Kotłownie kaskadowe w oparciu o kotły wiszące. W grupie raźniej…

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

Część z dostępnych na rynku kotłów wiszących można łączyć w grupy kotłów pracujące razem pod kontrolą jednego wspólnego regulatora. „Kotły na paliwa gazowe o łącznej mocy cieplnej powyżej 60 do 2000 kW należy instalować w służącym wyłącznie do tego celu pomieszczeniu technicznym lub w budynku wolnostojącym przeznaczonym wyłącznie na kotłownię.” Tak mówi § 176. pkt 4 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690 z 2002 r. wraz ze zmianami).
Kotłownie sytuowane mogą być także na najwyższej kondygnacji… Tylko jak umieścić w takim pomieszczeniu kocioł o mocy np. 500 kW lub więcej? Urządzenia tego typu ważą nierzadko ponad 500 kg, do tego dochodzi masa wody kotłowej rzędu np. 500 kg… Oczywiste jest, że strop nie będzie w stanie wytrzymać takich miejscowych obciążeń. Mimo to inwestor decyduje się na umiejscowienie kotłowni na najwyższej kondygnacji ze względu np. na:

  • brak podpiwniczenia lub trudności w jego wykonaniu,
  • przeznaczenie najniższej kondygnacji np. na garaże lub działalność handlowo-usługową,
  • brak potrzeby budowanie komina i długich kanałów odprowadzających spaliny z najniższej kondygnacji,
  • możliwość stosowania kotłów o stosunkowo niskim dopuszczalnym nadciśnieniu roboczym, z uwagi na brak występowania naporu wysokiego słupa wody,
  • krótkie przewody spalinowe umożliwiające łatwiejsze zastosowanie kotłów kondensacyjnych, które, jak wiemy, oferują większą sprawność niż konstrukcje tradycyjne,
  • bezproblemowe rozwiązanie wentylacji pomieszczenia kotłowni,
  • mniejsze zagrożenie dla użytkowników budynku w przypadku pożaru.

Jak więc „zrobić” kotłownie na najwyższej kondygnacji? Z pomocą przychodzą nam producenci kotłów wiszących, które są, w porównaniu z kotłami stojącymi, bardzo lekkie – przecież można je montować na ścianie. Lekka konstrukcja kotła oparta jest m.in. na małej pojemności wodnej, ale wymaga zapewnienia przepływu wody grzewczej przez kocioł w trakcie pracy. Jednak (jak dobrze wiemy) moce pojedynczych kotłów wiszących są znacznie mniejsze niż wspomniane na początku np. 500 kW. Okazuje się, że cześć z dostępnych na rynku kotłów wiszących można łączyć w grupy kotłów pracujące razem pod kontrolą jednego wspólnego regulatora. Taka grupa współpracujących kotłów nazywa się kaskadą kotłów, a regulator będzie nazywał się regulatorem kaskadowym. Do dyspozycji użytkownika powstaje zatem system o maksymalnej dostępnej mocy grzewczej wynikającej z sumy mocy poszczególnych urządzeń (np. 8*105 kW, czyli 840 kW) z bardzo dużym zakresem modulacji wynikającym z połączenia zakresów modulacji poszczególnych kotłów, np. 30-840 kW dla kaskady 8*105 kW, a więc z możliwością płynnej regulacji mocy w zakresie od 3,5 do 100%.

Jeśli dodatkowo założymy, że kotłownia kaskadowa oparta będzie o kotły kondensacyjne, uzyskujemy system niezwykle efektywny, mogący dopasować się oddawaną mocą do zapotrzebowania przez cały sezon bez ryzyka nadmiernego taktowania kotła. Jest to szczególnie istotne w obiektach o zmiennym zapotrzebowaniu na ciepło, np. hotel lub pensjonat nie musi ogrzewać niewykorzystywanych pokoi, a mniejsze zapotrzebowanie na ciepło spowoduje wyłączenie części kotłów z kaskady, gdy pozostałe będą pracować, płynnie modulując moc.
Nie bez znaczenia jest również wysoka niezawodność kotłowni złożonej z więcej niż jednego kotła. Ryzyko awarii wszystkich kotłów praktycznie nie istnieje, a jeśli nastąpi awaria pojedynczego kotła, pozostałe sprawne kotły dostarczą energię cieplną do pomieszczeń.
Nie zapominajmy przy tym, że konieczna jest przynajmniej coroczna inspekcja serwisowa każdego kotła w celu zapewnienia stałego, wysokiego poziomu niezawodności urządzeń.
W skrócie niewątpliwymi zaletami kotłowni kaskadowych są:

  • łatwy oraz szybki proces projektowania i wykonania kotłowni pod klucz,
  • zmniejszenie emisji hałasu w porównaniu do kotła stojącego,
  • wysoka sprawność i szeroki zakres regulacji mocy cieplnej,
  • wysokie bezpieczeństwo produkcji i dostawy ciepła,
  • szerokie możliwości automatyki,
  • możliwość odprowadzenia spalin jednym przewodem kominowym.

