Izbira ogrevalnega sistema (kotlov) pri novogradnji in adaptaciji hiš

Centralno ogrevanje

Pri centralnem ogrevanju se potrebna toplota za ogrevanje prostorov pripravlja na enem mestu v zgradbi. Če ogrevamo eno etažo govorimo o etažnem ogrevanju. Načrtovanje ogrevalnega sistema moramo prepustiti ustreznemu strokovnjaku – projektantu, ki bo upošteval naše želje, konstrukcijske značilnosti hiše, klimatske razmere, razpoložljive vire energije ter veljavno zakonodajo.

Viri energije

Kot vir energije lahko v sistemih za centralno ogrevanje uporabimo različna fosilna goriva: premog, ekstra lahko kurilno olje (EL) zemeljski (ZP) in tekoči naftni plin (UNP), les in lesno biomaso ter obnovljive vire. Pri izbiri goriva je poleg njegove cene pomembna še zanesljiva oskrba, cenovna konkurenčnost in tudi vpliv uporabe posameznega goriva na okolje. Energente označujemo glede na količino toplote, ki jo vsebujejo. Tako z izrazom kurilnost H_i označujemo tisti količino toplote, ki jo dobimo z zgorevanjem goriva, če dimne pline ohlajamo samo do temperature rosišča vodne pare, ki jo vsebujejo dimni plini. V tabeli št.1 so prikazane energijsko - toplotne vrednosti nekaterih goriv.

Tabela 1:Energijsko toplotne vrednosti nekaterih goriv

Gorivo	Enota	Gostota	Kurilnost ( Hi)
	-	kg/m3	kWh/kg	kWh/enoto
EL kurilno olje	liter	830	12	10
Zemeljski plin	Nm3	0,7	13,5	9,5
UNP (propan/butan)	kg	2	12,8	12,8
Črni premog	kg	750	7	7
Rjavi premog	kg	650	3,9	3,8
Lignit	kg	550	3,1	3,1
Bukov les	pm	570	4,2	2410
Smrekov les	pm	360	4,2	1520

Efektivno koriščenje toplote

Vrste kotlov

Glede na temperaturni način obratovanja ločimo visokotemperaturne in nizkotemperaturne kotle.

a) Klasični toplovodni kotli

Klasični toplovodni kotli obratujejo v visokotemperaturnih ogrevalnih režimih oziroma sistemih (90/70 °C, 85/65 °C). Temperatura grelne vode v kotlu je navzdol omejena s temperaturo kondenzacije. Potrebna je regulacija temperature dovoda v ogrevalnem sistemu, kar omogoča mešalni ventil, ki primešava ohlajeno vodo iz povratka. Med klasične kotle prištevamo kotle s temperaturo predtoka 90 °C in temperaturo povratka 70 °C, ki imajo temperaturo izstopnih dimnih plinov ne višjo od 240 °C in nižjo od 160 °C. Osnovni vzrok tako visokih temperatur vode v kotlu in dimnih plinov je preprečevanje nizkotemperaturne korozije, do katere pride, če se dimni plini ohladijo pod točko rosišča. Uporaba teh kotlov se zadnje čase precej opušča, zamenjujejo jih nizkotemperaturni in kondenzaciski kotli, ki so odporni na nizkotemperaturno korozijo. Izkoristki klasičnih kotlov pri nazivni moči znašajo 75 % do 85 %, kar je odvisno od vrste goriva. Izkoristek ogrevalnega sistema pri avtomatski regulaciji ogrevanja in brez priprave vode pri teh kotlih znaša od 70 do 75 % in tudi manj.

b) Nizkotemperaturni kotli

Sama izvedba nizkotemperaturnih kotlov je lahko:
• NT - kotli brez določene spodnje meje temperature vode v kotlu
• NT - kotli z določeno spodnjo temperaturo 40 °C, do katere je dovoljena drsna regulacija temperature ogrevalne vode
• NT - kotli z določeno spodnjo temperaturo 50 °C, do katere je dovoljena drsna regulacija temperature ogrevalne vode

c) Kondenzacijski kotli

Kondenzacijski kotli poleg toplote dimnih plinov (senzibilna toplota) izkoriščajo tudi tisti del toplote, ki se pri zgorevanju goriva pretvori v kondenzacijsko toploto vodne pare (latentna toplota). Ta del se pri klasičnih kotlih ne izkoristi, temveč se preko dimnika odvaja v okolico. Obratujejo z drsečo regulacijo temperature ogrevalne vode v odvisnosti od zunanje temperature.
Pri kondenzacijskih kotlih vodna para dimnih plinov kondenzira na relativno hladnih površinah toplotnega prenosnika in pri tem odda kondenzacijsko toploto grelni vodi. V splošnem se podatki za izkoristek vseh vrst kotlov nanašajo na spodnjo kurilno vrednost goriva H_i.
Če torej želimo ohraniti primerljivost podatkov s klasičnimi kotli, moramo to predpostavko upoštevati tudi pri kondenzacijskih kotlih. Zato izkoristek preko 100 % pri kondenzazijskih kotlih pomeni dejansko nazaj preračunana vrednost na dogovorjeno izhodišče H_i, ki predstavlja 100 % izkoristek. V osnovi je torej kondenzazijski kotel podoben klasičnemu, ki ima na izhodu vgrajen dodatni toplotni prenosnik.
Pri kondenzacijskih kotlih je pomemben vpliv temperature povratne vode. Delež kondenzacijske toplote, ki jo lahko izkoristimo, je prvenstveno odvisen od temperature povratne vode iz ogrevalnega sistema. Nižja je ta temperatura, več kondenzacijske toplote lahko izkoristimo. Na sliki št.2 je pokazan potek ogrevalne karakteristike v odvisnosti od zunanje temperature. Ploskev pod krivuljo predstavlja obratovanje ogrevalne naprave v času kurilne sezone. Razvidno je, da se temperatura povratka približno 96 % celotnega časa obratovanja naprave nahaja pod mejo kondenzacije vodne pare v dimnih plinih. Še boljše je obratovanje pod mejo kondenzacije, ko je tudi predtok pod mejo kondenzacije (na primer režim 40/30 °C). Nižje površinske temperature grelnih teles tako ne pomenijo samo prihranka pri energiji, temveč tudi več ugodja za stanovalce.

[Slika 2:Ogrevalna karakteristika]

Vpliv temperature sistema na efektivno koriščenje kondenzacijske toplote je razvidno na diagramu - slika 3.

[Slika 3:Vpliv temperature sistema na učinkovitost kondenzacije]

Optimalna izkoriščenost kondenzacijske tehnike

Čeprav so naprave dimenzionirane na režim 90/70 °C, obstaja možnost kondenzacije. To pomeni, da še vedno koristijo kondenzacijsko toploto v približno 80 % kurilnega časa, kakor hitro zunanja temperatura ne preseže – 2 °C.
Diagrame na sliki 5 in 6, ki prikazujejo vpliv temperature ogrevalnega sistema na kondenzacijo lahko tudi poenostavimo, kar je za različne ogrevalne režime prikazano na sliki 10.

[Slika 10: Vpliv temperature ogrevalnega sistema na kondenzacijo]

Kondenzacijske kotle izdelujejo danes v različnih izvedbah in različnih moči. Lahko jih namestimo v kleteh, stanovanju ali tudi na podstrešju. Do priključne moči 50 kW ne potrebujejo posebne kurilnice.

[Slika 14: Vgradnja kondenzacijskega kotla za visokotemperaturne in nizkotemperaturne krogotoke]

Toplotna moč in izkoristek kotla

Pri izbiri kotla je pomembno, da so toplotne izgube zaradi pripravljenosti kotla za obratovanje in izgube dimnih plinov čim manjše. Kotli obratujejo v zelo spremenljivih pogojih, zato ne smemo pri ocenjevanju kakovosti kotla upoštevati samo izkoristka naprave pri nazivni moči. Pomemben je letni izkoristek, ker imajo kotli pri zmanjšani obremenitvi tudi nižji izkoristek. Izbrati moramo takšen kotel, ki imajo nazivno moč čim bližje realnim obratovalnim razmeram.
Kotel za centralno ogrevanje skozi ogrevalno sezono ne deluje ves čas s polno nazivno močjo, zato je letni obratovalni izkoristek nižji od nazivnega, kar je prikazano v tabeli 3.
Glede na vrsto goriva, ločimo kotle na trdna, tekoča in plinasta goriva. Kotle, v katerih zgoreva samo ena vrsta goriva imenujemo specialni kotli in imajo velike energijske izkoristke. Kombinirani kotli na dve ali več vrst goriv so tehnološko zastareli in imajo tudi nizek energijski izkoristek.
Pri zamenjavi tehnološko zastarelega kotla z nizkotemperaturnim kotlom lahko prihranek energije izračunamo po enačbi:
∆_Energije = 1 - η_star /η _nov

