POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII PROCESOWEJ, MATERIAŁOWEJ I FIZYKI STOSOWANEJ KATEDRA PIECÓW PRZEMYSŁOWYCH I OCHRONY ŚRODOWISKA Agnieszka Klos „Niskoemisyjne i wysokosprawne urządzenia grzewcze małej i średniej mocy oraz ocena techniczna, ekonomiczna i ekologiczna na wybranych przykładach.”   Promotor: dr inż. Jarosław Boryca

Wstęp Nowoczesne systemy instalacyjne powinny spełniać podstawowe funkcje użytkowe, jak również zapewniać wygodę, komfort i optymalne koszty eksploatacji. Urządzenia muszą w pełni odpowiadać wymaganiom, a jednocześnie jak najmniej angażować użytkownika w proces obsługi, regulacji i serwisowania. Wybór kotła centralnego ogrzewania i sposobu przygotowania ciepłej wody użytkowej jest ważnym i często trudnym zadaniem, jakie stoi przed użytkownikiem. Przed dokonaniem wyboru systemu ogrzewania oraz zakupem odpowiedniego kotła grzewczego warto rozpatrzyć kwestie takie jak: rodzaj paliwa, jakie będzie spalał kocioł, zapotrzebowania na ciepło, zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową, umiejscowienie kotła, wybór typu kotła, przewidywane koszty eksploatacji. Niezwykle ważnym aspektem użytkowania urządzeń grzewczych jest ekologia. Warto zatem zwrócić uwagę na emisję zanieczyszczeń do atmosfery, jakie mogą wystąpić podczas eksploatacji danego urządzenia.

CEL I ZAKRES PRACY Celem pracy był przegląd niskoemisyjnych i wysokosprawnych urządzeń grzewczych małej oraz średniej mocy oraz ich ocena techniczna, ekonomiczna i ekologiczna na wybranych przykładach. Zakres pracy obejmował urządzenia grzewcze opalane paliwem gazowym, olejem opałowym, paliwem stałym (w tym ekologicznym) oraz energią elektryczną. W ramach pracy dokonano porównania poszczególnych typów kotłów pod względem technicznym oraz przeprowadzono ich analizę ekonomiczną i ekologiczną.

Podział kotłów ze względu na moc cieplną W różnych źródłach literaturowych granica podziału kotłów małej i średniej mocy jest różnie podawana. Najczęściej spotykana granica podziału kotłów pod względem mocy cieplnej wygląda następująco: kotły niskotemperaturowe małych mocy 14 – 67 kW, kotły średnich mocy 70 – 460 kW, kotły dużych mocy 460 – 9300 kW.

Podział urządzeń grzewczych ze względu na rodzaj stosowanego paliwa Kotły gazowe, Kotły olejowe, Kotły opalane paliwem stałym, Urządzenia zasilane energią elektryczną.

Kotły gazowe Wśród kotłów zasilanych gazem ziemnym bądź płynnym można wyróżnić następujące rodzaje: stojące i wiszące – ze względu na usytuowanie; jedno- i dwufunkcyjne – ze względu na możliwość podgrzewania wody; kotły z otwartą i zamkniętą komorą spalania – ze względu na sposób pobierania powietrza do spalania i odprowadzania spalin; tradycyjne i kondensacyjne – ze względu na skuteczność przekazywania ciepła.

Przykłady kotłów gazowych Kotły dwufunkcyjne (VUW) służą do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody użytkowej w sposób przepływowy. Kocioł z otwartą komorą spalania, pobierający powietrze z pomieszczenia. Sprawność urządzenia sięga 90% ; Nominalna moc cieplna 20 kW; Maksymalne zużycia gazu 2,3 m3/h ; Cena orientacyjna 3900 zł. Rys. 1. Kocioł dwufunkcyjny z otwartą komorą spalania, wiszący marki VAILLANT, model ATMOmax PLUS VUW200-5