Na rynku znajdziemy kotły wiszące z opcją pracy w kaskadzie lub gotowe kompletne rozwiązania kaskadowe, gdzie oprócz kotłów dostajemy zestaw montażowy wraz z kompletną hydrauliką: pompy kotłowe, przewody zasilające i powrotne, przewody doprowadzające gaz, sprzęgło hydrauliczne i system spalinowy (lub spalinowo-powietrzny).

Odprowadzanie spalin
Istotnym elementem prawidłowo wykonanej (i zgodnej z polskimi przepisami) kotłowni kaskadowej jest układ odprowadzania spalin. Najprościej jest, oczywiście, każdy kocioł podłączyć do osobnego, niezależnego przewodu spalinowego (spalinowo-powietrznego), wymaga to jednak przygotowania i wykonania odpowiedniej ilości tychże przewodów. Warto wiedzieć, że polskie przepisy dopuszczają odprowadzanie spalin z kotłowni kaskadowej wspólnym przewodem:
§ 174 (Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz. U. Nr 75, poz. 690 z 2002 r. wraz ze zmianami).
(…)
3. Dopuszcza się stosowanie zbiorczych przewodów systemów powietrzno-spalinowych przystosowanych do pracy z urządzeniami z zamkniętą komorą spalania, wyposażonymi w zabezpieczenia przed zanikiem ciągu kominowego.
(…)
5. Dopuszcza się w pomieszczeniu kotłowni przyłączenie kilku kotłów do wspólnego kanału spalinowego w przypadku:
1) kotłów pobierających powietrze do spalania z pomieszczenia pod warunkiem zastosowania skrzyniowego przerywacza ciągu lub wyposażenia kotłów w czujniki zaniku ciągu kominowego wyłączających równocześnie wszystkie kotły,
2) wykonania dla kotłów z palnikami nadmuchowymi przewodu spalinowego o przekroju poprzecznym nie mniejszym niż 1,6 sumy przekrojów przewodów odprowadzających spaliny z poszczególnych kotłów, a także wyposażenie wylotu przewodu spalinowego w czujnik zaniku ciągu kominowego, wyłączającego równocześnie wszystkie kotły.
8. Dopuszcza się instalowanie przepustnic w przewodach odprowadzających spaliny z poszczególnych urządzeń, jeżeli ich działanie nie zakłóca przepływu spalin.
Analizując przepisy od ostatniego przytoczonego punktu, należy przewidzieć odpowiedniej wielkości przewód spalinowy, aby jego pole przekroju stanowiło nie mniej niż 1,6 sumy przekrojów. Jeśli więc kocioł przykładowo wymaga średnicy przewodu spalinowego 100 mm, a kotłownia kaskadowa składa się z np. ośmiu takich kotłów, to przewód zbiorczy powinien mieć średnicę minimum:

pole przekroju przewodu spalinowego dla pojedynczego kotła = π * D2/4,
P = π * 100 mm2/4 ≈ 7854 mm2.

Minimalne pole przekroju zbiorczego przewodu spalinowego (dla 8 kotłów):
Pk = 1,6 * 8 * 7854 = 100531 mm2,

Zalecana średnica wynosi więc:
(4*Pk/π)1/2 ≈ 357,8 mm,
czyli przynajmniej 36 cm.

