Gazowe i olejowe kotły kondensacyjne. Komin w wodzie

Popularność olejowych kotłów kondensacyjnych jest z wielu powodów mniejsza niż gazowych kotłów kondensacyjnych. Można tu zadać pytanie: na ile jest korzystne stosowanie kondensacyjnych kotłów olejowych w porównaniu do tradycyjnych kotłów olejowych i do gazowych kotłów kondensacyjnych?

Sprawność powyżej 100%

Kotły kondensacyjne charakteryzują się sprawnością energetyczną powyżej 100%. Nie jest to już tak niewiarygodny parametr jak jeszcze kilka lat temu, kiedy powodował pełne zdumienia i często agresywne pytania oraz gorące dyskusje. Jednak w kręgach osób spoza branży grzewczej ciągle nie jest on dostatecznie jasny i zrozumiały. Nie trudno się temu dziwić, przecież od początku naszej szkolnej edukacji wpajano nam logiczną zasadę, że sprawność procesów fizycznych, chemicznych czy urządzeń technicznych teoretycznie może wynosić 100%, ale w praktyce nigdy tej wartości się nie osiąga ze względu na występujące naturalne straty każdego procesu i działania. Ten problem od dawna czeka na odpowiednie uregulowanie i w niektórych krajach już się z nim uporano. My i jeszcze wiele krajów europejskich będziemy musieli „parę” lat poczekać. Dlaczego? W dalszej części tego artykułu znajdą się pewne sugestie wyjaśniające to zagadnienie.

Szczególny przypadek 
Jesteśmy już od lat przyzwyczajeni do tego, że nawet na produktach spożywczych podaje się wartość energetyczną zawartości. Wiemy, jaka jest kaloryczność masła, różnego rodzaju serów, makaronu itp. Nie można jednak spotkać produktu spożywczego, którego producent podawałby, że ma wartość energetyczną powyżej 100% w porównaniu do podobnych produktów własnych czy konkurencji. Ten szczególny przypadek zachodzi powszechnie w odniesieniu do kotłów kondensacyjnych, których sprawność jest wyjątkowa, ponad 100% i sprzeczna z podstawowymi zasadami naukowymi i logicznymi.  Ich sprawność powinna być wyznaczana w oparciu o logiczne i niebudzące zastrzeżeń zasady praw fizyko-chemicznych. Są jednak wyjątki. Skąd się one biorą?

Kotły kondensacyjne są zasilane paliwami węglowodorowymi. W wyniku spalania tych paliw powstaje dwutlenek węgla i para wodna. Najbardziej popularnym paliwem węglowodorowym jest gaz ziemny, który prawie w 100% składa się z metanu CH4. Poniżej podano równanie reakcji chemicznej spalania metanu:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q + q.

Ciepło wydzielane w trakcie spalania paliwa jest przez teorię spalania uznawane jako 100% ciepła reakcji spalania (Q). Nazwijmy go dla potrzeb tego artykułu „dużym ciepłem”. Powstaje jednak dodatkowe ciepło (q) podczas tej reakcji („małe ciepło”), które jest zawarte w parze wodnej. Para wodna to woda plus energia. Wie o tym każdy, kto chociaż raz w życiu gotował wodę na herbatę i jednocześnie obserwował licznik prądu elektrycznego. Jest go ok. 11% w porównaniu do ciepła Q.

Ułomność teorii spalania polega na tym, że całe powstałe ciepło jest sumą algebraiczną obu ciepeł, stąd całkowite ciepło reakcji spalania wynosi 111%. Jest to wartość teoretyczna wydajności energetycznej spalania metanu CH4. Ponieważ w przyrodzie nie ma rzeczywistych procesów o sprawności 100%, to przy takim sposobie liczenia ilości ciepła reakcji spalania i stratach rzędu 2%, mamy końcowy efekt sprawności energetycznej równy 109% (!), a więc powyżej 100%. Póki co musimy ten wynik akceptować.

Dwie definicje

Teoria spalania, dla uzasadnienia powyżej opisanych zależności, podpiera się aż dwoma różnymi definicjami wydajności energetycznej paliw węglowodorowych. Pierwsza określa tzw. wartość opałową paliwa, druga ciepło spalania. Wartość opałowa to „duże ciepło” określone wyżej symbolem Q. Ciepło spalania to suma obu ciepeł („dużego” i „małego”): Q+q.

W przypadku innych paliw węglowodorowych będzie inna ilość „ciepła małego”. Zależy to od udziału wodoru względem węgla w paliwie. Olej opałowy składa się z wielu związków węglowodorowych o symbolach chemicznych: C14H28, C15H30 … C20H40. Porównując skład chemiczny metanu i oleju opałowego, można zauważyć, że udział wodoru względem węgla dla metanu wynosi jak 4:1, natomiast dla oleju opałowego jak 2:1. Dwukrotnie mniejszy udział wodoru w oleju opałowym spowoduje powstanie podczas spalania tej samej, energetycznej ilości paliwa, dwukrotnie mniej pary wodnej, stąd i „małego ciepła” q będzie dwukrotnie mniej, tj. ok. 6% w porównaniu do „dużego ciepła” Q.