Kocioł jednofunkcyjny czyli służący jedynie do ogrzewania pomieszczeń. Charakteryzuje się niskim zużyciem energii oraz niską emisją spalin do atmosfery NOx <50 mg/kWh, CO <10 mg/kWh. Jego zaletą jest również wysoka sprawność sięgająca 93%. Cena orientacyjna 4200 zł. Rys. 2. Kocioł jednofunkcyjny stojący; marki Viessmann, model Vitogas100

Kotły olejowe Kotły olejowe są obok gazowych jednymi z najpopularniejszych urządzeń grzewczych. Są stosowane na obszarach nie objętych siecią gazową, a dostawcę paliwa można dowolnie wybierać. Kotły na olej opałowy są w pełni zautomatyzowane i bezobsługowe, a więc wygodne w eksploatacji. Zgromadzony w zbiorniku zapas paliwa pozwala na długotrwałą i bezawaryjną pracę. W prawidłowo działającym kotle spalanie jest całkowite, a spaliny są stosunkowo czyste, a wiec niegroźne dla środowiska. Wadą kotłów olejowych są wyższe, w porównaniu z innymi paliwami, koszty wytworzenia takiej samej porcji energii.

Przykłady kotłów olejowych Kocioł żeliwny, stojący o zakresach mocy od 15 do 60 kW. Urządzenie jednofunkcyjne jednak istnieje możliwość podłączenia zasobnika. Maksymalne zużycie paliwa 1,3 – 1,5 kg/h. Kocioł charakteryzuje się wysoką sprawnością wynoszącą ok. 95%. Cena orientacyjna 7500 zł. Rys. 3. Kocioł jednofunkcyjny, stojący marki WOLF, model CHK

Niskotemperaturowy kocioł olejowy o mocy od 20 do 41kW. Dostępny jest w wersji jednofunkcyjnej (ogrzewanie) oraz dwufunkcyjnej (ogrzewanie i ciepła woda). Maksymalne zużycie oleju 3,8 kg/h. Zawartość CO w spalinach do 12%. Wykazuje sprawność do 94,5%. Cena orientacyjna 6800 zł. Rys. 4. Kocioł dwufunkcyjny marki Ulrich, model Ederlich 41

Kotły opalane paliwem stałym Paliwa stałe zawsze były i pewnie zostaną najtańsze, więc zasilane nimi kotły są w dalszym ciągu popularne, a na rynku pojawiają się wciąż nowi producenci. Kotły na węgiel mają różną konstrukcję zależną od sortymentu węgla, jaki ma być w nich spalany. Największym problemem użytkowników kotłów na paliwa stałe zawsze była konieczność częstego uzupełniania paliwa (nawet kilka razy na dobę). Obecnie problem ten przynajmniej częściowo rozwiązują automatyczne podajniki paliwa. Dzięki nim czas pomiędzy kolejnymi załadunkami paliwa wydłuża się nawet do kilku dni.

Przykłady kotłów opalanych paliwem stałym Kotły typu DEFRO KM stanowią nową generację kotłów opalanych miałem węglowym. Stosowane są w instalacjach centralnego ogrzewania i ciepłej wody. Urządzenie dostępne w zakresach mocy od 14 do 46 kW. Jednorazowy zasyp paliwa od 32 do 90 kg. Sprawność cieplna ok. 81,5%. Cena orientacyjna 3900 zł. Rys. 5. Kocioł marki DEFRO, model Defro KM

Kotły opalane paliwem ekologicznym Urządzenia opalane paliwem ekologicznym to nowość na naszym rynku, podobnie jak opał, który się w nich spala. Są bezpieczne dla środowiska, ale przede wszystkim pozwalają znacznie obniżyć koszty ogrzewania.  Kotły na pelety zastępują kotły olejowe lub węglowe w domach jednorodzinnych i niewielkich kotłowniach. Najprostsze kotły przeznaczone do spalania drewna (także węgla), nadają się do spalania zrębków, wiórów i innych odpadów bioorganicznych.

