Wprowadzenie
„Przyniosłem obliczenia pieca kondensacyjnego – powiedziałem. Jakiego pieca? Piec ma Pan u babci a tutaj widzę obliczenia termiczne kotła kondensacyjnego” – powiedział promotor mojej pracy dyplomowej. Historia ta zdarzyła się jeszcze w ubiegłym wieku na Politechnice Poznańskiej. No właśnie, niektórzy klienci myśląc o kotle używają pojęcia piec, a przecież piec to urządzenie służące do miejscowego ogrzewania pomieszczenia. Palenisko pieca znajduje się w ogrzewanym pomieszczeniu. Piece przekazują ciepło na drodze konwekcji i promieniowania i stare konstrukcje charakteryzowały się słabą sprawnością i kiepskimi możliwościami regulacji, a przy niewłaściwym użytkowaniu mogły być niebezpieczne i powodować śmiertelne zaczadzenia. Dlatego zostały wyparte przez kotły. Kotły to obecnie nasz chleb powszedni w technice grzewczej, ale powoli coraz większą rolę zaczynają odgrywać pompy ciepła.

Kotły – dlaczego są tak popularne?
Wracając do kotłów – kotły rozprowadzają ciepło za pomocą czynnika grzewczego jakim najczęściej jest woda, mieszanki niezamarzające na bazie glikoli lub nawet olej termalny. O ile woda w warunkach normalnych wrze w temperaturze 100 [°C] przez co maksymalna temperatura pracy większości kotłów nie przekracza 90 [°C] o tyle olej termalny pozwala na osiąganie temperatur rzędu 400 [°C] przez co można go wykorzystać do produkcji pary lub innych wysokotemperaturowych procesów technologicznych.

Można powiedzieć, że kocioł jest sercem instalacji grzewczej, ale bez instalacji kocioł będzie bezużyteczny, ponieważ nie będzie jak miał przekazać ciepła do odbiorników: grzejników czy też instalacji ogrzewania podłogowego. Przyjmuje się, że pierwszy kocioł powstał pod koniec XIX w.

Wróćmy jeszcze na chwilę do pieców. Wydajność powierzchniowa XIX-wiecznych konstrukcji pieców mieściła się w zakresie 600 ÷ 3000 [W/m²]. W XX w. poprzez zmiany konstrukcyjne (wprowadzenie dodatkowego ożebrowania) wydajność pieców wzrosła do 6900 [W/m²] jednak na nic się to zdało. ponieważ kotły grzewcze mogły zaoferować wydajności sięgające nawet 14 000 [W/m²]. Przy przeciętnym sposobie palenia w piecu 1 raz w ciągu dnia przez ok. 2 [h] praktyczna wydajność powierzchniowa pieca wynosiła ~ 250 [W/m²].

W epoce kotłowej najpierw paliwem był węgiel lub drewno, a później gaz ziemny, płynny i olej opałowy. Zaletą nowych paliw była łatwość automatyzacji procesu spalania. O ile wygaszenie kotła na węgiel jest procesem długotrwałym trwającym – w zależności od ilości załadowanego paliwa – od kilkudziesięciu minut do kilku godzin (żar przecież może utrzymywać się przez całą noc) o tyle w przypadku kotłów gazowych i olejowych wystarczy odciąć dopływ paliwa i już po kłopocie – kocioł wyłączony. W przypadku drewna proces wygaszania trwa krócej ponieważ drewno spala się szybciej.

Cały XX w. to proces rozwoju konstrukcji kotłów, w kierunku zwiększania ich sprawności, bezpieczeństwa oraz łatwości użytkowania, co wiązało się z rozwojem automatyki. Na początku regulacja kotła polegała na utrzymywaniu zadanej temperatury na kotle. Czynnik grzewczy o temperaturze kotła trafiał później na grzejniki. Ten sposób sterowania miał miejsce w przypadku prostych kotłów na paliwo stałe wyposażonych w miarkowniki ciągu i współpracujących z instalacjami grawitacyjnymi. Później dotyczył również kotłów gazowych wyposażonych w prostą automatykę wyposażoną w termoparę i zasilaną ciśnieniem gazu jak np. w kotłach marki Elgaz lub Elka, które jeszcze gdzieniegdzie pracują do dzisiejszego dnia (rys. 1).

Wraz z pojawieniem się kotłów gazowych i olejowych wyposażonych w palniki zasilane prądem elektrycznym pojawiła się możliwość wyłączania kotła (gaz, olej) poprzez termostat pokojowy w przypadku nagrzania pomieszczenia do wymaganej temperatury.

