Učinkovita raba kondenzacijske toplote pri ogrevalnih kotlih

*Po SIST 1011 H_i≥ 42,6 MJ/kg
 

Razmerje med zgorevalno toploto in kurilnostjo je največje pri zemeljskem plinu in zavisi od kemijsko vezanega vodika.

Uporaba zemeljskega plina v kondenzacijski tehniki ima določene prednosti pred lahkim kurilnim oljem:
• pri zemeljskem plinu je razmerje H_s/H_i večje, zato se pri kondenzaciji sprosti več toplote,
• zemeljski plin dejansko ne vsebuje žvepla, zato ni nevarnosti tvorbe žveplenih oksidov (SO₂, SO₃), ki s kondenzatom tvorijo agresivne kisline,
• temperatura rosišča zemeljskega plina je višja od temperature rosišča lahkega kurilnega olja (približno 10 °C), kar omogoča boljše koriščenje latentne toplote v času ogrevanja

Slika 1:Točka rosišča v odvisnosti od CO₂

V diagramu na sliki 1 je prikazana točka rosišča za kurilno olje in zemeljski plin v odvisnosti od presežka zraka.

Primerjava nizkotemperaturnih in kondenzacijskih kotlov

Nizkotemperaturni (NT) kotli so navadno litoželezni ali iz na korozijo odpornih zlitin. Izdelani so tako, da se srednja temperatura ogrevalnega medija, regulirana v odvisnosti od zunanje temperature, praviloma giblje med 75 in 40 °C. Kotli lahko obratujejo brez mešalnega ventila, ker se lahko z vgradnjo ustrezne regulacije temperatura ogrevane vode zvezno prilagaja potrebam ogrevalnega sistema. Prednost takšnih kotlov so višji energijski izkoristki v prehodnem obdobju. 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.
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 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. 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 na sliki 3.

Slika 3: Vpliv temperature sistema na kondenzacijo

Primerjava koriščenja energije sodobnih plinskih nizkotemeperaturnih ogrevalnih kotlov in plinskih kondenzacijskih kotlov, da naslednjo energijsko bilanco:
• pri zemeljskem plinu znaša delež kondenzacijske toplote 11 % glede na kurilnost H_i, medtem ko plinski kondenzacijski kotli lahko zaradi kondenzacije vodne pare ta toplotni potencial bolje izkoristijo,
• pri atmosferskih nizkotemperaturnih kotlih znaša izstopna temperatura dimnih plinov med 90 in 120°C. Z dimnimi plini se izgubi približno 6 do 7% neizkoriščene toplote.
• občutno znižanje temperature dimnih plinov pri kondenzacijskih plinskih kotlih na vrednost 30°C pomeni, da se izkoristi tudi delež senzibilne toplote.

Slika 4: Energijska bilanca pri primerjavi nizkoenergijskega in plinskega kondenzacijskega kotla

Vpliv ogrevalnega sistema na optimalno koriščenje kondenzacijske tehnike

Plinske kotle je možno vgraditi v vsak ogrevalni sistem. Koristna kondenzacijska toplota in z delovnim režimom pogojeni izkoristek pa sta odvisna od ogrevalnega režima. Če želimo pridobiti kondenzacijsko toploto vodne pare iz dimnih plinov, je potrebno le-te ohladiti pod točko kondenzacije (temperatura rosišča). Delež koriščenja kondenzacijske toplote je zato pogojen z delovnimi temperaturami ogrevalnega sistema oziroma s časom obratovanja v območju kondenzacije. To odvisnost prikazujejo diagrami na sliki 5 in 6. V diagramih je upoštevana temperatura rosišča 56 °C.

Slika 5: Koriščenje kondenzacijske toplote režim 40/30°C

Slika 6: Koriščenje kondenzacijske toplote režim 70/50 °C

Ogrevalni režim 40/30 °C in 70/50 °C:
Koriščenje kondenzacijske tehnike pride pri tem ogrevalnem režimu do izraza med celotnim ogrevalnim obdobjem. Temperatura vode povratka je ves čas nižja od temperature rosišča, tako da je kondenzacijska toplota vedno na voljo. To dosežemo z nizkotemperaturnim površinskim ogrevanjem ali talnim ogrevanjem, ki sta najprimernejša za kondenzacijske kotle.

Slika 7: Koriščenje kondenzacijske toplote režim 75/60 °C

Slika 8: Koriščenje kondenzacijske toplote režim 90/70 °C

Ogrevalni režim 75/60 °C in 90/70 °C:
Tudi pri temperaturah ogrevalne vode 75/60 °C je možno koriščenje kondenzacijske toplote dimnih plinov in sicer približno 90 % letnega kurilnega časa. To velja za zunanje temperature že od od – 10°C do + 20°C. Stare ogrevalne naprave, ki so bile zaradi varnostnih pribitkov glede na predpise dimenzionirane na delovne temperature 90/70 °C, praktično obratujejo danes kot sistemi 75/60 °C.

Hidravlična vključitev kondenzacijskega kotla v ogrevalni sistem

Da lahko kondenzacijski kotel optimalno izkoristimo, je pomembna tudi hidravlična vključitev kondenzacijskega kotla v ogrevalni sistem.

