CENTRALNE OGRZEWANIE BUDYNKÓW - INSTALACJE I KOTŁY WODNE
Część 1. Uwagi wstępne.
Poniższe uwagi stanowią bardzo ogólny i uproszczony zarys problemu i mają stanowić pomoc w zrozumieniu działania instalacji c.o. Niektóre problemy są omówione bardziej szczegółowo w dalszej części opracowania.
Bilans ciepła:
zapotrzebowanie - transport czynnika grzejnego - oddawanie (grzejniki) - wytwarzanie (źródło);
w uproszczeniu:
Q = A * U * (ti - te) = m * cp * (tzasil. - tpowr.) = F * k * (tzasil tpowr ti
2 ) = Qźródła
jednostki:
W=J/s = m2 * W/(m2*K) * K = kg/s * J/(kg*K) * K = m2 * W/(m2*K) * K = W w przypadku powietrza używa się raczej strumienia objętości (V, m3/s, m3/h), ale:
strumień masy m = V * ρ (ρ - gęstość w kg/m3).
1 [kWh] = 1 [kJ/s] * 3600 [s] = 3,6 * 106 [J]
Problemy wynikające z tych równań:
1. Należy rozpatrywać oddzielnie problem zaprojektowania instalacji c.o. i problem jej efektywności energetycznej w sezonie grzewczym. Wielkość (moc cieplną) instalacji c.o. projektuje się na warunki obliczeniowej temperatury zewnętrznej (wg PN-82/B- 02403). Do końca 2008 r. wg PN-B-03406:1994 („zapotrzebowanie na ciepło”), a od stycznia 2009 r. - wg PN-EN 12 831:2006 („projektowe obciążenie cieplne”). Kocioł (jako źródło ciepła) będzie pracował przy mocy znamionowej (lub blisko tej mocy).
2. Jak uwzględnić zyski ciepła od ludzi, oświetlenia, urządzeń, nasłonecznienia (przepuszczalność oszklenia, akumulacyjność ścian)?
3. W warunkach całego sezonu grzewczego (210 - 240 dni) należy dokładniej rozważyć zyski wymienione w p.2. Obciążenie kotła w ciągu sezonu grzewczego będzie
zmienne (od kilkunastu do 100%). Jaka będzie średnia sprawność kotła.
4. Ponieważ zmienia się temp. zewnętrzna (te), to zmienia się obciążenie cieplne.
Możliwe są 2 zasadnicze sposoby regulacji dostawy ciepła: a) centralna regulacja jakościowa (zmienne temperatury czynnika, stały przepływ); b) centralna regulacja ilościowa (zmienny przepływ, stałe temperatury).
Najczęściej jest to t.zw. regulacja pogodowa (temp. zasilania zależna od temp.
zewnętrznej). W domku jednorodzinnym czy mieszkaniu może to być regulacja w oparciu o temperaturę wybranego pomieszczenia.
System c.o. składa się z:
1. źródła ciepła (kocioł, wymiennik);
2. sieci przewodów rozprowadzających czynnik grzejny (najczęściej wodę), wraz z armaturą (odcinającą, regulacyjną, odpowietrzającą, spustową);
3. odbiorników ciepła (grzejniki, nagrzewnice wentylacyjne);
4. układu automatycznej regulacji (czujniki, regulator, zawory regulacyjne, przewody sygnałowe).
Ponieważ woda zmienia swoją objętość wraz ze zmianami temperatury, system musi posiadać urządzenie do przejmowania wahań objętości wody (naczynie wzbiorcze) oraz
zabezpieczać źródło ciepła przed nadmiernym wzrostem ciśnienia. Rozróżnia się 2 rozwiązania: (patrz rysunek)
a) system otwarty (wg B-02413): otwarte (czyli stale połączone z atmosferą) naczynie zbiorcze oraz rury bezpieczeństwa i wzbiorcza;
b) zamknięty (wg B-02414): przeponowe naczynie wzbiorcze (z membraną oddzielającą wodę od gazu) oraz zawór bezpieczeństwa na źródle ciepła.
Pokazane rozprowadzenie przewodów poziomych („rozdzielczych”) - poniżej grzejników (np.
w piwnicy) - nazywa się rozdziałem dolnym. Możliwy jest także rozdział górny.
Na pokazanych schematach grzejniki w jednym mieszkaniu zasilane będą z różnych pionów, co utrudnia indywidualne rozliczanie ciepła (stosować można tzw. podzielniki kosztów ogrzewania na grzejnikach ale jest to system mało dokładny i kłopotliwy w obsłudze
(odczyty, przetwarzanie danych). Lepszym rozwiązaniem jest jedno wejście energii cieplnej do każdego mieszkania (jak gazu, prądu, wody zimnej i ciepłej), ale wymaga to innego rozprowadzenia przewodów - poziomo w każdym mieszkaniu:
Należy zwrócić uwagę na odpowietrzenia:
a) sieć przewodów odpowietrzających w systemie otwartym;
a w systemie zamkniętym:
b) odpowietrzniki samoczynne (pływakowe) w najwyższych punktach pionów;
c) odpowietrzniki ręczne lub samoczynne przy grzejnikach.
