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

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.

Badanie sprawności systemów grzewczych

w budynkach jednorodzinnych

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

3

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

Rodzaje badanych systemów ogrzewania

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)

4

Projekt miał na celu uzyskanie odpowiedzi na podstawowe pytanie:

Cele stawiane w projekcie badawczym

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

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.

Ciepło

spalania

Wartość

opałowa

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.

6

Sprawność kotła – według różnych

poziomów odniesienia

Ciepło spalania

Wartość opałowa

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%.

7

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.

Porównanie sprawności kotłów biorących

udział w projekcie badawczym (67 kotłów)

Kocioł kondensacyjny Kocioł niskotemperaturowy

Liczba systemów grzewczych 60 7

Sprawność średnioroczna kotła:

- średnia

- minimalna

- maksymalna

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%.

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%

9

Obciążenie cieplne kotła oraz temperatury

pracy w zależności od rodzaju ogrzewania

Obciążenie cieplne kotła

Tem

pera

tura

wody (

oC

)

Zasilanie

Powrót

Zasilanie

Powrót

Ogrzewanie

grzejnikowe

(75/60oC)

Ogrzewanie

podłogowe

(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%.

10

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.

Sprawność pracy kotła w zależności

od jego obciążenia cieplnego

0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

0,95

0,90

0,85

0,80

0,75

0,70

Obciążenie cieplne kotła kondensacyjnego

Spra

wność*

* Sprawność odniesiona do ciepła spalania („górna” wartość opałowa)

Podczas badania średnie obciążenie

kotła w badanych 67 systemach,

wyniosło jedynie 9%, co wpłynęło

na niższe sprawności pracy.

11

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”)

Wpływ rodzaju regulatora kotła

na sprawność średnioroczną

Regulacja „pokojowa”

(pomiar temperatury

w pomieszczeniu

referencyjnym)

Regulacja pogodowa

(wyłącznie z czujnikiem

temperatury zewnętrznej)

Regulacja pogodowa + „pokojowa”

(korekta temperatury zasilania zależnie

od temp. w pomieszczeniu referencyjnym)

84,2% 87,3% 86,5%

Sprawność średnioroczna kotła (w odniesieniu do ciepła spalania („górnej” wartości opałowej))

Również kocioł kondensacyjny o najwyższej w badaniu sprawności (97,6%)

był wyposażony w regulator pogodowy.

12

Nowoczesne wiszące kotły kondensacyjne wyposażane są w zawory różnicowo-

upustowe 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.

Wpływ zastosowania zaworu różnicowo-

upustowego na sprawność średnioroczną

Kocioł bez zaworu różnicowo-upustowego Kocioł z zaworem różnicowo-upustowym

89,0% 85,0%

Sprawność średnioroczna kotła (w odniesieniu do ciepła spalania („górnej” wartości opałowej))

W kotłach starszego typu (w badaniu z 2004 r.) stosowano głównie pompy

obiegowe stałoobrotowe, co w połączeniu ze stosowaniem zaworów różnicowo-

upustowych wpływało na obniżanie sprawności średniorocznej.

13

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%.

Wpływ miejsca zabudowy kotła

na sprawność średnioroczną

Pomieszczenie nieogrzewane Pomieszczenie ogrzewane

86,6% 88,5%

Sprawność średnioroczna kotła (w odniesieniu do ciepła spalania („górnej” wartości opałowej))

14

W trybie podgrzewania ciepłej wody użytkowej, temperatura wody grzewczej

w kotle jest podwyższana co negatywnie wpływa na sprawność jego pracy.

Wpływ trybu podgrzewania ciepłej wody

użytkowej na sprawność pracy kotła

0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60

1,00

0,90

0,80

0,70

Udział ciepłej wody użytkowej

Spra

wność*

Im większy jest udział pracy

kotła na potrzeb wody

użytkowej tym niższa może

być jego 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:

15

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.

Ciepła wody użytkowa – „problem”

współczesnych budynków i kotłów

Vaillant

ecoCOMPACT

4,7-15,2 kW

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).

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

Chłodzenie

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji