centralne ogrzewanie budynków - instalacje i kotły

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:
t t
Q
= A * U * (ti - te) = m * cp * (tzasil. - tpowr.) = F * k * ( zasil powr  ti ) = Qźródła
2
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/B02403). 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-B02413:1991).
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 m 3
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.
H
Skutki dławienia przepływu przez GZT.
Hx
Hn
Hs,x
Vx
Vn
V
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.
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).
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
Kocioł kondesacyjny Vitocrossal 300 (80-575 kW) niższą sprawność znormalizowaną (np.
96% zamiast 109%).
– Viesmann.
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
100 kW
400 kW
Kotły standardowe
≥88,0
≥89,2
Kotły niskotemperaturowe
≥90,5
≥91,4
Kotły kondensacyjne
≥93,0
≥93,6
Efektywność przy obciążeniu
częściowym 0,3 Pn
100 kW
400 kW
≥86,0
≥87,8
≥90,5
≥91,4
≥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).