Na powyższych schematach pokazano też 2 sposoby podłączenia grzejników do przewodów poziomych: układ jednorurowy z bocznicą (po lewej) i klasyczny układ dwururowy. W układzie dwururowym każdy grzejnik jest podłączony do zasilania i powrotu i jest zasilany wodą o tej samej temperaturze (pomijając niewielkie schłodzenia wody zasilającej w przewodach i pionach). W pokazanym układzie jednorurowym część wody płynie przez grzejnik a część przez bocznicę; każdy kolejny grzejnik w kierunku przepływu jest zasilany wodą o coraz niższej temperaturze.
Zgodnie z PN-B-02414:1999 tylko ogrzewania, w których źródłem ciepła jest wymiennik ciepła albo kocioł (kotły) opalany paliwem ciekłym, gazowym lub zasilany energią elektryczną mogą mieć pracować w systemie zamkniętym. Kocioł musi mieć
dopuszczenie do pracy w takim systemie. Zatem kotły grzewcze na paliwo stałe nie mogą pracować w systemie zabezpieczonym według powyższej normy (nie dotyczy to kotłów wysokotemperaturowych) i muszą mieć zabezpieczenie systemu otwartego (PN-B- 02413:1991).
Co należy oceniać w systemie c.o.? Część podanych niżej kryteriów nie jest bezpośrednio związana ze świadectwem energetycznym, jednak nieprawidłowości powodują bądź
marnotrawstwo energii (koszty!!) bądź pogorszenie warunków komfortu cieplnego.
Sprawności poszczególnych elementów systemu c.o. podane są (wg Rozporz. MI dot.
metodologii) w części 6, a zadaniem osoby certyfikującej jest przyjęcie odpowiedniej wartości.
A) źródło ciepła
prawidłowa wielkość (moc) - źródło może być za duże lub za małe. Rozwiązanie tego problemu należy do projektanta i należy oprzeć się na dokumentacji;
stan techniczny źródła ciepła: wiek i stopień zużycia, prawidłowość obsługi, stan związanych elementów (komin - np. zawilgocenie ścianek, pompy, uzupełnianie wody, inst. gazowa czy olejowa itp.);
automatyczną regulację (jeżeli jest) - jej stan techniczny, prawidłowość umieszczenia czujnika temp. zewnętrznej itp..
Sprawność kotła zależy od straty głównie od:
straty kominowej (temp. spalin, spalanie zupełne - zachodzi wówczas, gdy w spalinach nie ma gazów palnych);
straty do otoczenia poprzez izolację kotła,
od obciążenia kotła - podawana przez producenta;
w przypadku paliw stałych - spalanie niecałkowite zachodzi wówczas, gdy w
pozostałych po spaleniu ciałach stałych znajdują się jeszcze części palne (sadza, koksik, kawałki węgla).
Wartość opałowa jest to ilość ciepła uzyskana z zupełnego i całkowitego spalenia 1 kg lub 1 m3 paliwa w suchym powietrzu, gdy produkty spalania zostały schłodzone do temperatury początkowej paliwa i powietrza, zaś cała wilgoć zawarta w spalinach pozostaje pod postacią pary.
Ciepło spalania jest to ilość ciepła uzyskana z zupełnego i całkowitego spalenia 1 kg lub 1 m3 paliwa w suchym powietrzu, gdy produkty spalania zostały schłodzone do temperatury początkowej paliwa i powietrza, zaś cała ilość wilgoci zawarta w spalinach uległa skropleniu. Inaczej: ciepło spalania jest to wartość opałowa paliwa powiększona o ciepło parowania wilgoci zawartej w spalinach.
Ponieważ sprawność kotła jest określana w oparciu o wartość opałową, więc kotły kondensacyjne mogą mieć sprawność powyżej 100%.
B) sieć przewodów
czy są izolowane i jaki jest stan izolacji;
jaki jest stan techniczny sieci (przecieki, korozja, nieszczelność armatury, stan armatury regulacyjnej, itp.);
czy nie występują hałasy związane z pracą instalacji (np. szumy w przewodach i na armaturze wskutek za dużych prędkości, hałaśliwa praca pomp itp.)
C) odbiorniki ciepła (grzejniki, nagrzewnice)
stan techniczny,
wyposażenie z zawory termostatyczne,
czy grzejniki nie są zbyt osłonięte (kotary, obudowa nie przewidziana w projekcie),
czy nie występuje przegrzewanie i niedogrzewanie pomieszczeń.
