Sodobni plinski kotli

Sodobna tehnologija, predvsem na področju kondenzacijske tehnike, omogoča visoke izkoristke ogrevalnih kotlov in s tem zmanjšanje porabe goriva. Zaradi obratovanja v nižjem temperaturnem režimu so toplotne izgube kotla in toplotne izgube z odvedenimi plini minimalne v primerjavi z zastareli izvedbami kurilnih naprav.

Sodobna tehnologija, predvsem na področju kondenzacijske tehnike, omogoča visoke izkoristke ogrevalnih kotlov in s tem zmanjšanje porabe goriva. Zaradi obratovanja v nižjem temperaturnem režimu so toplotne izgube kotla in toplotne izgube z odvedenimi plini minimalne v primerjavi z zastareli izvedbami kurilnih naprav.

Z ekološkega stališča je plin najprimernejši za uporabo v ogrevalnih kotlih. Zemeljski plin je kot energent cenovno ugodnejši kot utekočinjeni naftni plin, manjši so tudi investicijski stroški, ker ne potrebujemo rezervoarja z ustrezno instalacijo. Sodobni kotli na plinasta goriva so nizkotemperaturni ali kondenzacijski. Pri nizkotemperaturnih kotlih je temperatura ogrevalne vode med 40 in 75 °C, kar je odvisno od zunanje temperature. Pri teh kotlih ne izkoriščamo kondenzacijske toplote, vendar so kljub temu zelo učinkoviti in ekonomični, normirani izkoristki znašajo do 95 odstotkov. Pri kondenzacijskih kotlih izkoriščamo še kondenzacijsko toploto, zato so računski izkoristki še boljši in dosegajo teoretično 111 odstotkov pri uporabi zemeljskega plina in 108 do 109 odstotkov pri uporabi utekočinjenega plina (propana - butana). Tako visokih izkoristkov pri obratovanju ne dosegamo, saj zaradi spremenljivega temperaturnega režima, ki ji odvisen od temperature okoliškega zraka in posledičnih toplotnih izgub (izgube z dimnimi plini, sevalne izgube, neizkoriščena kondenzacijska toplota), kotel ne obratuje z maksimalno možno stopnjo kondenzacije. Kondenzacijski kotli na zemeljski plin dosegajo normirane izkoristke do 109 odstotkov pri ogrevalnem režimu 40/30 °C. Normiran izkoristek služi za primerjavo med kotli različnih proizvajalcev. Izračunana vrednost pove, v kolikšnem odstotku se pri obratovanju kotla v ogrevalni sezoni vnesena energija z gorivom pretvori v koristno ogrevalno toploto. Plinske kotle uporabljamo za ogrevanje stanovanj, etažna ogrevanja, ogrevanje eno družinske hiše ali centralno ogrevanje več stanovanjskega objekta. Namenjeni so tudi za lokalno in centralno pripravo tople sanitarne vode. Možne so vse variante. S kotli zagotavljamo samo ogrevanje ali pripravo sanitarne vode ali oboje. Tudi pri pripravi tople sanitarne vode lahko varčujemo z energijo. Konstrukcijske izvedbe grelnikov sanitarne vode so različne. Izvedba grelnika z dvema ločenima priključkoma za povratni vod omogoča temperaturno slojevitost, zato se voda v gornjem delu grelnika hitreje segreje in s tem bistveno povečuje raven izkoristka pri pripravi tople sanitarne vode. V primeru, da želimo stanovanje ali enodružinsko hišo ogrevati in pripravljati toplo sanitarno vodo z enim plinskim kotlom, uporabimo kombinirani stenski obtočni kotel. Ta opravlja funkcijo centralnega ogrevanja in pripravo tople sanitarne vode na pretočen ali akumulacijski način. Kotel namestimo na steno. Prilagojen mora biti za vgradnjo v kopalnico, kuhinjo, predsobo itd. V družinskih hišah kotel običajno namestimo v pomožne prostore ali klet. Za lokalno ogrevanje ne smemo uporabljati plinskih kotlov, ki nimajo urejenega odvoda dimnih plinov (nevarnost zastrupitve, zaradi pomanjkanja kisika). Lahko uporabljamo plinske kotle z atmosferskim gorilnikom, ki zajemajo zrak iz prostora in imajo izveden priključek v dimnik. V prostore, ki nimajo zadostnega dotoka zraka, kjer odvod dimnih plinov preko dimnika ni možen, vgrajujemo kotle z zaprtim zgorevalnim prostorom, ki imajo koaksialni fasadni priključek ali sistem LAS. Pri izbiri kotla so pomembne toplotne izgube stavbe, tehnične možnosti za vgradnjo in ekonomski vidik. Projekt za vgradnjo kotla in plinske instalacije mora izdelati pooblaščen projektant, izvesti pa pooblaščeno podjetje.