η _star -letni obratovalni izkoristek starega kotla
η _nov - letni obratovalni izkoristek novega kotla

Tabela 3:Izkoristek kotla glede na tip in vrsto goriva

Energent	Vrsta kotla	Izkoristek kotla (ηk)	Letni izk. kotl. pri avt. reg. (ocenjeni)
	Starejše izvedbe kotlov	65 do 70%	60 do 65%
Trdna goriva	Kombinirani kotli na tekoče gorivo	70 do 75%	65 do 70%
kurilno olje, plin	specialni kotli	86 - 90%	80 - 85%
kurilno olje, plin	nizkotemp. kotli	90 - 95%	85 - 90%
kurilno olje, plin	kondenzacijski kotli	100 - 109%	95 - 100%
biomasa	kotli na les. sekance	85 - 90%	75 - 80%

* letni ocenjeni izkoristki veljajo ogrevalni sistem brez priprave tople sanitarne vode

Izkoristek ogrevalnega sistema dobimo tako, da upoštevamo poleg izkoristka kotla tudi izkoristek cevnega omrežja in izkoristek regulacijskega sistema.

Izrazimo ga z enačbo:
η _os = η _k . η _c . η _r

η _k .- izkoristek kotla (odvisen od vrste energenta in vrste kotla)
η _c - izkoristek cevne mreže (od 95 do 98 %, odvisen od velikosti in izolacije)
η _r - izkoristek regulacijskega sistema (ročna: 85 %, centralna: 85 do 95 %)

Izkoristek kurilne naprave opisuje dejansko trenutno stanje, ki je izmerjeno v laboratoriju.
Letni izkoristek dobimo, če v kurilni sezoni poleg izkoristka kotla upoštevamo še število obratovalnih ur gorilnika in izgube zaradi pripravljenosti kotla.

Letni izkoristek določimo z naslednjo enačbo:
η _letni = η _k/(b _a /b _vk - 1) . q _b + 1

V enačbi pomenijo:
η _k - izkoristek kotla
b _vk - število obratovalnih ur gorilnika
b _a - število kurilnih dni v urah
b _q - izgube zaradi pripravljenosti kotla (čas delov. gorilnika/čas ponovnega zagona)

Za označevanje energijske učinkovitosti naprave je nemški standard DIN 4702 uvedel normni izkoristek.
Pri izračunu letnega izkoristka kotla (VDI 2067) je upoštevan dejansko izkoristek kotla (η_k) pri nazivni (100 %) obremenitvi in ne njegova sprememba pri delni obremenitvi. Zaradi tega se DIN 4702 del 8 pri kotlih navaja še tako imenovani normni izkoristek (η_k), ki se izračuna iz razmerja med letno porabljeno toploto (Q _H) in letno pridobljeno toploto kotla (Q _H) pri delni obremenitvi.
Diagram na sliki št. 15 prikazuje normni izkoristek sodobnega kondenzacijskega kotla in normni izkoristek NT kotla pri različnih temperaturnih režimih.
[Slika 15: Prikaz izkoristkov pri različnih ogrevalnih sistemih]
Visoki normni izkoristki plinskih kondenzacijskih kotlov so posledica vzdrževanja visoke vsebnost CO₂ v dimnih plinih in vzdrževanja visoke temperature povratka. Čim višja je torej vsebnost CO₂, tem višje je rosišče vodne pare v dimnih plinih. Nadalje velja, čim nižja je temperatura povratka, tem večja je stopnja kondenzacije ter je s tem tudi nižja temperatura dimnih plinov.