Kolejnym krokiem rozwoju automatyki było wprowadzenie regulacji pogodowej, w której temperatura czynnika grzewczego zależała od temperatury zewnętrznej – regulacja wg. tzw. krzywej pogodowej (rys. 2). Im niższa temperatura zewnętrzna tym większe straty ciepła w budynku i tym więcej energii muszą dostarczyć grzejniki. Z kolei ilość energii dostarczanej przez grzejniki jest tym większa, im wyższa temperatura grzejnika w stosunku do temperatury jego otoczenia (temperatura wewnętrzna budynku).

Praktycznie na przełomie XX i XXI w. kotły osiągnęły swój maksymalny rozwój (sprawność nie może wzrastać nieskończenie) i dalszy postęp szedł w kierunku rozwoju systemów sterowania oraz wykorzystaniu do budowy tańszych, ale dedykowanych dla urządzeń grzewczych tworzyw sztucznych.

Dyrektywa ErP
Aż nadchodzi 26.09.2015 w którym to w Unii Europejskiej zaczęła obowiązywać dyrektywa w sprawie ekoprojektu, tzw. ErP (Energy related Products / produkty związane z energią). Branży grzewczej dotyczą głównie dyrektywy o numerach 813/2013 (kotły) oraz 812/2013, 814/2013 (podgrzewacze CWU). Spowoduje to wyrugowanie z oferty producentów kotłów niskotemperaturowych. Od teraz do celów grzewczych, do mocy 400 [kW] włącznie i poza nielicznymi wyjątkami można stosować tylko kotły kondensacyjne. Dyrektywa ErP wprowadza obowiązek podawania klasy efektywności energetycznej urządzeń grzewczych tzn. kotłów kondensacyjnych, pomp ciepła oraz podgrzewaczy CWU. Dla urządzeń grzewczych o mocach do 70 [kW] i podgrzewaczy o pojemnościach do 500 [l] wymagana jest tzw. etykieta energetyczna (rys. 3). Urządzenia grzewcze powyżej 70 [kW] i 500 [l] nie muszą posiadać etykiety energetycznej, ale powinny spełniać wymogi dyrektywy ErP.

W ten sposób doszliśmy do naszych czasów kiedy w ofercie producentów urządzeń grzewczych dostępne są praktycznie tylko kotły kondensacyjne i pompy ciepła.

Ważnym parametrem podawanym przy kotle kondensacyjnym jest jego sprawność. Przed dyrektywą ErP sprawność kotła była odnoszona do wartości opałowej paliwa, co powodowało, że sprawność kotła była większa od 100 % co w latach 90 ubiegłego wieku wzbudzało nadmierną podejrzliwość u niektórych klientów, którzy pamiętali jeszcze lekcje fizyki. Sam pamiętam klienta na targach, który kiwając przecząco głową mówił do mnie: „Proszę mi dalej nie tłumaczyć. Sprawność powyżej 100 % jest niemożliwa”. Jeżeli jednak klient miał czas i otwartą głowę wtedy można mu było opowiedzieć o różnicach między wartością opałową a ciepłem spalania paliwa. Otóż wartość opałowa podaje nam ilość ciepła jaką możemy uzyskać ze spalenia gazu, ale bez uwzględnienia utajonego ciepła parowania wody. Ciepło spalania uwzględniało już to ciepło. Wartość opałowa gazu ziemnego typu E (dawniej GZ50) wynosi ok. 10 [kWh/nm3] a ciepło spalania ok. 11 [kWh/nm3]. Skrót nm3 to objętość podawana m3 w warunkach normalnych tzn. w temperaturze 0 [°C] i przy ciśnieniu 1013,25 [hPa]. Im więcej atomów wodoru zawiera w cząsteczce paliwo tym chętniej będzie ono kondensowało i tym większa różnica będzie między ciepłem spalania a wartością opałową.

Na rys. 4 przedstawiono budowę cząstek popularnych paliw. Dobrze widać, że w przypadku metanu stosunek ilości atomów wodoru H do węgla C jest najkorzystniejszy. To dlatego, jak pokazano na rys. 5, gaz ziemny zaczyna kondensować już w temperaturze około 56 [C°] a olej około 45 [C°].