Na efektivno koriščenje kondenzacijske tehnike vplivajo tudi naslednji dejavniki:
• povratna voda iz ogrevalnega sistema se mora s čim nižjo temperaturo dovajati direktno v kondenzacijski kotel. Izogibati se moramo ukrepov, ki povzročijo dvig temperature povratka.
• smer toka kotlovne vode mora biti v nasprotni smeri toka ogrevalnih plinov (povratna voda iz sistema vstopa v kotel na mestu, kjer izstopajo dimni plini),
• odsvetuje se vgradnja hidravlične ločnice oziroma vmesnega zbiralnika s primarno črpalko,
• uporaba neregulirane črpalke za primešavanje vode ni priporočljiva.

Slika 9: Vgradnja štiripotnega mešalnega ventila pri klasičnem kotlu in tripotnega pri kondenzacijskem kotlu

Na sliki 9 je prikazana uporaba tripotnega ventila pri kondenzacijskem kotlu, ki je vgrajen na način, da ne povzroča dviga temperature povratne vode iz kotla. Tripotni mešalni ventil dovaja vodo neposredno kondenzacijskem kotlu, brez dviga temperature. Vgradnja štiripotnega mešalnega ventila, ki ga vgrajujemo pri klasičnem kotlu in omogoča dvig temperature povratne vode, pri kondenzacijskem kotlu ni priporočljiva (zmanjšuje učinkovito koriščenje kondenzacije). Na sliki 10 je prikazana vgradnja pretočnega za ohranjanje minimalnega pretoka pri klasičnem kotlu. Zaradi zmanjšanja koriščenja kondenzacijske toplote ga pri kondenzacijskem kotlu ni priporočljivo vgraditi. Ko se namreč pretočni ventil odpre, se ustvari bypass med vtokom in povratkom. Posledica tega je dvig temperature povratka. Za preprečevanje pretočnih šumov v termostatskih ventilih je namesto pretočnega ventila primerneje vgraditi elektronsko samoregulirano obtočno črpalko.

Slika 10: Vgradnja pretočnega ventila

Na sliki 11 je prikazana vgradnja hidravlične ločnice in vmesne zbiralnice, ki prav tako dvigujeta temperaturo povratne vode, in ju ni priporočljivo vgraditi pri kondenzacijskem kotlu.

Slika 11: Vgradnja hidravlične ločnice

Kondenzacijski kotli omogočajo tudi pri različno dimenzioniranih ogrevalnih tokokrogih (nizkotemperaturni in visokotemperaturni) visoke izkoristke. Najsodobnejši plinski kondenzacijski kotli so načrtovani tako, da je pri nazivni moči kotla temperatura dimnih plinov le 2°C višja od temperature povratka, kar pri ogrevalnem sistemu 40/30°C daje izkoristek kotla 109%. Vgrajen gorilnik z moduliranim delovanjem v območju 30 do 100% nazivne moči zagotavlja majhno število vklopov gorilnika, nizke temperature ogrevalne vode in s tem nižje temperature dimnih plinov. Zaradi takšnega delovanja kotla so zmanjšane emisije škodljivih snovi (NO_x, CO) ob vklopu/izklopu, večji je delež kondenzacijske toplote in manjše izgube s toploto dimnih plinov. V celotnem modulacijskem območju obratuje kotel s konstantnim presežkom zraka. To se zagotavlja s sočasno zvezno regulacijo dovedenega zgorevalnega zraka in plina. Pri tem regulator spreminja število vrtljajev ventilatorja za dovod zgorevalnega zraka glede na odstopanje temperature predtoka od ogrevalne krivulje. Tako je v celotnem območju modulacije zagotovljeno optimalno razmerje zraka in plina ter s tem kondenzacija vodne pare iz dimnih plinov.

Toplotna moč in izkoristek kotla

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. Pri izbiri kotla je pomembno, da so toplotne izgube zaradi pripravljenosti kotla za obratovanje in dimnih plinov čim manjše. Kotli obratujejo v zelo spremenljivih pogojih, zato pri ocenjevanju kakovosti kotla ne smemo upoštevati le izkoristka naprave pri nazivni moči, pomemben je predvsem letni izkoristek, ker imajo kotli pri zmanjšani obremenitvi tudi nižji izkoristek. Izbrati moramo takšen kotel, ki ima 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 vidimo v tabeli 2. Za označevanje energijske učinkovitosti naprave je nemški standard DIN 4702 uvedel normni izkoristek. Pri izračunu letnega izkoristka kotla (VDI 2067) je upoštevan dejanski izkoristek kotla (ηk) pri nazivni (100%) obremenitvi in ne njegova sprememba pri delni obremenitvi. Zaradi tega se po DIN 4702 del 8 pri kotlih navaja še tako imenovani normni izkoristek (ηk), ki se izračuna iz razmerja med letno porabljeno toploto (Q_H) in letno pridobljeno toploto kotla (Q_H) pri delni obremenitvi. Diagram na sliki 12 prikazuje normni izkoristek sodobnega kondenzacijskega kotla in normni izkoristek NT kotla za različne ogrevalne sisteme.

Slika 12: Prikaz izkoristkov pri različnih ogrevalnih sistemih

Visoki normni izkoristki plinskih kondenzacijskih kotlov so posledica vzdrževanja visoke vsebnosti CO₂ v dimnih plinih in vzdrževanja visoke temperature povratka. Čim višja je vsebnost CO₂, tem višje je rosišče vodne pare v dimnih plinih. Nadalje velja, čim nižja je temperatura povratka, tem večja je stopnja kondenzacije, s tem pa je tudi nižja temperatura dimnih plinov.