodnej, a spaliny wyrzuca się do atmosfery, gdy mają one jeszcze temperaturę znacznie przekraczającą temperaturę otoczenia. W efekcie ilość ciepła uzyskana ze spalania nigdy nie przekracza wartości teoretycznie maksymalnej określonej obiema metodami, a w efekcie sprawność kotła jest wyraźnie niższa od 100%.

Kotły kondensacyjne wykonane są z materiału odpornego na korozję, zatem nie ma w nich obawy wystąpienia korozji, a zjawisko kondensacji staje się korzystne, ze względu na fakt, że skraplająca się para wodna oddaje ciepło, które wcześniej pobrała podczas swojego parowania. W przypadku mocnego schłodzenia spalin i jednocześnie wykroplenia pary wodnej ilość energii uzyskana ze spalania może być wyższa niż określona wcześniej wartość opałowa, a tym samym sprawność kotła może przekraczać 100%. W praktyce dobrze zainstalowane kotły kondensacyjne osiągają sprawności sięgające 110%.

Warto jednak zauważyć, że nawet kocioł kondensacyjny nie jest w stanie wyprodukować ciepła więcej niż teoretyczna ilość opisana powyżej, a nazwana ciepłem spalania. Z tego wynika, że kotły kondensacyjne sprzedawane np. w Wielkiej Brytanii, gdzie w powszechnym użytku jest ciepło spalania mają sprawności niższe niż 100%, a te same urządzenia sprzedawane w Polsce mają podane w katalogu sprawności wyższe od 100%. Przyczyną tej rozbieżności jest więc tylko fakt zastosowania w obu krajach innej definicji teoretycznej, maksymalnej ilości ciepła, jaką uzyskać można ze spalenia jednostki paliwa.

Z powyższych rozważań wynika, że efekt stosowania kotłów kondensacyjnych powinien być tym większy im więcej pary wodnej jest zawartej w spalinach, a to z kolei zależy od tego ile jest pierwiastka wodoru w paliwie, który w czasie spalania utlenia się do pary wodnej. Paliwem najbardziej uwodornionym z powszechnie stosowanych jest gaz ziemny, nieco mniej olej opałowy, a najmniej węgiel. Dlatego też technikę kondensacji pary wodnej stosuje się przede wszystkich w kotłach gazowych.

Prof. dr hab. inż. Andrzej Szlęk

dyrektor ITC