Dla kaskady 4 kotłów przewód spalinowy miałby przykładowo średnicę ok. 26 cm. Jeśli kocioł wymaga standardowo przewodu spalinowego średnicy min. 80 mm, to kaskada 8 lub 4 sztuk wymagałaby odpowiednio ok. 28,6 cm i 20,2 cm średnicy.
Pozostałe fragmenty § 174 mówią o konieczności stosowania zabezpieczeń wykrywających zanik ciągu kominowego w którymkolwiek z kotłów i wyłączających wszystkie kotły po wykryciu tegoż zaniku ciągu kominowego. Ze względu na dużo większą średnicę wspólnego przewodu spalinowego niż przewodu do pojedynczego kotła należy zwrócić uwagę, że prędkości spalin z pracującego tylko jednego kotła w kaskadzie będą bardzo małe (np. ok. 0,6 m/s dla kaskady 4 x 60 kW), toteż aparatura pomiarowa musi być precyzyjna. Czy producent kotłowni kaskadowej oferuje takie rozwiązanie? Kolejnym elementem powinno być zabezpieczenie uniemożliwiające przedostawanie się spalin ze zbiorczego przewodu spalinowego do komory spalania aktualnie wyłączonego kotła. To zabezpieczenie realizowane jest często przez zawory klapowe lub, co wydaje się być lepsze, poprzez zawory kulowe, w których kula po wyłączeniu kotła opada grawitacyjnie i blokuje drogę powrotną spalinom do kotła. Po uruchomieniu kotła wentylator palnika wytwarza odpowiednio duży spręż, aby kula uniosła się i umożliwiła wydmuch spalin z komory spalania.
Producenci kotłowni kaskadowych oferują gotowe systemy spalinowe (wraz z wymaganymi zabezpieczeniami), a także kompletne rozwiązania powietrzno-spalinowe, a wiec również doprowadzające powietrze do kotłów. Najbardziej zaawansowanym i charakteryzującym się największą sprawnością będzie system koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych, ale układ taki, ze względu na opory przepływu powietrza i spalin, będzie dopuszczał stosunkowo krótkie długości przewodów. Do wyboru pozostają także systemy doprowadzania powietrza przez ścianę. Jeśli jednak zdecydujemy się na doprowadzanie powietrza do kotłów z pomieszczenia kotłowni, to pamiętajmy o konieczności doprowadzenia odpowiedniej jego ilości do pomieszczenia kotłowni (należy uwzględnić przepisy dotyczące m.in. wielkości pola przekroju otworu nawiewnego i zalecanej kubatury pomieszczenia) z uwzględnieniem, że w myśl przepisów kocioł, który zasysa powietrze z pomieszczenia, jest urządzeniem gazowym typu B, czyli prościej – urządzeniem z otwartą komorą spalania, niezależnie od rozwiązania konstrukcyjnego producenta kotła.

Automatyka
Jak wcześniej wspomniano, sens pracy kaskadowej jest tylko wtedy, gdy kotły pracują we wspólnej instalacji grzewczej. Jak wszyscy wiemy, kotły wiszące wymagają stosowania pomp obiegowych. Aby umożliwić bezproblemową pracę tych pomp w systemach z pompami obiegowymi na poszczególnych obiegach grzewczych, kotłownia powinna być odseparowana sprzęgłem hydraulicznym. Warto więc sprawdzić, czy sprzęgło będzie dostarczone w komplecie, czy trzeba je zamawiać osobno.
Jako dopełnienie kompletnej kotłowni kaskadowej, niezbędna jest automatyka, która wysteruje pracą systemu. Regulator kaskadowy powinien być oczywiście regulatorem pogodowym, a więc takim, który płynnie dopasowuje temperaturę zasilania instalacji do panujących warunków na zewnątrz, a tym samym – do zmiennego zapotrzebowania budynku na ciepło. Tylko regulacja pogodowa zapewni efektywną i ekonomiczną eksploatację kotłowni kaskadowej, jak i kotłowni zbudowanej w oparciu o jeden kocioł. Zależność między temperaturą zasilania instalacji a temperaturą otoczenia ustalana jest poprzez wybór odpowiedniej dla budynku krzywej grzewczej. Regulator kaskadowy poprzez złącza komunikacyjne będzie sterował pracą poszczególnych kotłów wyposażonych najczęściej w automatykę stałotemperaturową. Decyzja o załączeniu kotła i chwilowej mocy należy do regulatora kaskadowego. Algorytm pracy kaskady powinien tak sterować pracą kotłów, aby każdy z nich jak najdłużej pracował w pełnym zakresie kondensacji i z jak najwyższą sprawnością. Jak zapewne wszyscy wiemy, kotły kondensacyjne mają najwyższą sprawność przy najniższej mocy. Sprawność spada, jeśli moc kotła kondensacyjnego zwiększa się i jest najniższa dla kotła pracującego z pełną mocą.
Na zakończenie dodajmy, że kotłownie kaskadowe mogą być także realizowane w konfiguracjach kotłów stojących, ale wtedy z wiadomych względów nie umiejscowimy takiej kotłowni na najwyższej kondygnacji budynku.
dr inż. Paweł Kowalski

Literatura:
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dz. U. nr 75, poz. 690 z 2002 r. wraz ze zmianami.
2. Dokumentacje techniczne Viessmann Sp. z o.o.

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij