Kotły kondensacyjne uzyskują sprawności pracy powyżej 100% i jest to określane w warunkach znormalizowanych przy kilku obciążeniach cieplnych. W rzeczywistych warunkach pracy kotły kondensacyjne mogą uzyskiwać sprawności pracy deklarowane w ich danych technicznych, o ile warunki pracy będą korzystne. Oznacza to warunki pracy z niskimi temperaturami wody grzewczej, najlepiej w systemie ogrzewania podłogowego. Sprawność rzędu 108% określana jest w stosunku do wartości opałowej gazu ziemnego. W warunkach rzeczywistych pracy, sprawność kotłów jest zależna od wielu czynników, m.in. rodzaju regulatora, udziału ciepłej wody użytkowej w bilansie cieplnym budynku, itd.
Badanie sprawności kotłów kondensacyjnych w warunkach rzeczywistej eksploatacji
1. Badanie sprawności kotłów kondensacyjnych
w warunkach rzeczywistej eksploatacji
Rzeczywiste sprawności pracy systemów grzewczych z kotłami gazowymi
Czynniki wpływające na sprawność pracy kotła kondensacyjnego
Porównanie sprawności kotłów kondensacyjnych i niskotemperaturowych
Wydanie 1/2014
15.02.2014
www.eko-blog.pl
www.vaillant.pl
2. Badanie sprawności systemów grzewczych
w budynkach jednorodzinnych
W 2004 roku Instytut Ogrzewnictwa i Klimatyzacji Uniwersytetu Technicznego
w Braunschweig (Niemcy) zrealizował przy wsparciu Deutsche Bundesstiftung
Umwelt (DBU) projekt „Badanie efektów pracy systemów grzewczych z gazowymi
kotłami kondensacyjnymi”.
W ramach projektu opomiarowano systemy grzewcze eksploatowane
w rzeczywistych warunkach – w budynkach jednorodzinnych na terenie Niemiec.
Dla objętych badaniem budynków, w których zastosowano kotły kondensacyjne,
średnia powierzchnia użytkowa wyniosła 159 m2. Wśród budynków były zarówno
stare obiekty wzniesione przed rokiem 1977 (nieizolowane oraz izolowane
cieplnie), jak też nowe zbudowane w standardzie niskoenergetycznym.
W sumie w projekcie uwzględniono łącznie 71 budynków jednorodzinnych.
(nie wszystkie ujmowano w wynikach zbiorczych, z uwagi na np. błędy pomiarowe)
Źródło: „Felduntersuchung: Betriebsverhalten von Heizungsanlagen mit Gas-Brennwertkesseln”,
Fachhochschule Braunschweig Wolfenbüttel, 2004
2
3. Rodzaje badanych systemów ogrzewania
Analizie pracy poddano różnorodne systemy ogrzewania, pod względem rodzaju
zastosowanego kotła grzewczego:
o 60 systemów grzewczych z gazowymi kotłami kondensacyjnymi
o 7 systemów grzewczych z gazowymi kotłami niskotemperaturowymi
Pod względem zastosowanej automatyki:
o 6 systemów z automatyką „pokojową” (np. termostat pokojowy elektroniczny)
o 42 systemy z automatyką pogodową
o 10 systemów z automatyką „mieszaną”: pogodową i „pokojową”
Wśród badanych systemów grzewczych:
o 11 było wyposażonych w instalację solarną
o 11 miało kocioł w pomieszczeniu ogrzewanym (47 – nieogrzewanym)
o 35 miało kocioł z zaworem różnicowo-upustowym (23 – nie)
o 8 miało kocioł stojący, a 64 wiszący
o 18 systemów miało kotły dwufunkyjne (kombi)
3
4. Cele stawiane w projekcie badawczym
Projekt miał na celu uzyskanie odpowiedzi na podstawowe pytanie:
Czy możliwe jest uzyskiwanie sprawności kotła
kondensacyjnego na poziomie 109%
deklarowanym powszechnie przez producentów
Dodatkowo w ramach projektu określono jaki wpływ na sprawność
pracy kotła odgrywają niektóre czynniki – takie jak:
1) Nastawa temperatury zasilania instalacji grzewczej
2) Zastosowanie zaworu różnicowo-upustowego
(dla zabezpieczenia minimalnego natężenia przepływu
wody grzewczej przez kocioł wiszący)
3) Miejsce zabudowy kotła – w pomieszczeniu
ogrzewanym lub nieogrzewanym
4
5. Sprawność kotła kondensacyjnego
- dlaczego 109%?
Tradycyjnie przyjmowano jako 100% wartość opałową paliwa. Ciepło zawarte
w parze wodnej powstającej podczas spalania gazu ziemnego, nie było
wykorzystywane przez tradycyjne kotły z uwagi na ryzyko korozji powierzchni
grzewczych. Wobec tego ciepło zawarte w parze wodnej („ponad 100%”) nie było
w ogóle ujmowane w bilansie sprawności kotła.
Pojawienie się na rynku w latach 90-tych
kotłów kondensacyjnych spowodowało, że przy
niezmienionej normie sprawność wynosić może
nawet 109%, ponieważ do bilansu końcowego
dochodzi ciepło zawarte w parze wodnej
skraplanej (kondensowanej) wewnątrz kotła
kondensacyjnego.
