Niskoemisyjne i wysokosprawne urządzenia grzewcze małej i

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ, MATERIAŁOWEJ
I FIZYKI STOSOWANEJ
KATEDRA PIECÓW PRZEMYSŁOWYCH
I OCHRONY ŚRODOWISKA
Agnieszka Klos
„Niskoemisyjne i wysokosprawne urządzenia
grzewcze małej i średniej mocy oraz ocena
techniczna, ekonomiczna i ekologiczna na
wybranych przykładach.”
Promotor:
dr inż. Jarosław Boryca
Wstęp






Nowoczesne systemy instalacyjne powinny spełniać podstawowe funkcje
użytkowe, jak również zapewniać wygodę, komfort i optymalne koszty
eksploatacji. Urządzenia muszą w pełni odpowiadać wymaganiom, a
jednocześnie jak najmniej angażować użytkownika w proces obsługi,
regulacji i serwisowania.
Wybór kotła centralnego ogrzewania i sposobu przygotowania ciepłej
wody użytkowej jest ważnym i często trudnym zadaniem, jakie stoi przed
użytkownikiem.
Przed dokonaniem wyboru systemu ogrzewania oraz zakupem
odpowiedniego kotła grzewczego warto rozpatrzyć kwestie takie jak:
rodzaj paliwa, jakie będzie spalał kocioł,
zapotrzebowania na ciepło,
zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową,
umiejscowienie kotła,
wybór typu kotła,
przewidywane koszty eksploatacji.
Niezwykle ważnym aspektem użytkowania urządzeń grzewczych jest
ekologia. Warto zatem zwrócić uwagę na emisję zanieczyszczeń do
atmosfery, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji danego urządzenia.
CEL I ZAKRES PRACY
Celem
pracy
był
przegląd
niskoemisyjnych
i wysokosprawnych urządzeń grzewczych małej
oraz średniej mocy oraz ich ocena techniczna,
ekonomiczna i ekologiczna na wybranych przykładach.
Zakres pracy obejmował urządzenia grzewcze opalane
paliwem gazowym, olejem opałowym, paliwem stałym
(w tym ekologicznym) oraz energią elektryczną.
W ramach pracy dokonano porównania poszczególnych
typów kotłów pod względem technicznym oraz
przeprowadzono ich analizę ekonomiczną i ekologiczną.
Podział kotłów ze względu na moc cieplną
W różnych źródłach literaturowych granica podziału kotłów
małej i średniej mocy jest różnie podawana. Najczęściej
spotykana granica podziału kotłów pod względem mocy cieplnej
wygląda następująco:
 kotły niskotemperaturowe małych mocy 14 – 67 kW,
 kotły średnich mocy 70 – 460 kW,
 kotły dużych mocy 460 – 9300 kW.
Podział urządzeń grzewczych ze
względu na rodzaj stosowanego paliwa
Kotły gazowe,
Kotły olejowe,
Kotły opalane paliwem stałym,
Urządzenia zasilane energią elektryczną.
Kotły gazowe
Wśród kotłów zasilanych gazem ziemnym bądź płynnym
można wyróżnić następujące rodzaje:
 stojące i wiszące – ze względu na usytuowanie;
 jedno- i dwufunkcyjne – ze względu na możliwość
podgrzewania wody;
 kotły z otwartą i zamkniętą komorą spalania – ze względu na
sposób pobierania powietrza do spalania i odprowadzania
spalin;
 tradycyjne i kondensacyjne – ze względu na skuteczność
przekazywania ciepła.
Przykłady kotłów gazowych
Kotły dwufunkcyjne (VUW) służą do ogrzewania
pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej w
sposób przepływowy. Kocioł z otwartą komorą
spalania, pobierający powietrze z pomieszczenia.
Sprawność urządzenia sięga 90% ;
Nominalna moc cieplna 20 kW;
Maksymalne zużycia gazu 2,3 m3/h ;
Cena orientacyjna 3900 zł.
Rys. 1. Kocioł dwufunkcyjny
z otwartą komorą spalania, wiszący
marki VAILLANT,
model ATMOmax PLUS VUW200-5
Kocioł jednofunkcyjny czyli służący jedynie do
ogrzewania pomieszczeń.
Charakteryzuje się niskim zużyciem energii
oraz niską emisją spalin do atmosfery
NOx <50 mg/kWh, CO <10 mg/kWh.
Jego zaletą jest również wysoka sprawność
sięgająca 93%.