Cevni razvod in grelna telesa

a) Cevni razvod

Cevni razvod ogrevalne vode, ki poteka od kotla do ogreval v posameznih prostorih, mora biti čim krajši, da so tako tudi toplotne izgube čim manjše. Cevovodi, ki potekajo po neogrevanih prostorih, morajo biti toplotno izolirani. Ločimo enocevne in dvocevne sisteme. Cevni razvodi so lahko vidni ali v nevidni izvedbi. Pri novogradnjah je možna vgradnja v tlake in stene. Kot material za cevi uporabljamo jeklo, baker, umetne materale in kombinacijo različnih materialov.
Pri dvocevnih sistemih sta dovod in odvod grelne vode ločena, ogrevala so v sistemu vezana vzporedno. Temperatura dovoda je za vsa ogrevala v zaključenem sistemu enaka. Izvedba dvocevnega sistema je lahko z spodnjim in zgornjim razvodom.
Pri enocevnih sistemih so ogrevala v veji oziroma zanki vezana zaporedno. To pomeni, da v vsako naslednje ogrevalo prihaja delno ohlajena voda. Enako oddajo toplote v dveh prostorih je možno doseči samo z povečanjem površine zaporedno vezanega ogrevala.

b) Ogrevala

Pri visokotemperaturnih sistemih se toplota oddaja s pomočjo konvekcije in sevanjem, kar velja za klasično radiatorsko ogrevanje.
Pri nizkotemeraturnih sistemih se toplota oddaja s pomočjo konvekcije (konvektorji) ali s pomočjo sevanja (talno, stensko, stropno ogrevanje).
Tudi pri nizkotemperaturnem ogrevanju lahko vgradimo vse vrste radiatorjev in konvektorjev, ki pa jih moramo dimenzionirati na vstopno temperaturo vode 50 do 55 °C oziroma največ 75 °C. Površine radiatorjev morajo biti večje kot pri običajnih sistemih ogrevanja s temperaturo 90/70 °C, da bi dosegli enak toplotni učinek. Pri sistemu 50/40°C je lahko to povečanje tudi do trikratno. V primeru uporabe talnih in stenskih ogreval, te dimenzioniramo na vstopno temperaturo 40 do 45 °C
Radiatorsko ogrevanje ima v primerjavi s površinskimi ogrevanji določene slabosti (neugoden temperaturni profil, poveča cirkulacija prahu v prostoru, suh zrak v prostoru, oddaja toplote zaradi zaslanjanja z zavesami in pohištvom je zmanjšana) zato so primernejši drugi nizkotemperaturni sistemi. Tako je konvektorsko ogrevanje primerno za klasični režim ogrevanja 90/70 °C, manj primerno pa je za nizkotemperaturni režim. Za nizkotemperaturni režim je najprimernejše ploskovno ogrevanje, med katere prištevamo talno, stropno in stensko.
Za ploskovna ogrevanja je značilno, da večino toplote oddajo s sevanjem, medtem ko je za radiatorsko in konvektorsko ogrevanje velja, da se večina toplote odda z konvekcijo. Za ploskovna ogrevanja rabimo sorazmerno veliko proste površine, primerna so tudi za obnovljive vire, kot je sonce, toplota okolice (toplotne črpalke) itd. Tudi psihološki učinek zaradi sevanja tople površine je za človeka ugoden, temperatura zraka je lahko nižja in s tem nižja poraba toplotne energije za ogrevanje.