D) automatyczna regulacja i jej stan techniczny:
centralny regulator (sterownik);
czujniki temperatury (oporowe).
zawory regulacyjne bezpośredniego działania (temperatury, różnicy ciśnień) i zawory regulacyjne z siłownikiem elektrycznym.
Część 2. Instalacje c.o. - problemy ogólne.
1. Regulacja centralnych ogrzewań wodnych.
Ogrzewanie oblicza się i projektuje dla obliczeniowych temperatur zewnętrznych
(temperatury wg PN-82/B-02403), jednak w sezonie ogrzewczym (ok. 210 –250 dni w roku) temperatury zewnętrzne bezustannie zmieniają się, zatem tak należy regulować centralne ogrzewanie, aby dostarczyć do ogrzewanych pomieszczeń właściwą ilość ciepła. Centralna regulacja może być zatem jakościowa (stały przepływ czynnika grzejnego, a zmienne
temperatury zasilania i powrotu), ilościowa (zmienny przepływ a stałe temperatury zasilania i powrotu) oraz jakościowo-ilościowa. Najczęściej realizowana jest regulacja jakościowa.
Stosowane obecnie powszechnie grzejnikowe zawory termostatyczne spełniają rolę
uzupełniającej regulacji miejscowej, przymykając się w przypadku wystąpienia dodatkowych zysków ciepła w pomieszczeniu (np. zysków od nasłonecznienia w pomieszczeniach od strony południowej).
Przykładowe krzywe centralnej regulacji jakościowej przedstawiono na rysunku poniżej.
Założenia: III strefa klimatyczna (te,o = ─20°C). W czasie pracy obiektu temperatura w pomieszczeniach ti = +20 °C, parametry obliczeniowe 90/70 °C (krzywe „a”). Wykładnik konwekcji grzejnika m = 0,3.
Przebieg krzywych centralnej regulacji jakościowej będzie zależał od:
a) obliczeniowej temp. zewnętrznej; (tu ─20°C)
b) przyjętych dla tej temperatury obliczeniowych temperatur zasilania i powrotu (tu: 90/70
°C);
c) obliczeniowej temperatury wewnętrznej ti (przyjęto +20°C); zatem dla pomieszczeń o innych temperaturach wewnętrznych (np. +15°C) - przebieg krzywych będzie inny (porównaj krzywe (a) i (b).
Krzywe centralnej regulacji jakościowej są w rzeczywistości lekko wypukłe dla ogrzewania z grzejnikami konwekcyjnymi. Można jednak w przybliżeniu założyć ich proporcjonalność w funkcji temperatury zewnętrznej i – przy braku wykresu lub tabeli – w prosty sposób obliczyć z proporcji przybliżoną temperaturę zasilania lub powrotu dla dowolnej temperatury
zewnętrznej.
Krzywe centralnej regulacji jakościowej (nazywane niekiedy krzywymi regulacji kompensacyjnej) zadawane są w regulatorach (sterownikach) układów c.o. w postaci:
linii prostych (zwłaszcza w starszych regulatorach analogowych);
linii prostych z jednym lub dwoma punktami załamania;
linii łańcuchowej z kilkunastoma punktami załamania.
W układach dwufunkcyjnych c.o. + c.w.u., w okresie wyższych temperatur zewnętrznych, temperatura wody wychodzącej ze kotła musi być okresowo nie niższa od 60 - 65 °C i będzie za wysoka dla potrzeb c.o. Trzeba zatem zastosować „podmiesznie zimne”, czyli
podmieszanie wody powrotnej do zasilającej, celem obniżenia jej temperatury. Ponadto, w przypadku paliw weglowodorowych (oleju i gazu) w spalinach jest para wodna, która może wykroplić się w tej części kotła, w której temperatura ścianki jest niższa od temperatury punktu rosy dla spalin (patrz wykres regulacyjny: temp. punktu rosy dla oleju opałowego 48°C). Ponieważ skropliny mają odczyn kwaśny, więc oddziaływują niszcząco na stal czy żeliwo. Jednym ze sposobów rozwiązania problemu (inne omówiono niżej) jest zastosowanie
„podmieszania gorącego”. Przykładowy schemat technologiczny kotłowni pokazano na rysunku:
Schemat technologiczny kotłowni dwufunkcyjnej c.o. + c.w.u.
Widoczny układ:
- „pomieszania zimnego” dla obiegu c.o.;
- „podmieszania gorącego” dla obiegu kotła:
- podgrzewacza c.w.u.
Każdy z tych trzech obiegów ma własną pompę obiegową.
Mieszania zrealizowano poprzez zawory trójdrogowe.
Schemat regulacji jest przykładowy i uproszczony.