Cena orientacyjna 4200 zł.
Rys. 2. Kocioł jednofunkcyjny stojący;
marki Viessmann, model Vitogas100
Kotły olejowe
Kotły
olejowe
są
obok
gazowych
jednymi
z
najpopularniejszych
urządzeń
grzewczych.
Są
stosowane na obszarach nie objętych siecią gazową, a
dostawcę paliwa można dowolnie wybierać.
Kotły na olej opałowy są w pełni zautomatyzowane
i bezobsługowe, a więc wygodne w eksploatacji.
Zgromadzony w zbiorniku zapas paliwa pozwala na
długotrwałą i bezawaryjną pracę. W prawidłowo
działającym kotle spalanie jest całkowite, a spaliny są
stosunkowo czyste, a wiec niegroźne dla środowiska.
Wadą kotłów olejowych są wyższe, w porównaniu
z innymi paliwami, koszty wytworzenia takiej samej porcji
energii.
Przykłady kotłów olejowych
Kocioł żeliwny, stojący o zakresach mocy od
15 do 60 kW. Urządzenie jednofunkcyjne
jednak istnieje możliwość podłączenia
zasobnika.
Maksymalne zużycie paliwa 1,3 – 1,5 kg/h.
Kocioł charakteryzuje się wysoką sprawnością
wynoszącą ok. 95%.
Cena orientacyjna 7500 zł.
Rys. 3. Kocioł jednofunkcyjny,
stojący marki WOLF, model CHK
Niskotemperaturowy kocioł olejowy
o mocy od 20 do 41kW.
Dostępny jest w wersji jednofunkcyjnej
(ogrzewanie)
oraz dwufunkcyjnej (ogrzewanie i ciepła woda).
Maksymalne zużycie oleju 3,8 kg/h.
Zawartość CO w spalinach do 12%.
Wykazuje sprawność do 94,5%.
Cena orientacyjna 6800 zł.
Rys. 4. Kocioł dwufunkcyjny marki
Ulrich, model Ederlich 41
Kotły opalane paliwem stałym
Paliwa stałe zawsze były i pewnie zostaną najtańsze,
więc zasilane nimi kotły są w dalszym ciągu popularne,
a na rynku pojawiają się wciąż nowi producenci.
Kotły na węgiel mają różną konstrukcję zależną od
sortymentu węgla, jaki ma być w nich spalany.
Największym problemem użytkowników kotłów na
paliwa stałe zawsze była konieczność częstego
uzupełniania paliwa (nawet kilka razy na dobę). Obecnie
problem
ten
przynajmniej
częściowo
rozwiązują
automatyczne podajniki paliwa. Dzięki nim czas pomiędzy
kolejnymi załadunkami paliwa wydłuża się nawet do kilku
dni.
Przykłady kotłów opalanych paliwem stałym
Kotły typu DEFRO KM stanowią nową generację
kotłów opalanych miałem węglowym.
Stosowane są w instalacjach centralnego
ogrzewania i ciepłej wody.
Urządzenie dostępne w zakresach mocy
od 14 do 46 kW.
Jednorazowy zasyp paliwa od 32 do 90 kg.
Sprawność cieplna ok. 81,5%.
Cena orientacyjna 3900 zł.
Rys. 5. Kocioł marki DEFRO,
model Defro KM
Kotły opalane paliwem ekologicznym
Urządzenia opalane paliwem ekologicznym to nowość na
naszym rynku, podobnie jak opał, który się w nich spala. Są
bezpieczne dla środowiska, ale przede wszystkim pozwalają
znacznie obniżyć koszty ogrzewania.
Kotły na pelety zastępują kotły olejowe lub węglowe w
domach jednorodzinnych i niewielkich kotłowniach.
Najprostsze kotły przeznaczone do spalania drewna (także
węgla), nadają się do spalania zrębków, wiórów i innych
odpadów bioorganicznych.
Przykłady kotłów na paliwo ekologiczne
Stalowy kocioł grzewczy EKOPAL D
jest przeznaczony do spalania drewna
liściastego oraz iglastego, zrębek
drewnianych, trocin oraz wierzby
energetycznej.
Dostępny w zakresach mocy
od 25 do 45 kW.
Orientacyjne zużycie drewna na sezon
od 15 do 25 m3 .
Sprawność ok. 78%.
Cena orientacyjna 4500 zł.