Z wykresu przedstawionego na rys. 5 wynika, że aby kocioł kondensował konieczne jest schłodzenie spalin do temperatury poniżej punktu rosy. To dlatego kotły kondensacyjne najlepsze sprawności osiągają przy współpracy z ogrzewaniem podłogowym lub ściennym, gdzie temperatura czynnika wynosi 35 ÷ 45 [C°] na zasilaniu i około o 5 ÷ 10 [K] mniej na powrocie. Proces wymiany ciepła nie jest idealny i w praktyce temperatura spalin w zależności od obciążenia kotła osiąga temperaturę wyższą o ~ 10 [K] przy pełnej mocy i o ~ 5 [K] niższą przy obciążeniu 30 %. Np. dla parametrów pracy typowej „podłogówki” 40/30 [°C] temperatura spalin w zależności od obciążenia waha się w zakresie 50 ÷ 35 [°C]. W przypadku ogrzewania podłogowego kondensacja możliwa jest więc w całym sezonie grzewczym. Przy instalacji grzewczej z grzejnikami, gdzie parametry pracy wynoszą np. 70/50 [°C], kondensacja jest również możliwa. Maksymalna temperatura 70 [°C] na zasilaniu wymagana jest w najzimniejsze dni, a tych jest niewiele w sezonie grzewczym. W okresach przejściowych i przy sterowaniu pogodowym kocioł będzie pracował z niższymi temperaturami na zasilaniu i oczywiście będzie kondensował.

W związku z niższą temperaturą spalin oraz większym ciężarem właściwym spalin (również na skutek braku pary wodnej) niemożliwym jest uzyskanie ciągu naturalnego w kominie. Dlatego kotły kondensacyjne wyposażone są w palniki wentylatorowe.

Zagadnienia praktyczne
Komin do którego będzie podłączony kocioł kondensacyjny musi być szczelny, przewidziany do pracy na mokro i odporny na działanie kondensatu. Najbardziej popularne są wkłady kominowe ze stali szlachetnej. Spotyka się również wkłady wykonane z aluminium, a ostatnio również polipropylenu wysokotemperaturowego, chociaż to ostatnie rozwiązanie przyjmowane jest z oporami przez środowiska kominiarskie. Skoro komin ma być szczelny to musi być wyposażony w uszczelki. I tu dość częstym błędem jest niestosowanie przez instalatorów, podczas montażu komina środka poślizgowego, przez co uszczelki są uszkadzane lub podwijają się. W efekcie taki komin traci szczelność.

Kondensacja może nastąpić nie tylko w kotle, ale również w przewodzie spalinowym, zwłaszcza jeżeli mamy do czynienia z systemem koncentrycznym. Ważne jest więc takie prowadzenie komina aby nigdzie nie zalegał kondensat. Dotyczy to głównie odcinków poziomych, które muszą być poprowadzone ze spadkiem ~ 5 % w kierunku kotła.

W niektórych sytuacjach taki zalegający kondensat przewęża nam kanał spalinowy i może uniemożliwić nawet start kotła.

Warto w tym miejscu również wspomnieć, że nowoczesne urządzenia grzewcze wyposażone są w energooszczędne pompy obiegowe na bazie magnesów neodymowych. Pompy te są wrażliwe na zanieczyszczenia o charakterze ferromagnatycznym, które stopniowo osadzają się na rotorze pompy obiegowej, ostatecznie blokując ją. Takim zanieczyszczeniami mogą być opiłki stalowe lub magnetyt pochodzący ze stalowych elementów instalacji. Nowoczesną instalację grzewczą koniecznie należy wyposażyć w separator magnetyczny.

Obecnie można kupić wyłącznie kotły kondensacyjne i klientom ostatecznym odpadł problem z podjęciem decyzji, czy wybrać tańszy w zakupie kocioł niskotemperaturowy, ale droższy w eksploatacji, czy droższy w zakupie kocioł kondensacyjny, ale tańszy w eksploatacji. Większość dostępnych na rynku kotłów kondensacyjnych to kotły gazowe. Zdarzają się również olejowe, jednak cieszą się mniejszą popularnością.

Na koniec trochę o ideologii
Systemy ogrzewania i źródła ciepła zmieniają się cały czas. O ile wiek XIX należał do pieców, wiek XX do kotłów to zobaczymy, czy wiek XXI będzie wiekiem pomp ciepła. W Europie może tak, ale czy na Świecie? Jak na razie, moim zdaniem, w Europie decyzje odnośnie źródeł energii podejmowane są ze względów ideologicznych, a nie merytorycznych. Następuje odwrót od kopalnych źródeł ciepła, a np. w 2022 r. światowa produkcja węgla osiągnęła rekordowy poziom ponad 8,6 mld ton. Chiny obecnie (2023 r.) prowadzą budowę elektrowni węglowych o mocy 243 GW. Taka moc wystarczy do zasilenia Niemiec (raport GEM i CREA).

Ideologiczne wycinanie kotłów grzewczych i wprowadzanie na siłę pomp ciepła wpędzi Europę w kłopoty, ponieważ o zastosowaniu danego źródła ciepła powinna decydować ekonomia i możliwości techniczne.

Rafał Burzyński
autor niezależny