Jak wspomniano, temperatura skraplania się pary wodnej w spalinach (temperatura punktu rosy) wynosi dla gazu ziemnego około 58°C, a dla oleju opałowego około 48°C. Tak więc w warunkach niskich temp. powrotu, w kotle gazowym będzie zachodziła kondensacja pary wodnej w spalinach wskutek kontaktu spalin ze ścianką kotła o temperaturze wody powrotnej.
Odzyskanie ciepła skraplania pary wodnej w spalinach podnosi sprawność kotła i zostało wykorzystane w kotłach kondensacyjnych (patrz niżej), jednak ze względu na kwaśny odczyn spalin kotły te muszą być wykonane w specjalny sposób i z użyciem stali kwasoodpornej, co podnosi ich koszt. Kotły takie powinny współpracować z instalacją c.o., w której przez cały sezon grzewczy temperatury powrotu są niższe od temp. punktu rosy.
Grzejnikowe zawory termostatyczne (GZT) i zawory upustowe (nadmiarowe).
Konieczność ich stosowania wynika z Rozporz. MI w sprawie warunków technicznych (...) - patrz §134 pkt 4.
Zastosowanie GZT bez uwzględnienia ich oddziaływania dynamicznego na instalację (odpowiedniego rozwiązania skutków zmiennych przepływów wywołanych działaniem zaworów) może spowodować różne problemy. Przy dodatkowych zyskach ciepła, np.
wskutek nasłonecznienia, zawory termostatyczne zaczną się samoczynnie przymykać, zmniejszając przepływ, co w przypadku pompy wirowej oznacza zwiększanie wysokości podnoszenia. Problemem mogą tu być okresowe szumy w instalacji wskutek dużego
dławienia nadmiaru ciśnienia przez (silnie przymknięte) grzybki zaworów termostatycznych (rys. poniżej). Przy zmniejszonym przepływie Vx opory sieci plus opory nastaw zaworów termostatycznych wynoszą Hs,x a wysokość podnoszenia pompy Hx; różnica jest dławiona przez grzybek GZT, bowiem opór nastawy wstępnej GZT , tak jak opór sieci przewodów (i wszystkich elementów o stałym – przy danym przepływie – oporze) zmniejszy się z
kwadratem przepływu. Tak więc, regulacja hydrauliczna instalacji przeprowadzona na przepływy obliczeniowe kryzami czy zaworami regulacyjnymi o stałym dławieniu nie spełni swego zadania w warunkach zmiennych przepływów.
W skrajnym przypadku pompa będzie pracowała przy braku przepływu (chociaż sytuacja taka wystąpić może jedynie przy zbyt wysokiej temperaturze zasilania, bowiem wtedy wszystkie zawory termostatyczne będą zamknięte), co spowoduje jej przegrzanie, (w pompach z
„mokrym” wirnikiem silnika ciepło wynikające z pracy pompy jest odprowadzane przez
przetłaczane medium) i ew. awaryjne wyłączenie. Problemy te rozwiązuje się przez
zastosowanie zaworu nadmiarowego (upustowego) albo przy samej pompie, albo na spięciu zasilania i powrotu na końcówkach przewodów rozdzielczych.
Skutki dławienia przepływu przez GZT.
Przy zmniejszeniu przepływu wskutek oddziaływania zaworów termostatycznych rośnie różnica ciśnień dławiona przez silnie przymknięty grzybek zaworu, bowiem rośnie wysokość podnoszenia (ciśnienie) pompy wirowej, zgodnie z jej charakterystyką a maleją opory hydrauliczne instalacji.
Powoduje to powstawanie szumów (a w skrajnych przypadkach gwizdu),
dokuczliwego dla użytkownika i szkodliwego dla zaworu.
Problemy termomodernizacji:
1. Zmiana krzywych centralnej regulacji jakościowej po dociepleniu budynku (mniejsze straty ciepła ale te same grzejniki). Czy wymienić pompę obiegową?
2. Czy (i gdzie – na obejściu pompy czy na końcówkach przewodów rozdzielczych) instalować zawory nadmiarowe (upustowe)?
2. Wodne kotły centralnego ogrzewania.
Podział wodnych kotłów centralnego ogrzewania.
1. Według zastosowanego materiału: żeliwne członowe, stalowe.
Zaletami kotłów żeliwnych są: większa (niż stalowych) odporność na korozję, możliwość montażu kotła w kotłowni (nie trzeba przewidywać odpowiednio dużych otworów
montażowych) i możliwość zwiększenia mocy kotła przez dołożenie dalszych członów.
Kocioł żeliwny (Vitorond, Viessmann) z palnikiem
nadmuchowym na olej lub gaz.
Człony ustawiane pionowo.