Razdelitev plinskih kotlov

Sodobne plinske kotle lahko glede na režim obratovanja razdelimo na nizkotemperaturne (NT kotle) in kondenzacijske kotle. Glede na konstrukcijsko izvedbo jih delimo na talne in stenske. Glede na dovod zraka do plinskega gorilnika jih delimo na kotle z atmosferskim gorilnikom (pretok zraka naraven) in kotle s tlačnim gorilnikom (prisilni pretok zraka s pomočjo ventilatorja). Za etažna ogrevanja uporabljamo plinske pretočne kotle z atmosferskim gorilnikom in močjo od 7 do 30 kW. Odvod dimnih plinov je naraven ali s pomočjo ventilatorja v dimnik ali preko fasade na prosto. Če prostor, kjer je plinski kotel vgrajen, ne izpolnjuje pogojev glede zadostnega dovoda zraka ali ni ustreznega dimnika, se namesto za odprto izvedbo odločimo za izvedbo z zaprto ogrevalno komoro, ki deluje neodvisno od zraka.

Nizkotemperaturni kotli

Sodobni talni plinski NT kotli so večinoma izdelani v kompaktni izvedbi, ki združuje obtočno črpalko za ogrevno vodo, raztezno posodo in digitalno krmiljenje oziroma regulacijo kotla. Takšna izvedba je zlasti primerna pri novogradnji, medtem ko pri posodobitvi ogrevalnega sistema vgradimo osnovno izvedbo, ki omogoča uporabo obstoječe opreme v kurilnici. Kotel je modulno zasnovan, kar omogoča enostavno razširitev (dodajanje dveh ogrevalnih krogov in kroga za pripravo sanitarne vode, slika 1).

Optimalno prilagoditev ogrevalne moči omogoča samodejno prilagodljiva ogrevalna krivulja (temperaturne nastavitve ogrevanja in temperature vode v hranilniku). Časovno programiranje, letno/zimski preklop v odvisnosti od zunanje temperature omogoča energijsko varčno obratovanje. Vgrajen je program za nastavitev vseh za regulacijo pomembnih parametrov in delovanje analognih komponent (gorilnik, obtočne črpalke itd). Optimalna nastavitev se vrši glede na gradbeno sestavo zunanjega ovoja zgradbe (masivna ali montažna gradnja, toplotna zaščita) in sistema centralnega ogrevalnega sistema. Zakaj je to pomembno? Na spremembo zunanje temperature se zgradbe odzivajo hitro ali počasi. Pri masivnih zgradbah (opeka, kamen) lahko traja precej časa, preden zaradi spremenjene zunanje temperature pride do spremembe temperature v prostorih. Pri montažnih hišah je ta zakasnitev precej krajša. Regulatorji v sistemih ogrevanja zato upoštevajo t.i. »termično konstanto zgradbe«. Tako se preprečijo nepotrebni in prepogosti vklopi gorilnika in s tem zagotovi manjša poraba goriva ter nizke emisije škodljivih snovi v okolje. Sodoben talni NT kotel na plin, ki omogoča tudi kurjenje z LKO, je prikazan na sliki 2. Kompaktni kotel WTU-S podjetja Weishaupt na sliki 2 sestavljajo zgorevalna komora, obrnilna komora in sekundarne površine, ki imajo obliko cevnega registra. V ceveh so vgrajeni turbulatorji iz jekla, ki povečajo čas zadrževanja dimnih plinov v kotlu in s tem izboljšajo prenos toplote z dimnih plinov na ogrevno vodo. Gorilnik je nameščen vertikalno, prirejen za plin ali olje. Merilno regulacijsko opremo sestavlja upravljalna enota, centralna procesna enota (CPU) za regulacijski sistem in kotlovska komandna plošča). Umirjevalna komora ima vgrajen priključek za odzračevanje. Stene toplotnega prenosnika so gladke, tako da je nastajanje oblog v veliki meri onemogočeno. Vodni del kotla je sestavljen iz dvojnega plašča, ki ima medsebojno ločena dela. Notranji, toplejši vodni del, je v stiku z vročimi dimnimi plini, v zunanjem delu, kjer so nižje temperature, pa je ogrevna voda. Prednost takšne konstrukcije je, da se hitro doseže delovna temperatura in s tem prepreči tvorba kondenzata. Druga prednost je, da so sevalne izgube zaradi nizke temperature ogrevne vode v zunanjem plašču zelo nizke. Na sliki 3 je prikazan stenski kotel. V kotlu je lahko integriran še akumulacijski grelnik za sanitarno vodo ali pa ima kotel vgrajen pretočni grelnik sanitarne vode. Kotli imajo vgrajene atmosferske gorilnike ali tlačne gorilnike. Atmosferski gorilnik po injektorskem principu plinu primešava zgorevalni zrak, pri čemer se gorenje plamena nadzira elektronsko. Atmosferski predmešalni gorilnik (slika 4) omogoča kvalitetno zgorevanje in nizke temperature plamena, saj se mešanica plina in zraka že pred zgorevanjem optimalno pripravi, kar ima za posledico nizke emisije NOx.

Normirani izkoristki znašajo do 95 odstotkov. Tlačni gorilniki se uporabljajo za nekoliko večje moči in so glasnejši od atmosferske izvedbe. Gorilnik z moduliranim načinom obratovanja prilagaja obratovanje kotla trenutnim potrebam po toploti. Zaradi samodejnega prilagajanja vleka dimnih plinov je zgorevanje prilagojeno trenutnim obratovalnim pogojem (na primer pri spremenljivem vremenu), nizke so tudi emisije škodljivih snovi. V toplem obdobju ali prehodnem času obratuje kotel z manjšo toplotno močjo, kar vodi k manjšemu številu vklopov/izklopov gorilnika. Poleg prihranka goriva takšno obratovanje povzroča tudi manj emisij CO2 in NOx. Običajno je več kot 15 odstotkov celotne ogrevalne sezone v področju pod – 5 °C, zato ni nobenega razloga, da bi plinski kotel obratoval v večini sezone s polno močjo. Pri gorilnikih z moduliranim obratovanjem je prilagajanje v področju moči 30 do 100 odstotkov hitro, tako da pri spremenljivih zunanjih temperaturah ali trenutnem vklopu porabnika toplote ne pride do prenizke temperature vode v kotlu. Na sliki 5 je prikazan izkoristek sodobnega NT kotla v primerjavi s standardnim plinskim stenskim kotlom. Pri zmanjšanju moči NT kotla se izkoristek povečuje, kar je pomembno, ker kotel pretežno obratuje z zmanjšano toplotno močjo.

Slika 6 prikazuje izvedbo z akumulacijskim grelnikom sanitarne vode, vgrajeno obtočno črpalko in ekspanzijsko posodo. Sevalni gorilnik z moduliranim načinom obratovanja je izdelan iz posebnega perforiranega materiala, kjer na površini plin zgoreva. Mešanica plina in zraka se dovaja z ventilatorjem, zgorevalna komora je iz nerjaveče pločevine, izolirana s keramičnim materialom. Kontrola plamena se vrši z ionizirajočo napravo. Tripotni ventil s servo motorjem omogoča preklop z ogrevanja na segrevanje sanitarne vode. Termostatski mešalni ventil uravnava temperaturo sanitarne vode. V dovodu tople vode je vgrajen odplinjevalnik za učinkovito odzračevanje.

Kondenzacijski kotli

V kondenzacijski tehniki je vloga ogrevalnih površin bistveno drugačna kot pri NT kotlih. Pri NT kotlih morajo ostati površine »suhe«, pri kondenzacijskih kotlih pa vodna para, ki se nahaja v dimnih plinih, na ogrevalnih površinah kondenzira. Kondenzacija vodne pare zahteva posebno izvedbo površin, da se dimni plini čimbolj ohladijo in je s tem omogočena čim bolj intenzivna kondenzacija (temperatura rosišča vodne pare pri zemeljskem plinu je približno 57°C). Gibanje dimnih plinov in kondenzata je v isti smeri, kar omogoča stalno izpiranje ogrevalnih površin z rahlo kislim kondenzatom (samočistilni efekt).

Pri režimu ogrevanja 40/30° C in povezavi z nižjimi temperaturami dimnih plinov (nekaj stopinj nad temperaturo povratka) znašajo normirani izkoristki kotlov do 109 odstotkov (slika 7). Pri klasičnih gorilnikih je presežek zraka zaradi nepopolnega mešanja z gorivom razmeroma velik, da lahko zgori celotna količina goriva, emisije škodljivih snovi pa so čim nižje. Toplotne izgube se zaradi tega povečajo, poraba goriva je večja. Sodobni kondenzacijski kotli imajo vgrajene sevalne gorilnike (slika 8) in modulirano regulacijo moči. Nadzor nad količino zgorevalnega zraka se izvaja z merjenjem njegove količine. Osnovna elementa regulacije sta sonda za merjenje O2 in nadzorna krmilna avtomatika. Tako se stalno nadzoruje in vzdržuje konstantna vrednost kisika v dimnih plinih ter po potrebi spreminja količina zgorevalnega zraka (regulacija 02). Sevalni gorilniki sodijo v vrsto nadtlačnih gorilnikov. Zaradi posebne izvedbe zgorevalne površine (slika 8) se večji del toplote razvije in prenese na okoliški zrak s sevanjem. Plin do gorilnika priteka prisilno, to je s pomočjo ventilatorja. Presežek zraka za zgorevanje goriva znaša 1,1 do 1,3 (10 do 30 odstotkov) in zagotavlja popolno mešanje zraka in goriva. Nastala zmes se enakomerno porazdeli na površini gorilnika, ki ima obliko polkrogle, izdelane iz fine mrežice iz nerjavečega jekla.

Zgorevanje na površini poteka brez intenzivnega plamena (mrežica, ki je odporna na visoke temperature, dejansko žari). Dobro zgorevanje zagotavlja zelo nizke emisije CO in NOx. Razen polkrogle oblike se uporablja ravna izvedba, kjer se za izdelavo površine koristi keramika. Na sliki 9 je izvedba kotla z vgrajenim sevalnim gorilnikom (poz. 1), ki ima ogrevalne površine izdelane iz visoko legiranega in proti koroziji odpornega oplemenitenega jekla (zlitina krom - molibden, poz. 2). Površine s protismernimi rebri (vtiski) intenzivno zvrtinčijo dimne pline. Nameščene so navpično, da nastali kondenzat lahko neovirano odteka, obenem pa se površine s tem tudi čistijo. Vgrajeni sta dve obtočni črpalki z reguliranim številom vrtljajev za paralelno ogrevanje prostorov in sanitarne vode (poz. 3), digitalno regulacijo (poz. 4) in priključnim blokom za povratek. K opremi kotla spada še sistem za odvajanje dimnih plinov in dovajanje zraka. Namesto jekla in litine so lahko ogrevalne površine kotlov izdelane iz Al-Si zlitine. Talna izvedba kotla ROTEX je prikazana na sliki 10, stenska izvedba pa je prikazana na sliki 11. Iz aluminij - silicijeve zlitine so tudi izdelane ogrevalne površine kondenzacijskega kotla WTC podjetja Weishaupt. Ogrevalne površine kotla so posebno oblikovane. Razdeljene so na tri karakteristične toplotne cone gibanja dimnih plinov, prilagojene kanalom vodnega dela, za doseganje optimalnih pogojev za koriščenje kondenzacijske toplote.

Takšna izvedba omogoča, da je prenos toplote čim boljši, izenačene pa so tudi toplotne obremenitve. Izstopne temperature dimnih plinov so le 3 do 5 °C višje od temperature povratka ogrevne vode.

Zaradi stalnega nadzora temperature dimnih plinov ni potreben minimalni pretok ogrevne vode skozi kotel. Vodni del kotla je tako oblikovan, da je kljub majhni količini vode v kotlu (2,6/3,5 litra za moči 14/24 kW) prenos toplote optimalen. Kotel ima vgrajen sevalni gorilnik z nizkimi emisijami škodljivih snovi. Presežek zraka za zgorevanje goriva je nizek, kar se nadzira s SCOT sistemom za regulacijo O2. Sistem SCOT je serijsko vgrajen v kotel. Omogoča regulacijo ne glede na vrsto in kakovost plina in avtomatsko nastavitev ob zagonu, tako da ročno merjenje in nastavljanje ni več potrebno. Prilagajanje količine plina in s tem moči gorilnika trenutnim potrebam (modulacija) se vrši s spreminjanjem vrtljajev ventilatorja (frekvenčna regulacija) za dobavo zraka. Sprememba tlaka na izstopu iz ventilatorja je referenčna veličina, ki se vodi na regulator pretoka plina. Rezultat je avtomatsko prilagajanje moči kotla in sicer od 4 do 14 kW in 6,9 do 25 kW. Kotel ima lahko vgrajen enega od dveh vrst grelnikov vode (laminarni akumulacijski grelnik 115 litrov ali klasični akumulacijski grelnik 100 litrov).

Zaključek

Razvoj in uporaba plinskih kotlov potekata v smeri učinkovite rabe energije in s tem prihranka energije. Sodobni plinski kotli, z normiranimi izkoristki do 95 odstotkov pri NT kotlih in do 109 odstotkov pri kondenzacijskih kotlih, so predvsem primerni za nizkotemperaturne režime ogrevanja. Vrednosti računskih izkoristkov med obratovanjem ne dosegamo, zato so letni ogrevalni izkoristki približno za 10 odstotkov nižji, glede na standardne kotle pa znatno več. Kotli so načrtovani tako, da omogočajo daljinsko upravljanje in nadzor preko mobilnega telefona ali interneta. Kondenzacijske kotle najpogosteje vgrajujemo pri novogradnjah. V starejših objektih so v večini primerov površine ogreval tudi dovolj velike, da je možno pri obnovi ogrevalnega sistema vgraditi nizkotemperaturni kotel namesto standardnega kotla.