Przykłady kotłów na paliwo ekologiczne Stalowy kocioł grzewczy EKOPAL D jest przeznaczony do spalania drewna liściastego oraz iglastego, zrębek drewnianych, trocin oraz wierzby energetycznej. Dostępny w zakresach mocy od 25 do 45 kW. Orientacyjne zużycie drewna na sezon od 15 do 25 m3 . Sprawność ok. 78%. Cena orientacyjna 4500 zł. Rys. 6. Kocioł marki METALERG, model EKOPAL D

Kotły kondensacyjne Tradycyjne niekondensacyjne kotły nie wykorzystują całej energii zawartej w spalanym w nich paliwie. Część, zwana ciepłem utajonym, ulatuje z parą wodną wraz ze splinami. Aby do ogrzewania wody w kotle zostało wykorzystane także ciepło utajone, para zawarta w spalinach musi się skroplić, bo w tym procesie jest uwalniana energia. Skroplenie (kondensacja) pary wodnej nastąpi wtedy, gdy spaliny zostaną schłodzone do odpowiednio niskiej temperatury. Kotły tradycyjne są tak skonstruowane, by podczas ich pracy nie dochodziło do kondensacji. Temperatura spalin jest celowo utrzymywana na wysokim poziomie. To powoduje straty energii, bo część ciepła ze spalin ulatuje przez komin, zamiast ogrzać wodę. Kotły kondensacyjne posiadają większą sprawność od pracujących w tych samych warunkach kotłów niekondensacyjnych. Sprawność kotła to stosunek ilości ciepła przekazanego wodzie do ilości ciepła wytworzonego w procesie spalania. Sprawność kotłów kondensacyjnych przekracza 100%.

Przykłady kotłów kondensacyjnych VITOLAPLUS 300 jest stojącym olejowym kotłem kondensacyjnym dostępnym w zakresie mocy od 19,4 do 29,4 kW. Kocioł przystosowany jest do eksploatacji ze wszystkimi dostępnymi w handlu rodzajami olejów grzewczych. Urządzenie charakteryzuje się bardzo wysoką sprawnością sięgającą 103% oraz niską emisją zanieczyszczeń. Cena orientacyjna 1200 zł. Rys. 7. Kocioł dwufunkcyjny; marki VIESSMANN, model VITOLAPLUS 300

Kocioł Victrix 24 kW jest przepływowym, wiszącym kotłem kondensacyjnym z zamkniętą komorą spalania. Paliwem stosowanym w tym kotle jest gaz ziemny . Zastosowanie technologii kondensacyjnej daje wymierne oszczędności w zużyciu gazu oraz powoduje niską emisję spalin. Sprawność kotła sięga 107%. Cena orientacyjna 7700 zł. Rys. 8. Kocioł dwufunkcyjny; marki IMMERGAS, model Victrix 24 kW

Urządzenia zasilane energia elektryczną Ogrzewanie elektryczne często jest wybierane wtedy, gdy nie można doprowadzić do domu gazu ziemnego. Cieszy się także popularnością wśród właścicieli domów letniskowych. Ponadto jest stosowane jako awaryjne lub uzupełniające w domach ogrzewanych kominkiem, kotłem na paliwa stałe lub pompą ciepła. Jednym z urządzeń zasilanych energią elektryczna jest piec akumulacyjny. Jest to urządzenie, które grzeje ciągle, chociaż zasilane jest jedynie okresowo. Pracują ono w dwóch kolejno występujących po sobie okresach: ładowania i rozładowania. Elektryczne ogrzewacze akumulacyjne oddają ciepło do pomieszczenia rozładowując się statycznie lub dynamicznie.