Widoczne kały wodne (większe) i spalinowe. Spaliny płyną komorą spalania ku tyłowi, zawracają widocznymi kanałami w członach ku przodowi i ponownie płyną ku tyłowi. Zarówno w komorze spalania jak i w kanałach spalinowych widoczne bogate żebrowanie. Po zmontowaniu człony mocowane są ściągami (widoczny po lewej, u dołu), izolowane i osłanianie obudową z blachy stalowej.
V H
Vn
Vx
Hx
Hn
Hs,x
Łączenie członów po stronie wody bez uszczelki – uszczelnienie typu „metal na metal” dzięki obustronnemu stożkowi złączki i odpowiedniemu kształtowi elementów członów. Połączenia po stronie spalin uszczelniane są kitem kotłowym
Kotły stalowe dzielą się na
kotły płomieniówkowe, w których spaliny płyną przez pęki rurek (płomieniówek). Jest to najczęstsza konstrukcja kotłów grzewczych trójciągowych: pierwszy ciąg stanowi komora spalania, następnie spaliny płyną drugim ciągiem płomieniówek ku przodowi i trzeci ku tyłowi. Moce jednostkowe takich kotłów sięgają 10 – 15 MW (patrz rys. niżej, kocioł Vitoplex 100);
kotły płomienicowe, w których spaliny przepływają przez pofałdowaną rurę o dużej średnicy (w jej przedniej części znajduje się palenisko). Są to kotły parowe wysokoprężne;
kotły wodnorurkowe (opłomkowe), w których woda przepływa przez pęki rurek stanowiące ekranowanie komory spalania. Tak są konstruowane duże kotły wodne ciepłownicze oraz parowe wysokoprężne kotły przemysłowe i energetyczne.
2. Według temperatury : niskotemperaturowe (do 100°C), średniotemperaturowe (do 115°C), wysokotemperaturowe (powyżej 115°C).
Uwaga 1: na polskim rynku znajduje się bardzo dużo kotłów niemieckich, gdzie podział jest inny. Niemieckie określenie kocioł niskotemperaturowy oznacza kocioł, który może być eksploatowany przy zmiennej temperaturze wody kotłowej, w zasadzie nie wyższej niż 75°C (z możliwością pracy przy podwyższonych temperaturach wody). W zależności od
temperatury zewnętrznej, temperatura ta może wynosić 40°C lub mniej bez szkody dla kotła na skutek wykraplania się pary wodnej w spalinach. Odrębną grupę stanowią kotły
kondensacyjne (kondensujące) w których następuje schłodzenie spalin poniżej temperatury punktu rosy i wykroplenie zawartej w nich pary wodnej oddającej swoje ciepło skraplania.
Ponieważ w większości urządzeń, w których są spalane paliwa chemiczne, woda ze spalania wodoru jest wydalana z resztą spalin w postaci pary, dlatego do określenia sprawności kotła przyjmuje się wartość opałową paliwa a nie wyższe od niej o ciepło skraplania pary wodnej zawartej w spalinach ciepło spalania. Dlatego też kotły kondensacyjne mogą mieć sprawność znormalizowaną powyżej 100%. Pamiętać jednak należy, że warunkiem kondensacji pary wodnej w spalinach jest odpowiednio niska temperatura powrotu przez cały okres sezonu grzewczego, co oznacza współpracę kotła z ogrzewaniem o niskich parametrach
obliczeniowych (nie wyżej niż 55/45°C), czyli np. z ogrzewaniem podłogowym. Jeżeli zastosuje się kocioł kondensacyjny współpracujący z najczęściej stosowanym w Polsce ogrzewaniem o parametrach obliczeniowych 90/70°C, to przez dużą część sezonu grzewczego nie będzie zachodziła w nim kondensacja pary wodnej w spalinach i kocioł będzie działał jak zwykły kocioł, ale ze sprawnością niższą o ponad 10% (dla gazu ziemnego), a pamiętać
trzeba, że kocioł kondensacyjny jest droższy od zwykłego. Ze względu na kwaśny odczyn spalin kotły te muszą być wykonane w specjalny sposób i z użyciem stali kwasoodpornej, emaliowania powierzchni itp., co podnosi ich koszt.
Uwaga 2: w przypadku kotłów niemieckich należy zwrócić uwagę na maksymalne temperatury pracy. Temperatura progowa (albo maksymalna temperatura zasilania,
temperatura zabezpieczenia, dopuszczalna temp. wody zasilające, itp.) oznacza temperaturę, na którą jest nastawiony zaplombowany termostat awaryjny – po jej osiągnięciu następuje awaryjne wyłączenia palnika (olej/gaz). Natomiast maksymalna temperatura zasilania c.o.
(normalnej pracy) jest niższa z reguły o 15°C. Ponieważ brak tu jednoznacznej terminologii polskiej, zawsze należy upewnić się u dostawcy kotła jaka może być maksymalna temperatura robocza (normalnej pracy kotła).
Kocioł kondesacyjny Vitocrossal 300 (80-575 kW) – Viesmann.
Dwa króćce wody powrotnej.
Powierzchnie ogrzewalne ze stali nierdzewnej.
Przy temperaturze powrotu 30°C, temperatura spalin wynosi 35 – 45°C, zatem wymagane jest nadciśnienie na wlocie spalin z kotła i odpowiednio szczelne wykonanie całej instalacji spalinowej.
Kondensat (skropliny) pary wodnej zawartej w spalinach ma odczyn kwaśny i musi być zneutralizowane przed
odprowadzeniem do kanalizacji.
Kocioł taki podłączony do instalacji c.o.
np. 90/70°C, wskutek wysokiej
temperatury powrotu przez część sezonu grzewczego, będzie miał w tym okresie niższą sprawność znormalizowaną (np.
96% zamiast 109%).
3. Według rodzaju paliwa: kotły na paliwo stałe (kotły żeliwne – na koks), gazowe, olejowe (do ogrzewania można stosować tylko specjalny olej opałowy ekstra lekki) oraz na energię elektryczną. Są także kotły wielopaliwowe (np. z osobnym paleniskiem na paliwo stałe i osobnym dla palnika gazowego czy olejowego) oraz przestawialne na różne rodzaje paliwa (np. po wymontowaniu lub osłonięciu rusztu montuje się palni olejowy/gazowy). Dostępne na rynku kotły c.o. średniej i dużej mocy (oprócz gazowych kotłów z palnikiem
atmosferycznym) są kotłami przystosowanymi do gazowych i olejowych palników nadmuchowych (wentylatorowych), które mają standardowe połączenie z kotłem.
4. Małe kotły domowe o mocach 7...25 kW (granice orientacyjne) na paliwa stałe, płynne i gazowe o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, zarówno żeliwne jak i stalowe.
3. Kondensacja pary wodnej zawartej w spalinach.
W zwykłych kotłach na paliwo płynne i gazowe (zwłaszcza w przypadku paliw płynnych zawierających siarkę), skropliny o kwaśnym odczynie będą powodowały intensywną korozję i szybkie niszczenie kotła. (Problem ten nie występuje przy spalaniu paliw stałych , lecz przy spalaniu paliw węglowodorowych – oleju i gazu). Dla uniknięcia kondensacji pary wodnej stosowane są różne rozwiązania.
a) Prowadzenie ruchu kotła przy stałych lub zmiennych, ale odpowiednio wysokich
parametrach, tak aby temperatura powrotu była zawsze wyższa od temperatury punktu rosy.
Ponieważ ogrzewanie wymaga zmiennych temperatur zasilania w funkcji temperatury zewnętrznej, więc zachodzi konieczność obniżenia temperatury wody wychodzącej z kotła poprzez domieszanie wody powrotnej („podmieszanie zimne”).
b) Podniesienie temperatury powrotu przez domieszanie wody zasilającej („podmieszanie gorące”). Rozwiązanie takie jest konieczne w przypadku zwykłych kotłów, nieodpornych na korozję. Hydraulicznie układ może być rozwiązany z pompą podmieszania gorącego osobną dla każdego kotła, wspólną dla wszystkich kotłów albo z t.zw. zwrotnicą hydrauliczną (sprzęgłem hydraulicznym, rozdzielaczem hydraulicznym).
c) Wykonanie kotła stalowego jako „dwuobiegowego”: obieg pierwotny, o małej pojemności wodnej, z temperaturami powyżej punktu rosy otacza komorę spalania; obieg wtórny dla instalacji ogrzewania. Dzięki małej pojemności wodnej obiegu pierwotnego możliwe jest bardzo szybkie nagrzanie kotła ze stanu zimnego. Czasem oba obiegi połączone są przez zawór termostatyczny, otwierający się dopiero po uzyskaniu odpowiedniej temperatury w obiegu pierwotnym. Podobnym, ale częściowym, rozwiązaniem problemu jest zastosowanie blachy kierującej zimniejszą wodę powrotną ku najcieplejszej części kotła – komorze spalania.
Kocioł stalowy płomieniówkowy, trójciągowy, (Vitoplex 100, Viessmann) do współpracy z palnikiem nadmuchowym
(wentylatorowym) na gaz lub olej.
Spaliny płyną ku tyłowi (1. ciąg, komora spalania o dużej średnicy), zawracają ku przodowi (2. ciąg, tutaj dwie większe rury) i z komory nawrotnej płyną pękiem płomieniówek ku tyłowi, do dymnicy (rury spalinowej) i komina. W płomieniówkach – spiralne turbulizatory spalin.
Nad płomieniówkami – specjalna blacha kierująca wodę powrotną ku dolnej części kotła, w rejon wyższych temperatur spalin.
W kotłach na paliwo stałe komora spalania ) posiada ruszt, a z przodu są drzwiczki zasypowe i
popielnikowe.
d) Zwiększenie oporu cieplnego rurki przez którą przepływają spaliny, wykonując ją z
ożebrowaniem albo jako dwu lub trójwarstwową (np. Paromat Triplex, Viessmann), podobnie jak zastosowanie w wilgotnym pomieszczeniu zamiast okna jednoszybowgo, okna
trójszybowego spowoduje brak wykraplania się pary wodnej od wewnątrz na szybie.
Poniżej inne rozwiązanie turbulizatorów wewnątrz płomieniówek, w postaci prętów. Rury trójwarstwowe Triplex (Viessmann) dla zwiększenia oporu cieplnego a zatem podniesienia temperatury ścianki od strony spalin powyżej punkty rosy spalin.
e) Zastosowanie takiego układu regulacji, który w przypadku stwierdzenia zbyt niskiej temperatury powrotu zmniejsza przepływ a więc i dostawę ciepła do odbiorników. Ponieważ palnik pracuje z pełną mocą, więc następuje szybkie podgrzanie wody w kotle i przejście powyżej temperatury punktu rosy a układ powraca do trybu normalnej pracy.
f) Odrębnym problemem są kotły żeliwne, ze względu na konstrukcję i małą pojemność wodną.. Przykładem rozwiązania problemu są kotły w technologii Ecostream firmy Buderus, bazujące na zaprojektowanej komputerowo strukturze powierzchni grzejnych (system
Thermostream), w których woda powrotna miesza się z zasilającą w górnych piastach członów żeliwnych kotła i dopływa już podgrzana do tej części kotła, w której spaliny mają niższą temperaturę.
4. Wspólne źródło ciepła dla c.o. i ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).
W układzie takim temperatura wody wychodzącej z kotła nie może być niższa od 60 - 65°C, jeżeli chcemy uzyskać ciepłą wodę o temperaturze 50 - 55°C, to nie można zejść zbyt nisko z temperaturą zasilania z kotła i konieczne jest (okresowe) podmieszanie zimne dla obiegu c.o.
Ponadto rozbiór ciepłej wody w zasadniczy sposób różni się charakterem oraz rozkładem dobowym i tygodniowym od zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie. Możliwe są tu różne rozwiązania.
a) W domkach jednorodzinnych można zastosować nieduże wiszące lub stojące kotły gazowe bez zasobnika (podgrzewacza) ciepłej wody ale z t.zw. pełnym priorytetem ciepłej wody użytkowej. Kocioł taki posiada płytowy, wysokosprawny wymiennik i w chwili poboru ciepłej wody następuje odcięcie obiegu ogrzewania, a więc cała moc palnika służy do podgrzania ciepłej wody. Układ taki zajmuje bardzo mało miejsca, ale oczywiście nie może być stosowany w domu wielorodzinnym.
b) Układ z wymiennikiem ciepła i zasobnikiem lub z podgrzewaczem pojemnościowym („bojlerem”).
Producenci kotłów dostarczają gotowe zestawy, w których podgrzewacz (lub tylko zasobnik) pojemnościowy stanowi część zestawu kotłowego (pod lub nad kotłem) albo jest wolnostojący. Podgrzewacze
objętościowe są także produkowane jako urządzenia autonomiczne.
Domowy kocioł z pojemnościowym
podgrzewaczem c.w.u. stojącym pod kotłem lub obok kotła (Viessmann).
c) W przypadku większej liczby mieszkańców i centralnego zaopatrzenia w c.w.u. zachodzi zawsze konieczność zaprojektowania baterii zasobników (lub podgrzewaczy).
W rozwiązaniach b) i c) należy odpowiednio zaprogramować układ regulacyjny, tak, aby nie doszło do nadmiernego obniżenia temperatury c.w.u. w przypadku długotrwałych poborów. Najczęściej stosuje się rodzaj „ograniczonego priorytetu c.w.u.”, ale pamiętać należy, że układ c.o. + c.w.u. musi być zaprojektowany kompleksowo, ze staranną analizą rozwiązania c.w.u.
Problemy termomodernizacji.
1. Czy dobierać jeden kocioł większy czy dwa mniejsze? Jak się kształtuje sprawność kotła w funkcji obciążenia?
2. Jakie będzie obciążenie letnie kotła? (jeżeli tylko c.w.u.?)
3. Zastosowanie kotła kondensacyjnego i konieczność jego współpracy z instalacją niskotemperaturową (np. 55/55°C). Problem słabego ciągu kominowego. Problem neutralizacji skroplin. Problemy termomodernizacji.
4. Olej czy gaz? A może gaz płynny (ale: problemy z zagłębieniem kotłowni – m.in.
wentylacja).
5. Ostre wymagania odnośnie warunków magazynowania oleju.
5. Sprawność kotłów grzewczych.
Nowe kotły grzewcze (w przypadku braku danych dla starszych kotłów - patrz część 6) powinny mieć dostępne charakterystyki sprawności w funkcji obciążenia kotła. Dla kotłów opalanych paliwami ciekłymi lub gazowymi, których użyteczna moc nominalna jest nie mniejsza niż 4 kW i nie większa niż 400 kW parametry te wynikają z poniższego rozporządzenia:
Przykładowe efektywności dla kotłów o mocy 100 kW i 400 kW:
Efektywność dla użytecznej mocy
nominalnej (Pn) wyrażonej w k W Efektywność przy obciążeniu częściowym 0,3 Pn
100 kW 400 kW 100 kW 400 kW
Kotły standardowe ≥88,0 ≥89,2 ≥86,0 ≥87,8
Kotły niskotemperaturowe ≥90,5 ≥91,4 ≥90,5 ≥91,4
Kotły kondensacyjne ≥93,0 ≥93,6 ≥99,0 ≥99,6
Jak widać, nowe kotły gazowe i olejowe do 400 kW mają w zakresie obciążenia 30 - 100%
bardzo mało zmienną sprawność. Natomiast w przypadku małych obciążeń w lecie (np. 1 kocioł dobrany na potrzeby c.o. i c.w., w lecie pracujący tylko na potrzeby c.w., z
obciążeniem 15-25%) sprawności kotła przy małych obciążeniach mogą gwałtownie maleć obniżając sprawność średnią roczną.
5. Kotłownia.
Przepisy dotyczące projektowania kotłowni wbudowanych i dobudowanych, o łącznej mocy cieplnej kotłów nie przekraczającej 2000 kW, dla kotłów wodnych do 100 °C, zawarte są w normach:
PN-87/B-02411 – kotłownie na paliwa stałe,
PN-B-02431-1:1999 - kotłownie na paliwa gazowe o gęstości względnej mniejszej niż 1.
Obecnie nie ma Polskiej Normy ani pełnych, jednoznacznych przepisów dotyczących projektowania kotłowni olejowych i magazynowania olejów opałowych ekstralekkich (jedynych dopuszczonych do kotłowni grzewczych); projektanci opierają się m.in. na
ogólnych przepisach ( Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12.04.2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690, z późniejszymi zmianami) i wytycznych literaturowych. Podobnie jest przy projektowaniu kotłowni na paliwa gazowe cięższe od powietrza (np. propan-butan).
Norma PN-B-02431-1:1999 nakazuje wykonanie w kotłowni studzienki schładzającej o pojemności wodnej największego zainstalowanego kotła.
6. Komin.
Przy paliwach stałych stosuje się przede wszystkim kominy murowane. W przypadku paliw płynnych i gazowych, gdzie występuje możliwość kondensacji pary wodnej w spalinach, stosuje się kominy ze stali odpornej na korozję, z odpowiednich tworzyw sztucznych lub ze specjalnych kształtek ceramicznych, odrębne dla każdego kotła z palnikiem nadmuchowym.
Kotły z palnikiem gazowym atmosferycznym mają t.zw. przerywacz ciągu i mogą być łączone wspólną dymnicą ze wspólnym przerywaczem ciągu do jednego komina. Jeżeli komin jest projektowany jako zewnętrzny, to powinien być szczególnie dobrze zaizolowany (np. komin stalowy dwuścienny z izolacją pomiędzy ściankami). Powstające skropliny mają odczyn kwaśny i wg przepisów niemieckich mogą być odprowadzane do kanalizacji (pod pewnymi warunkami) tylko w przypadku małych kotłów, a w przypadku większych kotłów – skropliny muszą być neutralizowane.
Komin wytwarza ciąg kominowy, powodujący przepływ spalin. W przypadku kotłów o ciągu naturalnym (paliwa stałe, gazowe kotły atmosferyczne), ciąg pokonuje opory kotła, dymnicy i opory własne komina . W przypadku kotłów z palnikiem nadmuchowym, dmuchawa palnika pokonuje opory kotła (musi być tak wyregulowana, aby za kotłem na dymnicy nie było nadciśnienia) a komin – tylko opory własne. Tak więc projektowanie przekroju komina musi uwzględniać wiele różnych parametrów i należy je przeprowadzać bardzo starannie.
Szczególną uwagę należy zwrócić na projektowanie komina dla kotła kondensacyjnego, bowiem spaliny mają tu niską temperaturę i ciąg kominowy jest bardzo słaby.
Indywidualne koncentryczne przewody powietrzno-spalinowe lub oddzielne przewody powietrzne i spalinowe od urządzeń gazowych z zamkniętą komorą spalania - patrz § 175 Rozporz. M.I. w sprawie warunków technicznych ((Dz.U. nr 109 z 2004r. poz.1156 z późn.
zmianami).