Ciepło
spalania
Wartość
opałowa
5
6. Sprawność kotła – według różnych
poziomów odniesienia
Sprawność kotła kondensacyjnego
odniesiona do wartości opałowej
będzie wyższa od 100% i w obecnych
kotłach kondensacyjnych może wynosić
108÷109%.
Ciepło spalania
Sprawność kotła kondensacyjnego
odniesiona do ciepła spalania
(przyjętego jako 100%) będzie zawsze
niższa od 100% i we współczesnych
kotłach kondensacyjnych może
wynosić 98÷99%.
Ciepło spalania
Wartość opałowa
6
7. Porównanie sprawności kotłów biorących
udział w projekcie badawczym (67 kotłów)
Średnia wartość sprawności średniorocznej dla 60-ciu kotłów kondensacyjnych
wyniosła 86,6%. Najwyższa zarejestrowana sprawność kotła kondensacyjnego
wyniosła 97,6%. Sprawność średnioroczna została określona w odniesieniu do
ciepła spalania, co oznacza że kocioł kondensacyjny może maksymalnie uzyskać
99% sprawności.
Kocioł kondensacyjny
Liczba systemów grzewczych
Sprawność średnioroczna kotła:
- średnia
- minimalna
- maksymalna
Kocioł niskotemperaturowy
60
7
86,6%
77,0%
97,6%
75,3%
67,6%
80,0%
Sprawność 97,6% można więc już uznać za bliską maksymalnej możliwej
do uzyskania przez gazowy kocioł kondensacyjny. Różnica w sprawności
pomiędzy kotłem kondensacyjnym, a niskotemperaturowym wyniosła średnio
11,3%, a w skrajnym przypadku nawet 30%.
7
8. Różnica w sprawności kotła kondensacyjnego
i niskotemperaturowego
Niezależnie od tego jaką przyjmie się normę dla określania sprawności kotła,
różnica między kotłem kondensacyjnym, a niskotemperaturowym będzie
jednakowa. Dobrej klasy kocioł niskotemperaturowy będzie miał sprawność
niższą około 14% od kotła kondensacyjnego. Różnica ta może sięgać 30%
i więcej, w przypadku starszej konstrukcji kotłów „niekondensacyjnych”.
Kocioł
kondensacyjny
Kocioł
niskotemperaturowy
Różnica
Sprawność odniesiona
do wartości opałowej
109%
95%
14%
Sprawność odniesiona
do ciepła spalania
99%
85%
14%
8
9. Obciążenie cieplne kotła oraz temperatury
pracy w zależności od rodzaju ogrzewania
Zasilanie
Temperatura wody (oC)
Powrót
Ogrzewanie
grzejnikowe
(75/60oC)
Zasilanie
Ogrzewanie
podłogowe
Powrót
(40/30oC)
Sprawność pracy kotła
wg normy DIN 4702 jest
określana jako średnia
uzyskiwana dla 5-ciu
obciążeń cieplnych kotła
(od 13 do 63%).
Średnie obciążenie kotła
w ciągu roku pracy wynosi
według normy 39%.
Podczas badania okazało
się, że średnie obciążenie
kotła w badanych 67-miu
systemach, wyniosło
jedynie 9%.
Obciążenie cieplne kotła
9
10. Sprawność pracy kotła w zależności
od jego obciążenia cieplnego
Sprawność kotła obniża się poniżej obciążenia 40%, a szczególnie znacznie poniżej obciążenia 10%. Szczególnie poza sezonem grzewczym, w trybie pracy
na podgrzewanie ciepłej wody użytkowej, sprawność kotła obniża się wyraźnie.
0,95
Sprawność*
0,90
0,85
Podczas badania średnie obciążenie
kotła w badanych 67 systemach,
wyniosło jedynie 9%, co wpłynęło
na niższe sprawności pracy.
0,80
0,75
0,70
0
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
Obciążenie cieplne kotła kondensacyjnego
* Sprawność odniesiona do ciepła spalania („górna” wartość opałowa)
10
11. Wpływ rodzaju regulatora kotła
na sprawność średnioroczną
Rodzaj zastosowanego regulatora odgrywa znaczny wpływ na temperaturę
zasilania instalacji grzewczej i tym samym na sprawność kotła kondensacyjnego.
Zgodnie z przewidywaniami, najwyższą sprawność uzyskiwały kotły, wyposażone
w regulator pogodowy (ponad 3% więcej w porównaniu do regulacji „pokojowej”)
Sprawność średnioroczna kotła (w odniesieniu do ciepła spalania („górnej” wartości opałowej))
Regulacja „pokojowa”
Regulacja pogodowa
Regulacja pogodowa + „pokojowa”
(pomiar temperatury
w pomieszczeniu
referencyjnym)
(wyłącznie z czujnikiem
temperatury zewnętrznej)
(korekta temperatury zasilania zależnie
od temp. w pomieszczeniu referencyjnym)
84,2%
87,3%
86,5%
Również kocioł kondensacyjny o najwyższej w badaniu sprawności (97,6%)
był wyposażony w regulator pogodowy.
