Od lat kotły grzewcze charakteryzowały się sprawnością poniżej 100%, aż do lat 90. ubiegłego wieku, kiedy zaczęły się rozpowszechniać kotły kondensacyjne, osiągające znacznie wyższą sprawność. W zgodzie z ówczesnymi normami, sprawność tych kotłów przekraczała 100%.
Obecnie nowoczesne kotły niskotemperaturowe osiągają sprawność na poziomie do 95%, podczas gdy gazowe kotły kondensacyjne nawet do 109%. Różnica w warunkach eksploatacyjnych może wynosić około 15-20%, co przekłada się na obniżenie rocznego zużycia paliwa.
Warto również zauważyć, że proces spalania każdego paliwa zawierającego węgiel i wodór prowadzi do powstawania pary wodnej. W tradycyjnych kotłach para ta, wraz ze spalinami, opuszcza komorę spalania, niosąc ze sobą znaczną ilość niewykorzystanego ciepła.
Rysunek 1. Spalaniu paliw węglowodorowych, jak np. gazu ziemnego towarzyszy wytwarzanie się pary wodnej.
Tradycyjne kotły nie pozwalają na kondensację pary wodnej zawartej w spalinach, co uniemożliwia odzyskanie ciepła z tego procesu. Kondensat o kwaśnym odczynie, gdyby mógł powstać, działałby korozyjnie na standardowe powierzchnie grzewcze kotła wykonane ze stali lub żeliwa. Kotły kondensacyjne, dzięki specjalnej konstrukcji, umożliwiają schłodzenie spalin do niskiej temperatury, co prowadzi do skroplenia pary wodnej, a tym samym odzyskania niemal całego ciepła.
W kotle kondensacyjnym temperatura spalin jest znacznie obniżana dzięki rozbudowanym powierzchniom grzewczym. Wykraplanie pary wodnej z spalin zachodzi przy temperaturze niższej niż 57°C dla gazu ziemnego i niższej niż 47°C dla oleju opałowego. To skraplanie pary wodnej jest kluczowe dla efektywnego odzyskiwania ciepła w kotłach kondensacyjnych.
Rysunek 2. Z lewej strony – przekrój komory spalania gazowego kotła kondensacyjnego typoszeregu ecoTEC, z prawej – komora spalania olejowego kotła kondensacyjnego icoVIT exclusiv.
Podwyższenie sprawności kotła kondensacyjnego wynika nie tylko z efektywnego wykorzystania ciepła zawartego w parze wodnej spalin, ale także z obniżenia temperatury samej spalin. Nawet minimalne obniżenie o 20 stopni temperatury spalin przekłada się na około 1% wzrost sprawności pracy kotła. Nawet w przypadku, gdy kocioł nie pracuje w trybie kondensacji z powodu podwyższonej temperatury wody grzewczej, osiąga wyższą sprawność w porównaniu do kotłów „niekondensacyjnych”, dzięki niższej temperaturze spalin. To dodatkowo zwiększa ogólną efektywność kotła kondensacyjnego.
Rysunek 3. Porównanie poglądowe temperatury spalin kotła standardowego z kondensacyjnym (iwo.de).
Dlaczego sprawność powyżej 100%?
Przez długi czas, gdy kotły grzewcze nie posiadały zdolności skraplania pary wodnej z powodu ryzyka korozyjnego kondensatu, ich sprawność utrzymywała się poniżej 100%. Z tego powodu normy w większości krajów ustaliły wartość 100% jako punkt odniesienia, uwzględniając jedynie ciepło zawarte w suchych spalinach, pomijając parę wodną, która musiała być usuwana z kotła wraz ze spalinami. Pomimo braku zmian w normach, dodanie ciepła pozyskanego z kondensacji pary wodnej (teoretycznie maksymalnie +11%) do ostatecznego bilansu sprawności kotła kondensacyjnego, po odjęciu strat, pozwala osiągnąć sprawność sięgającą 109%.
Rysunek 4. Porównanie bilansów cieplnych kotłów gazowych.
W niektórych krajach wprowadzono nowe zasady obliczania sprawności, gdzie za 100% uznaje się ciepło zawarte zarówno w spalinach, jak i parze wodnej (ciepło spalania zamiast wartości opałowej). W takim przypadku kocioł kondensacyjny może osiągnąć sprawność do 98%, podczas gdy nowoczesne kotły niskotemperaturowe zazwyczaj nie przekraczają 85%. Niezależnie od przyjętej zasady w danym kraju do określania sprawności kotłów, efekt zastosowania kotła kondensacyjnego wciąż pozostaje niezmieniony w porównaniu do standardowych kotłów. Kluczowa jest różnica w sprawności między tymi dwoma rodzajami kotłów, wynosząca w warunkach eksploatacyjnych od 15% do 20%, a dla modernizowanych starych kotłów nawet do 40%.
Kotły kondensacyjne olejowe, ze względu na niższą zawartość pary wodnej powstającej przy spalaniu oleju opałowego, uzyskują niższe sprawności w porównaniu do kotłów gazowych, maksymalnie osiągając sprawność do 104-105%.