Przykłady pieców akumulacyjnych Rys. 11. Piec ze statycznym rozładowaniem mocy; marki DOMGOS, model OAS 3. Rys. 10. Piec z dynamicznym rozładowaniem mocy; marki DIMPLEX, model VFMi 20. Piec z dynamicznym rozładowaniem mocy dostępny w zakresach mocy od 1,3 do 4,0 kW. Możliwość ogrzania pomieszczenia o powierzchni do 60 m2 , orientacyjna cena 2000 zł. Piec ze statycznym rozładowaniem mocy dostępny w zakresach mocy od 1,5 do 3,0 kW. Możliwość ogrzania pomieszczenia o powierzchni do 40 m2 , orientacyjna cena 1300 zł.

Analiza ekonomiczna i ekologiczna zastosowania wybranych kotłów małej i średniej mocy Dokonując wyboru odpowiedniego systemu grzewczego należy wyliczyć szacunkowe zapotrzebowanie budynku na ciepło, co pozwoli określić przybliżoną moc urządzenia. Rys. 12. Zapotrzebowanie ciepła w różnych rodzajach budynków.

Porównanie kotła kondensacyjnego i tradycyjnego Porównując parametry różnych urządzeń należy zwrócić uwagę dla jakich warunków są one podane. Chcąc dokonać porównania kotła kondensacyjnego z tradycyjnym musimy przede wszystkim zwrócić uwagę na jego sprawność. Zanim pojawiły się kotły kondensacyjne, w ilości ciepła wytwarzanego uwzględniano jedynie wartość opałową paliwa, a nie uwzględniano ciepła skraplania pary wodnej, które stanowi około 11% całego wytworzonego ciepła. Po dodaniu tych 11% możliwe jest uzyskanie sprawności przekraczającej 100 %. Rys. 13. Sprawności kotłów: kondensacyjnego i tradycyjnego.

Rys. 14. Porównanie sprawności poszczególnych kotłów. Teoretycznie możliwa do osiągnięcia sprawność kotła wynosi 111% (gaz ziemny), 109% (propan), 106% (olej opałowy). W praktyce nie da się uniknąć pewnych strat energii, które wynoszą na ogół 2-4 %. O tyle mniejsza jest rzeczywista sprawność obecnie produkowanych kotłów kondensacyjnych. Natomiast sprawności kotłów tradycyjnych wynoszą : kocioł węglowy- 86%, kocioł opalany paliwem ekologicznym- 90%, gaz płynny- 92%, gaz ziemny- 95%, olej opalowy- 97%. Dla porównania należy dodać, że sprawność kotła gazowego starego typu z lat 70-tych wynosiła do 75%. Rys. 14. Porównanie sprawności poszczególnych kotłów.

Koszty eksploatacji przy wyborze systemu ogrzewania Wybór rodzaju ogrzewania jest zawsze istotnym dylematem z uwagi na koszty inwestycji i eksploatacji. Zanim dokonamy wyboru odpowiedniego systemu ogrzewania dokonujemy kilku szacunkowych porównań. Pierwszym z nich będzie porównanie cen poszczególnych kotłów oraz kosztów związanych z ich instalacją. Poniższy wykres prezentuje szacunkowe zestawienie cen poszczególnych typów urządzeń grzewczych. Rys. 15. Szacunkowe porównanie cen poszczególnych kotłów.

Kolejnym kryterium decydującym o wyborze rodzaju ogrzewania jest cena paliwa. Porównanie kosztów ogrzewania jest tu istotną wskazówką, przy czym należy zaznaczyć, że największą stabilnością cen charakteryzuje się gaz ziemny oraz energia elektryczna. Takie paliwa jak olej opałowy, węgiel kamienny, drewno, gaz płynny podlegają wahaniom cenowym w zależności od okresu roku (zazwyczaj wyższe ceny w okresie grzewczym i dystrybutora. Dodatkowymi kosztami mogą być ponadto koszty transportu, zbiornika (dla gazu płynnego). Rys. 16. Szacunkowe koszty wytworzenia jednostki ciepła