11
12. Wpływ zastosowania zaworu różnicowoupustowego na sprawność średnioroczną
Nowoczesne wiszące kotły kondensacyjne wyposażane są w zawory różnicowoupustowe zapewniające minimalne natężenie przepływu wody grzewczej przez
kocioł – np. w sytuacji znacznego zdławienia przepływu przez termostatyczne
zawory zabudowane przy grzejnikach. Jednak ich działanie jest ograniczane
do minimum poprzez stosowanie pomp obiegowych o płynnej regulowanej
elektronicznie prędkości obrotowej.
Sprawność średnioroczna kotła (w odniesieniu do ciepła spalania („górnej” wartości opałowej))
Kocioł bez zaworu różnicowo-upustowego
Kocioł z zaworem różnicowo-upustowym
89,0%
85,0%
W kotłach starszego typu (w badaniu z 2004 r.) stosowano głównie pompy
obiegowe stałoobrotowe, co w połączeniu ze stosowaniem zaworów różnicowoupustowych wpływało na obniżanie sprawności średniorocznej.
12
13. Wpływ miejsca zabudowy kotła
na sprawność średnioroczną
Znaczny wpływ na sprawność kotła kondensacyjnego odgrywa miejsce jego
zabudowy. W przypadku zabudowy kotła w pomieszczeniu ogrzewanym, obniżają
się straty cieplne, a sprawność średnioroczna wzrasta średnio (dane dla 58-miu
kotłów o blisko 2%.
Sprawność średnioroczna kotła (w odniesieniu do ciepła spalania („górnej” wartości opałowej))
Pomieszczenie nieogrzewane
Pomieszczenie ogrzewane
86,6%
88,5%
13
14. Wpływ trybu podgrzewania ciepłej wody
użytkowej na sprawność pracy kotła
W trybie podgrzewania ciepłej wody użytkowej, temperatura wody grzewczej
w kotle jest podwyższana co negatywnie wpływa na sprawność jego pracy.
Im większy jest udział pracy
kotła na potrzeb wody
użytkowej tym niższa może
być jego sprawność.
1,00
Sprawność*
Trzeba jednak zaznaczyć,
że badane kotły z przełomu
lat 90/2000 nie posiadały
pomp o regulowanych płynnie
obrotach, co wpływało na
obniżanie różnicy temperatury
wody grzewczej między
zasilaniem, a powrotem, co
obniżało efekt kondensacji.
Wyniki pomiarów dla 60 kotłów:
0,90
0,80
0,70
0
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
Udział ciepłej wody użytkowej
14
15. Ciepła wody użytkowa – „problem”
współczesnych budynków i kotłów
W energooszczędnych budynkach, udział ciepła potrzebnego dla podgrzewania
ciepłej wody użytkowej jest coraz większy. Potrzeby grzewcze obniżają się dzięki
coraz wyższemu standardowi izolacji cieplnej. Powoduje to znaczne dysproporcje
w wymaganej mocy grzewczej kotła dla jego pracy w obydwu trybach (ogrzewania
budynku i podgrzewania wody użytkowej). Obecnie produkowane kotły cechują
się coraz szerszym zakresem modulacji mocy palnika i coraz niższą mocą
minimalną. Pozwala to na lepsze dopasowanie kotła do budynku.
Współczesne kotły kondensacyjne również
przy podgrzewaniu ciepłej wody użytkowej mogą
pracować w trybie kondensacyjnym, szczególnie
przy zastosowaniu zasobnika warstwowego
z zewnętrznym wymiennikiem ciepła. Wysoka
wydajność podgrzewania wody użytkowej obniża
temperaturę wody grzewczej powracającej do
kotła, co przekłada się wysoką sprawność pracy
(kondensacja pary wodnej ze spalin).
Vaillant
ecoCOMPACT
4,7-15,2 kW
15
16. Zalecenia jako wnioski z projektu
badawczego
Zalecenia mające na celu uzyskiwanie wysokiej sprawności kotła
Nastawa niskich temperatur wody grzewczej na centralnym regulatorze kotła
Unikanie o ile to możliwe stosowania zaworów różnicowo-upustowych (dla minimalnego przepływu)
Zabudowa kotła i ewentualnego podgrzewacza pojemnościowego w pomieszczeniu ogrzewanym
Stosowanie automatyki pogodowej zamiast scentralizowanej automatyki „pokojowej”
Stosowanie niskoparametrowych systemów grzewczych (ogrzewania płaszczyznowego)
Optymalna pod względem regulacji oraz hydrauliki współpraca z podgrzewaczem wody użytkowej
Stosowanie optymalnych pomp obiegowych lub odpowiedniej konstrukcji kotła o wystarczającej
pojemności wodnej i niskich oporach przepływu – bez zintegrowanej pompy obiegowej
Stosowanie palników o dużym zakresie modulacji mocy oraz optymalnej konstrukcji powierzchni
grzewczych kotła, gdzie temperatura spalin będzie nieznacznie tylko przewyższać temperaturę
wody powrotnej do kotła
16