Rys. 6. Kocioł marki METALERG,
model EKOPAL D
Kotły kondensacyjne
Tradycyjne niekondensacyjne kotły nie wykorzystują całej energii zawartej w
spalanym w nich paliwie. Część, zwana ciepłem utajonym, ulatuje z parą
wodną wraz ze splinami. Aby do ogrzewania wody w kotle zostało
wykorzystane także ciepło utajone, para zawarta w spalinach musi się skroplić,
bo w tym procesie jest uwalniana energia. Skroplenie (kondensacja) pary
wodnej nastąpi wtedy, gdy spaliny zostaną schłodzone do odpowiednio niskiej
temperatury. Kotły tradycyjne są tak skonstruowane, by podczas ich pracy nie
dochodziło do kondensacji. Temperatura spalin jest celowo utrzymywana na
wysokim poziomie. To powoduje straty energii, bo część ciepła ze spalin
ulatuje przez komin, zamiast ogrzać wodę.
Kotły kondensacyjne posiadają większą sprawność od pracujących w tych
samych warunkach kotłów niekondensacyjnych.
Sprawność kotła to stosunek ilości ciepła przekazanego wodzie do ilości ciepła
wytworzonego w procesie spalania. Sprawność kotłów kondensacyjnych
przekracza 100%.
Przykłady kotłów kondensacyjnych
VITOLAPLUS 300 jest stojącym olejowym
kotłem kondensacyjnym dostępnym
w zakresie mocy od 19,4 do 29,4 kW.
Kocioł przystosowany jest do eksploatacji
ze wszystkimi dostępnymi w handlu rodzajami
olejów grzewczych.
Urządzenie charakteryzuje się bardzo wysoką
sprawnością sięgającą 103% oraz niską
emisją zanieczyszczeń.
Cena orientacyjna 1200 zł.
Rys. 7. Kocioł dwufunkcyjny;
marki VIESSMANN,
model VITOLAPLUS 300
Kocioł Victrix 24 kW jest przepływowym,
wiszącym kotłem kondensacyjnym
z zamkniętą komorą spalania.
Paliwem stosowanym w tym kotle jest
gaz ziemny .
Zastosowanie technologii
kondensacyjnej daje wymierne
oszczędności w zużyciu gazu oraz
powoduje niską emisję spalin.
Sprawność kotła sięga 107%.
Cena orientacyjna 7700 zł.
Rys. 8. Kocioł dwufunkcyjny;
marki IMMERGAS,
model Victrix 24 kW
Urządzenia zasilane energia
elektryczną
Ogrzewanie elektryczne często jest wybierane wtedy,
gdy nie można doprowadzić do domu gazu ziemnego.
Cieszy się także popularnością wśród właścicieli domów
letniskowych. Ponadto jest stosowane jako awaryjne lub
uzupełniające w domach ogrzewanych kominkiem, kotłem
na paliwa stałe lub pompą ciepła.
Jednym z urządzeń zasilanych energią elektryczna jest
piec akumulacyjny. Jest to urządzenie, które grzeje ciągle,
chociaż zasilane jest jedynie okresowo. Pracują ono w
dwóch kolejno występujących po sobie okresach:
ładowania i rozładowania. Elektryczne ogrzewacze
akumulacyjne
oddają
ciepło
do
pomieszczenia
rozładowując się statycznie lub dynamicznie.
Przykłady pieców akumulacyjnych
Rys. 10. Piec z dynamicznym
rozładowaniem mocy;
marki DIMPLEX, model VFMi 20.
Rys. 11. Piec ze statycznym
rozładowaniem mocy;
marki DOMGOS, model OAS 3.
Piec z dynamicznym rozładowaniem mocy dostępny w zakresach mocy
od 1,3 do 4,0 kW. Możliwość ogrzania pomieszczenia o powierzchni
do 60 m2 , orientacyjna cena 2000 zł.
Piec ze statycznym rozładowaniem mocy dostępny w zakresach mocy
od 1,5 do 3,0 kW. Możliwość ogrzania pomieszczenia o powierzchni
do 40 m2 , orientacyjna cena 1300 zł.
Analiza ekonomiczna i ekologiczna
zastosowania wybranych kotłów małej i
średniej mocy
Dokonując wyboru odpowiedniego systemu grzewczego należy wyliczyć
szacunkowe zapotrzebowanie budynku na ciepło, co pozwoli określić
przybliżoną moc urządzenia.
Rys. 12. Zapotrzebowanie ciepła w różnych rodzajach budynków.
Porównanie kotła kondensacyjnego i tradycyjnego
Porównując parametry różnych urządzeń należy zwrócić uwagę dla jakich
warunków są one podane. Chcąc dokonać porównania kotła kondensacyjnego
z tradycyjnym musimy przede wszystkim zwrócić uwagę na jego sprawność.
Zanim pojawiły się kotły kondensacyjne, w ilości ciepła wytwarzanego
uwzględniano jedynie wartość opałową paliwa, a nie uwzględniano ciepła
skraplania pary wodnej, które stanowi około 11% całego wytworzonego ciepła.
Po dodaniu tych 11% możliwe jest uzyskanie sprawności przekraczającej 100 %.
Rys. 13. Sprawności kotłów: kondensacyjnego i tradycyjnego.
97
Kocioł tradycyjny
na gaz ziemny
Kocioł tradycyjny
olejowy
109
111
Kocioł
kondensacyjnyna
gaz ziemny
95
106
Kocioł
kondensacyjny
olejowy
92
Kocioł tradycyjny
na gaz płynny
75
90
Kociołna paliwo
ekologiczne
80
86
Kocioł węglowy
100
60
40
20
0
Kocioł gazowy
starego typu
Sprawność [%]
120
Kocioł
kondensacyjny na
gaz płynny
Teoretycznie możliwa do osiągnięcia sprawność kotła wynosi 111% (gaz ziemny),
109% (propan), 106% (olej opałowy). W praktyce nie da się uniknąć pewnych strat
energii, które wynoszą na ogół 2-4 %. O tyle mniejsza jest rzeczywista sprawność
obecnie produkowanych kotłów kondensacyjnych. Natomiast sprawności kotłów
tradycyjnych wynoszą : kocioł węglowy- 86%, kocioł opalany paliwem ekologicznym90%, gaz płynny- 92%, gaz ziemny- 95%, olej opalowy- 97%.
Dla porównania należy dodać, że sprawność kotła gazowego starego typu
z lat 70-tych wynosiła do 75%.
Rys. 14. Porównanie sprawności poszczególnych kotłów.
Koszty eksploatacji przy wyborze systemu ogrzewania
Wybór rodzaju ogrzewania jest zawsze istotnym dylematem z uwagi na koszty
inwestycji i eksploatacji. Zanim dokonamy wyboru odpowiedniego systemu
ogrzewania dokonujemy kilku szacunkowych porównań.
Pierwszym z nich będzie porównanie cen poszczególnych kotłów oraz kosztów
związanych z ich instalacją. Poniższy wykres prezentuje szacunkowe zestawienie cen
poszczególnych typów urządzeń grzewczych.
20000
Kociol gazowy
18000
Kocioł olejowy
CENA [zł]
16000
Kocioł na paliwo stałe
14000
Kocioł na paliwo ekolog.
12000
Kocioł kondensacyjny
10000
Kocioł olejowy + zbiornik
8000
Ogrzewanie elektryczne*
6000
4000
2000
0
RODZAJ KOTŁA
Rys. 15. Szacunkowe porównanie cen poszczególnych kotłów.
Kolejnym kryterium decydującym o wyborze rodzaju ogrzewania jest cena paliwa.
Porównanie kosztów ogrzewania jest tu istotną wskazówką, przy czym należy
zaznaczyć, że największą stabilnością cen charakteryzuje się gaz ziemny oraz
energia elektryczna. Takie paliwa jak olej opałowy, węgiel kamienny, drewno, gaz
płynny podlegają wahaniom cenowym w zależności od okresu roku (zazwyczaj
wyższe ceny w okresie grzewczym i dystrybutora. Dodatkowymi kosztami mogą być
ponadto koszty transportu, zbiornika (dla gazu płynnego).
0,45
0,39
0,4
KOSZT [PLN/kWh]
0,35
0,29
0,3
0,260,26
0,25
0,2
0,15
0,1
0,18
0,15
0,13
0,1
0,12
0,08
0,05
0
RODZAJ OGRZEWANIA
Kocioł gazowy starego typu
(sprawn.75%)
Kocioł gazowy nowego typu
(sprawn. 92%)
Kocioł gazowy kondensac.
(sprawn.108%)
Kocioł na olej opalowy nowy
(sprawn. 104%)*
Kocioł olejowy kondensac.
(sprawn.104%)*
Kocioł na gaz płynny nowy
(sprawn. 92%)*
Kocioł węglowy starego typu
(sprawn. 65%)*
Kocioł węglowy nowy
(sprawn. 85%)*
Grzejnik elektr. (taryfa
zwykła)
Kocioł nowy na drewno
opałowe (sprawn. 80%)*
Rys. 16. Szacunkowe koszty wytworzenia jednostki ciepła
Wpływ spalania paliw na zanieczyszczenie środowiska
Wybierając paliwo należy wziąć pod uwagę również jego wpływ na środowisko. Modne
stają się paliwa (nośniki energii), o których można powiedzieć, że należą do
ekologicznych. Za ekologiczne można uznać nowoczesne kotły na drewno i biomasę.
Ilość dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery podczas spalania słomy nie jest
większa niż wcześniej pobrana w procesie fotosyntezy przez przeznaczone na opał
rośliny. Niewiele zanieczyszczeń powstaje także przy spalaniu gazu, nieco więcej przy
spalaniu oleju. Najwięcej zanieczyszczeń emitują do środowiska kotłownie węglowe.
Tabela 1. Wpływ spalania paliw na zanieczyszczenie środowiska
Rodzaj
zanieczyszczenia
Poziom emisji
[mg/MJ]
Drewno i pelety
Węgiel
Olej
opałowy
Gaz
ziemny
Dwutlenek węgla
0
104000
78000
52000
Tlenek węgla
50
4500
50
50
Dwutlenek siarki
7
240
140
0
Tlenki azotu
43
70
40
40
Pyły
5
60
5
0
Rys. 17. Charakterystyka emisji
CO2 różnych nośników energii.
Rys. 18. Redukcja emisji
substancji szkodliwych z
kotłów kondensacyjnych .
Stwierdzenia i wnioski
Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej wybranych urządzeń
grzewczych można wysunąć następujące wnioski:
1. Kotły gazowe to urządzenia kupowane najczęściej. Charakteryzują się
wysoką sprawnością. Produkowane są jako jednofunkcyjne i dwufunkcyjne
oraz jako tradycyjne i kondensacyjne. Najlepszym wyborem jest kocioł
kondensacyjny dwufunkcyjny. Jest on dość drogi, ale najbardziej wydajny i
zarazem najmniej uciążliwy dla środowiska. Opalany gazem ziemnym, który
jest najchętniej używanym paliwem, gwarantuje komfort i wygodę, ma
najmniejszą wśród paliw kopalnych zawartość szkodliwych substancji w
spalinach. Jest opłacalny pod względem ekonomicznym i ekologicznym,
jednak nie zawsze dostępny.
2. Kotły olejowe – również osiągają wysoką sprawność, są jednak droższe
od gazowych, wymagają większych nakładów finansowych związanych z
serwisem. Paliwo, którym jest olej opalowy lub gaz płynny wymaga
magazynowania w specjalnych zbiornikach. Olej opałowy jest mniej opłacalny
niż gaz ziemny, jednak emisja zanieczyszczeń powstających w wyniku jego
spalania jest równie niska jak gazu ziemnego.
3. Kotły na paliwa stale – ogrzewanie nimi domu jest stosunkowo nie
drogie, ale nieco uciążliwe. Nie jest możliwa pełna automatyzacja procesu
spalania, a poza tym kotły opalane węglem emitują do środowiska najwięcej
zanieczyszczeń. Węgiel jest tańszy od pozostałych paliw i łatwiej dostępny, ale
bardzo szkodliwy dla środowiska. Biomasa natomiast jest paliwem
ekologicznym, ale i droższym do węgla kamiennego. Paliwa stałe również
wymagają magazynowania.
4. Urządzenia elektryczne. Ogrzewanie energią elektryczną niesie za sobą
wysokie koszty. Użytkownicy, którzy są zmuszeni ogrzewać dom prądem,
wybierają grzejniki elektryczne, ogrzewanie podłogowe albo piece
akumulacyjne. Ogrzewanie energią elektryczną jest również uciążliwe dla
środowiska. Wprawdzie urządzenia grzewcze zasilane energią elektryczną nie
emitują zanieczyszczeń bezpośrednio, ale w procesie jej wytwarzania spalany
jest węgiel.
Podsumowując, można stwierdzić, że najlepszym wyborem, co do systemu
ogrzewania, jest kocioł gazowy kondensacyjny dwufunkcyjny. Jeśli jednak nie
ma dostępu do sieci gazowej dobrą alternatywą może być kocioł opalany
paliwem stałym w postaci biomasy.
Dziękuję za uwagę.