Tabela 1. Wpływ spalania paliw na zanieczyszczenie środowiska Wybierając paliwo należy wziąć pod uwagę również jego wpływ na środowisko. Modne stają się paliwa (nośniki energii), o których można powiedzieć, że należą do ekologicznych. Za ekologiczne można uznać nowoczesne kotły na drewno i biomasę. Ilość dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery podczas spalania słomy nie jest większa niż wcześniej pobrana w procesie fotosyntezy przez przeznaczone na opał rośliny. Niewiele zanieczyszczeń powstaje także przy spalaniu gazu, nieco więcej przy spalaniu oleju. Najwięcej zanieczyszczeń emitują do środowiska kotłownie węglowe. Tabela 1. Wpływ spalania paliw na zanieczyszczenie środowiska Rodzaj zanieczyszczenia Poziom emisji [mg/MJ] Drewno i pelety Węgiel Olej opałowy Gaz ziemny Dwutlenek węgla 104000 78000 52000 Tlenek węgla 50 4500 Dwutlenek siarki 7 240 140 Tlenki azotu 43 70 40 Pyły 5 60

Rys. 17. Charakterystyka emisji CO2 różnych nośników energii. Rys. 18. Redukcja emisji substancji szkodliwych z kotłów kondensacyjnych .

Stwierdzenia i wnioski Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej wybranych urządzeń grzewczych można wysunąć następujące wnioski: 1. Kotły gazowe to urządzenia kupowane najczęściej. Charakteryzują się wysoką sprawnością. Produkowane są jako jednofunkcyjne i dwufunkcyjne oraz jako tradycyjne i kondensacyjne. Najlepszym wyborem jest kocioł kondensacyjny dwufunkcyjny. Jest on dość drogi, ale najbardziej wydajny i zarazem najmniej uciążliwy dla środowiska. Opalany gazem ziemnym, który jest najchętniej używanym paliwem, gwarantuje komfort i wygodę, ma najmniejszą wśród paliw kopalnych zawartość szkodliwych substancji w spalinach. Jest opłacalny pod względem ekonomicznym i ekologicznym, jednak nie zawsze dostępny. 2. Kotły olejowe – również osiągają wysoką sprawność, są jednak droższe od gazowych, wymagają większych nakładów finansowych związanych z serwisem. Paliwo, którym jest olej opalowy lub gaz płynny wymaga magazynowania w specjalnych zbiornikach. Olej opałowy jest mniej opłacalny niż gaz ziemny, jednak emisja zanieczyszczeń powstających w wyniku jego spalania jest równie niska jak gazu ziemnego.

3. Kotły na paliwa stale – ogrzewanie nimi domu jest stosunkowo nie drogie, ale nieco uciążliwe. Nie jest możliwa pełna automatyzacja procesu spalania, a poza tym kotły opalane węglem emitują do środowiska najwięcej zanieczyszczeń. Węgiel jest tańszy od pozostałych paliw i łatwiej dostępny, ale bardzo szkodliwy dla środowiska. Biomasa natomiast jest paliwem ekologicznym, ale i droższym do węgla kamiennego. Paliwa stałe również wymagają magazynowania. 4. Urządzenia elektryczne. Ogrzewanie energią elektryczną niesie za sobą wysokie koszty. Użytkownicy, którzy są zmuszeni ogrzewać dom prądem, wybierają grzejniki elektryczne, ogrzewanie podłogowe albo piece akumulacyjne. Ogrzewanie energią elektryczną jest również uciążliwe dla środowiska. Wprawdzie urządzenia grzewcze zasilane energią elektryczną nie emitują zanieczyszczeń bezpośrednio, ale w procesie jej wytwarzania spalany jest węgiel. Podsumowując, można stwierdzić, że najlepszym wyborem, co do systemu ogrzewania, jest kocioł gazowy kondensacyjny dwufunkcyjny. Jeśli jednak nie ma dostępu do sieci gazowej dobrą alternatywą może być kocioł opalany paliwem stałym w postaci biomasy.

Dziękuję za uwagę.