Jeśli teraz chcielibyśmy porównać sprawność kondensacyjnych kotłów gazowych i olejowych, napotykamy na problem, który komplikuje nam ocenę. Jeśli uznamy za teorią spalania, że wartość opałowa paliwa („duże ciepło”) wynosi 100%, to będziemy mieć teoretyczną wartość ciepła spalania w kondensacyjnym kotle gazowym 111%, a w kotle olejowym 106%. Przy tych samych stratach kominowych (tylko te rozważmy), wynoszących np. 2%, sprawność gazowego kotła kondensacyjnego będzie wynosiła 109%, podczas gdy olejowego 104%. Na podstawie tego wyniku nie mamy wątpliwości, który z nich jest bardziej korzystny energetycznie.

Natomiast jeśli przyjmiemy wbrew teorii spalania, że całkowite ciepło w paliwie – ciepło spalania („duże” + „małe”) – wynosi 100%, to przy 2% stratach kominowych sprawność kotłów dla obu paliw będzie taka sama i wyniesie 98%. Ten wynik (logicznie poprawny) nie rozstrzyga kwestii, co jest korzystniejsze, ale przekonuje, że zarówno kocioł gazowy, jak i olejowy, osiągają bardzo wysoką, bliską teoretycznej, sprawność energetyczną.

Wyższa sprawność olejowych 

W praktyce okazuje się, że kondensacyjne kotły olejowe mają wyższą sprawność energetyczną niż kotły gazowe i lepiej wykorzystują energię zawartą w paliwie do potrzeb grzewczych. Na polskim rynku można spotkać kondensacyjne kotły olejowe o sprawności rzędu 99%, a nawet 99,5%.

Ze względu m.in. na mniejszy udział „małego ciepła” w kotłach olejowych konstruktorzy dołożyli starań w celu podniesienia ich sprawności poprzez zwiększenie powierzchni wymiany ciepła ze spalin do wody grzewczej.  Jednym z rozwiązań jest umieszczenie stalowej komory spalania i odchodzących od niej rur spalinowych bezpośrednio w wodzie grzewczej. Komin w wodzie! W efekcie więcej ciepła odbierane jest ze spalin, a z komina uchodzą spaliny o niskiej temperaturze, rys. 1a i 1b. Niektóre z gazowych kotłów kondensacyjnych mają podobne rozwiązania konstrukcyjne.

Ogrzewanie olejem opałowym jest jednak droższe ze względu na cenę paliwa. Cena jest uzasadniona kosztami transportu i dodatkowej przeróbki ropy naftowej w rafineriach. Mimo to obserwuje się od 2006 roku w krajach Europy Zachodniej wzrost zastosowania kotłów olejowych. Często instalacje grzewcze z kotłami olejowymi są uzupełniane instalacjami solarnymi, odpowiednio dotowanymi na etapie inwestycji przez państwo i Unię Europejską. Jest to rozwiązanie optymalne w przypadku kotłów olejowych, jak i gazowych. Znaczna część energii grzewczej potrzebna jest bowiem na podgrzewanie wody użytkowej, co można latem realizować przy pomocy energii słonecznej.

Podobne inwestycje są realizowane i w Polsce, choć z trudem. Mamy ”45% dofinansowania” do instalacji solarnych dla: fiskusa, banku, audytora energetycznego, projektanta i odnośnych urzędów. A inwestor? Ten będzie miał przecież satysfakcję z posiadania instalacji solarnej, jeśli zainwestuje, wykaże się uporem w działaniu i odpowiednio się nabiega. Cieszmy się z tego, co mamy, niedługo będziemy zaskoczeni jeszcze bardziej oryginalnymi, odgórnymi pomysłami, dotyczącymi odnawialnych źródeł energii.

Ważne i korzystne… 

Dla rozluźnienia atmosfery i ku pocieszeniu użytkowników kondensacyjnych urządzeń grzewczych, warto wspomnieć o ważnych i korzystnych właściwościach eksploatacyjnych tych urządzeń oraz przeciwstawić się niesłusznemu i dość powszechnemu poglądowi na ich temat. Spotykam opinie, nawet fachowców branży grzewczej, którzy twierdzą, że jeśli kocioł kondensacyjny pracuje na wysokich parametrach i nie kondensuje, jego sprawność jest taka sama jak kotła niekondensacyjnego. Nieprawda.

Nawet w takiej sytuacji kocioł kondensacyjny będzie bardziej sprawny energetycznie, ponieważ ma większy i skuteczniejszy wymiennik ciepła niż kocioł niekondensacyjny. Na dowód tego wystarczy porównać w danych technicznych temperatury spalin dla kotłów pracujących z porównywalnymi mocami (rys. 1a i 1b), aż do mocy maksymalnych. Fachowcy mogą w celu oceny sprawności wykorzystać analizatory spalin, które mierzą sprawność energetyczną kotłów grzewczych w sposób nie budzący wątpliwości.

dr inż. Jan Siedlaczek

Rys. 1a (www.sbz_monteur.de).
Rys. 1b (www.sbz_monteur.de).

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