Regulacija sistema

Pod osnovno regulacijo ogrevalnega sistema razumemo regulacijo grelne vode v kotlu. S pravilnim izbranim načinom centralne avtomatske regulacije in njeno pravilno uporabo ter lokalno regulacijo lahko dosežemo skupne prihranke pri rabi energije tudi do 30% v primerjavi z nereguliranimi ali slabo reguliranimi sistemi centralnega ogrevanja.
Sodobni sistemi za regulacijo ogrevanja ter pripravo vode s pomočjo kotla so običajno združeni v eni regulacijski enoti. Takšna enota vsebuje programe časovnega delovanja sistema, shranjuje podatke o nastavljenih ogrevalnih krivuljah, krmili vhodne krmilne elemente za signale temperaturnih tipal ter izhodne krmilne elemente za izvajanje nastavitev delovanja izvajalskih elementov (ventilov, črpalk, gorilnika).
V centralni regulacijski enoti so vgrajene neštete osnovne funkcije. Poleg njih je možno dograditi še tudi dodatne funkcije (kontrola obtočnih črpalk, vklop tedenskih in vikend programov, itd). Nočno znižanje temperature in prekinitev ogrevanja lahko prav tako nastavimo v regulacijski krmilni napravi. Ko znižamo temperaturo ogrevalne vode, znižamo tudi temperaturo v prostoru ponoči za nekaj stopinj. Znižanje temperature v prostoru za 1 °C, pomeni prihranek energije 5 do 7%. Prihranki zaradi prekinitev ogrevanja oziroma nočnega znižanja temperature ogrevne vode znašajo pri lahki gradnji do 10%, pri masivni gradnji so manjši. Večja kot je akumulacijska sposobnost in manjše kot so izgube skozi ovoj, manjši so prihranki zaradi prekinitev.

V ogrevalnem sistemu vzdržujemo temperaturo ogrevalnega medija na tri načine:
• Prvi način je, da vzdržujemo stalno temperaturo vode v kotlu, temperaturo ogrevalnega medija pa zagotovimo v odvisnosti od zunanje temperature ali temperature zraka v prostoru s kontroliranim primešavanjem hladnejše povratne vode z uporabo mešalnega ventila s toplejšo dovodno vodo. Oba sistema (regulacija dovoda v odvisnosti od zunanje temperature zraka in regulacija dovoda v odvisnosti od temperature v prostoru ) se uporablja pri klasičnih toplovodnih kotlih, ki imajo omejitev spodnje temperatura vode (> 65 °C). Za vzdrževanje stalne temperature vode v kotlu potrebujemo dodaten regulacijski krog, ki vzdržuje temperaturo vode s kontrolo delovanja gorilnika.
• Možen je tudi takšen sistem regulacije, kjer vršimo regulacijo temperature dovoda v odvisnosti od zunanje temperature s korekcijo glede na temperaturo zraka v prostoru. Temperaturo ogrevalnega medija v dovodu uravnava regulacijska enota z uporabo ogrevalne krivulje glede na temperaturo zunanjega zraka. Korekcija dobljene temperature poteka s pomočjo temperature zraka v referenčnem prostoru (najobičajneje dnevna soba), ki tako zagotavlja, da se ogrevalna temperatura prilagodi dejanskim potrebam zgradbe.
• Pri drugem načinu prilagajamo temperaturo vode v kotlu dejanski potrebni toploti, kar dosežemo s kontrolo delovanja gorilnika, v odvisnosti od sprememb zunanje temperature. Takšen način omogoča znatne prihranke energije, zahteva pa vgradnjo nizkotemperaturnega ali kondenzacijskega kotla.

Slabost obeh načinov je v tem, da ne moremo uravnavati temperature v posameznih prostorih. To pa nam omogoča lokalna regulacija ogrevanja, to je vgradnja ustreznih termostatskih ventilov. Lokalna regulacija brez primerne centralne regulacije ni dovolj uspešna. Z vgradnjo lokalne regulacije oziroma termostatskih ventilov prilagodimo delovanje vgrajenih ogrevalnih naprav trenutnim potrebam po toploti v nekem prostoru. Razumljivo je, da v primeru, ko imamo vgrajeno regulacijo dovoda ogrevne vode v odvisnosti od temperature v prostoru, termostatskih ventilov ne namestimo v tistem prostoru, kjer je vgrajeno prostorsko tipalo (referenčni prostor je najpogosteje dnevna soba).
Za optimalno delovanje ogrevalnega sistema je priporočljiva kombinacija centralne regulacije in lokalne regulacije. Centralna regulacija zagotavlja optimalno temperaturo vode v sistemu ogrevanja, lokalna regulacija pa zagotavlja želene temperature zraka v prostoru. Velikost prihrankov energije z vgradnjo ustreznih termostatskih ventilov znaša 10 do 15%.
Regulacija dovoda v odvisnosti od temperature v prostoru je primerna z uporabo pri etažnem ogrevanju stanovanj in jo pogosto uporabljamo v kombinaciji s plinskimi etažnimi stenskimi grelniki. Slaba stran tega načina je, da pride v primeru povečanega vpliva sonca ali notranjih virov toplote v prostoru, kjer je temperaturno tipalo, do podhlajevanja sosednjih prostorov. Takšnega načina regulacije ne smemo uporabiti pri talnem ogrevanju zaradi njegove vztrajnosti. Pri talnem ogrevanju je primerneje izbrati centralni način regulacije temperature v prostoru v odvisnosti od zunanje temperature.

Regulacijo lahko izvedemo glede na:
• spreminjanje temperaturne razlike in pretoka z uporabo tropotnega ali štiripotnega mešalnega ventila
• spreminjanje temperaturne razlike in stalen pretok
• stalna temperaturna razlika in spreminjanje pretoka

Sistem talnega ogrevanja varujemo pred visoko temperaturo z vgradnjo magnetnega ali termostatskega ventila. Ventil zapre dovod vode v sistem in izklopi obtočno črpalko, ko temperatura ogrevalnega medija preseže dovoljeno vrednost. Sistem lahko varujemo tudi s tropotnim mešalnim ventilom, ki zapre dotok vode v sistem oziroma preusmeri vodo nazaj v kotel oziroma povratek.

Kroženje ogrevalnega medija

Grelni medij lahko po ogrevalnem sistemi kroži z naravno cirkulacijo ali s pomočjo črpalke. Sistem z naravnim kroženjem potrebuje cevi večjega premera, regulacija sistema je slaba. Vgradnja obtočne črpalke na dovodni ali povratni vod omogoča prisilno kroženje grelnega medija. Zaradi preprečevanja podtlaka v sistemu je primernejša vgradnja črpalke na dovodni strani. Cevovodi so lahko manjšega premera, sistem se hitro odziva na temperaturne spremembe in omogoča boljšo regulacijo.

Varnostne naprave

Ogrevalni sistem mora biti varovan z raztezno posodo, ki prevzema raztezke ogrevne vode zaradi povišanja temperature. Pred povišanim tlakom pa je kotel varovan z varnostnim ventilom. Pri sodobnih nizkotemperaturnih kotlih je poleg gorilnika in regulacije, vključena še raztezna posoda in obtočna črpalka.
Pri kotlih na trdna goriva je kotel še dodatno varovan s termičnim varovalom, ki varuje kotel pred toplotnimi predobremenitvami. Za spremljanje delovanja ogrevalnega sistema (merjenje temperature grelne vode in tlaka) so v ogrevalni sistem nameščeni ustrezni termometri in manometri.

Dimnik

Vrsta in dimenzije dimnika so odvisne od vrste in toplotne moči kotla od vrste goriva. Pri standardnih kotlih dimnik je zadoščal klasičen zidan dimnik, katerega osnovna naloga je bila odvod dimnih plinov in zagotavljanje vleka. Drugačne razmere pa so pri nizkotemperaturnih in kondenzacijskih kotlih.
Moderne kurilne naprave z visokim izkoristkom (nad 90 odstotkov) in majhno emisijo dosegajo zelo nizke temperature dimnih plinov. Za dimovodne naprave predstavlja to večje zahteve glede tlačnih razmer in kondenzacije vlage v dimniku. Nizke temperature dimnih plinov z majhnim presežkom zraka in s tem povezanim majhnim toplotnim tokom dimnih plinov, ki ne morejo segreti tuljave nad temperaturo kondenzacije, povzročajo kondenzacijo vlage v dimniku. Če se hočemo izogniti razpadanju tuljave, mora le ta biti iz materiala, ki je odporen proti vlagi in kislini. Poleg tega pa ne sme prepuščati kondenza na površino dimnika.
Kondenzacija vlage v dimniku se pri primernem presežku zraka v dimnih plinih pojavlja pri trdnem gorivu med 20 in 40 ^oC, pri kurilnem olju približno 47 °C in pri zemeljskem plinu približno pri 56 °C. Klasičen zidan dimnik zato pri ogrevanju z nizkotemperaturnimi kotli ni primeren. Materiali dimnih tuljav morajo biti odporni na agresivni kondenzat.


Avtor: Bojan Grobovšek