Artykuł jest poświęcony historii ogrzewania oraz zagadnieniom kotłów grzewczych od strony cech istotnych dla użytkownika.
Artykuł jest poświęcony historii ogrzewania oraz zagadnieniom kotłów grzewczych od strony cech istotnych dla użytkownika.
Czy chcemy czy też nie ogrzewanie jest niezwykle ważną dziedziną związaną ze środowiskiem życia człowieka i wpływającym na to środowisko zarówno w znaczeniu korzystnym, jak i destruktywnym. Niekorzystne działanie to zanieczyszczenia powietrza takie jak: siarka, tlenki azotu i olbrzymie ilości dwutlenku węgla.
My, Europejczycy, zamieszkujemy w strefie umiarkowanej, w której 4500 do 5000 godzin w
Rok 1982 przyjęto za datę powstania pierwszego żeliwnego kotła członowego pomysłu inż. Strebla. Jeszcze w latach 80. ubiegłego stulecia można było spotkać kotły zrealizowane na licencji Strebla.
roku temperatura jest na tyle niska, że odczuwamy to jako dyskomfort. Aby tego uniknąć, nasze otoczenie powinno być nieco cieplejsze. Możemy to osiągnąć stosując jego ogrzewanie. W tym roku mija 128 lat od momentu skonstruowania pierwszego kotła grzewczego, jego konstruktorem był duński inżynier W.E. Reck (1878 r. Kopenhaga).
Fot. 1. Kocioł Strebel Alfa II (F. Kawa, Kotłownie centralnego ogrzewania,
Budownictwo i Architektura,
Warszawa 1955)
W roku 1892 powstał pierwszy żeliwny kocioł członowy skonstruowany przez inż. Strebla. Zrealizowane na licencji Strebla (Strebel ALFA, TERTIA, B2) kotły niekiedy pracowały jeszcze 20 lat temu. Konstrukcja była tak rozpowszechniona, że nazwa Strebel stała się synonimem kotła grzewczego. Tak jak nieco później Junkers był synonimem termy gazowej. Charakterystyczną cechą kotła typu Strebel była półokrągła górna część kotła (fot. 1).
Od tamtych czasów tak wiele się zmieniło, iż nie sposób krótko przedstawić problematykę ogrzewania i kotłów grzewczych. Jest ona niezwykle bogata. Spróbujemy przybliżyć jej niektóre zagadnienia w formie ogólnej, zajmując się szczegółami technicznymi na tyle, na ile to będzie konieczne. Nie będzie więc to ścisłe techniczne opracowanie, ale raczej zbiór dość luźnych przemyśleń. Zaczniemy od zarysu historycznego tej dziedziny.
Początki ogrzewania to najzwyklejsze ognisko. Jednak zwykłe dla nas, a dla naszych prapraprzodków to raczej rewolucja. Zaryzykować by można twierdzenie, że gdyby nie to ognisko, to być może nas jako ludzkości mogłoby nie być. Zawędrowało ono do jaskini, a nieco później do szałasu czy też chaty. Rozpalano je na środku pomieszczenia, dym zaś wydobywał się poprzez otwór w górnej części chaty lub szałasu. Podstawowym paliwem było wówczas drewno.
I tu dygresja − patrycjusze rzymscy czy też władcy japońscy lub chińscy używali do opalania węgla drzewnego z dodatkiem olejków eterycznych, a do celów ogrzewania służyły wielce ozdobne paleniska.
Kolejny okres naszej cywilizacji to pojawienie się odpowiednio ukształtowanych palenisk z gliny, które służyły do ogrzewania i gotowania jednocześnie. Stąd już tylko krok do kominków z odprowadzeniem spalin kominem. Pierwsi kominiarze pojawili się w Europie na początku XV wieku. Tutaj przodujący byli Włosi, nieco później tematem zajęli się Niemcy. I w praktyce przez lata kominiarzami w Europie byli wyłącznie Niemcy.
{mospagebreak}
Te rozwiązania z paleniskami czy kominkami, nazwijmy je lokalnymi, nie zadowalały jednak naszych przodków. Już od początków III/IV wieku pojawiały się tendencje do ogrzewania kilku pomieszczeń za pomocą jednego paleniska. Tym rozwiązaniem było rozprowadzanie gazów spalinowych kanałami pod podłogą. Pomysł był rodem ze starożytnego Rzymu i nosił nazwę „hypocaust”. W X wieku ten sposób ogrzewania stosowany był już we Włoszech, Szwajcarii, Niemczech i Anglii, a na terenach obecnej Polski nieco później, m.in. przez Krzyżaków w Malborku. Spalanie drewna następowało w pomieszczeniu specjalnie do tego przeznaczonym w najniższej kondygnacji zamku. Palenisko składało się z wielkich kamieni, których zadaniem było zakumulowanie ciepła. Po wygaśnięciu ognia oddawały one powoli ciepło do przepływającego powietrza, które rozchodziło się konwekcyjnie kanałami pionowymi i poziomymi do określonych pomieszczeń. Ciekawy był sposób regulacji wydajności. „Regulator” składał się bowiem z kilku mosiężnych dekielków. Pokrywkami zakryte były otwory na poziomym kanale, którym przepływało nagrzane powietrze. Otwarcie odpowiedniej liczby otworów zapewniało adekwatną ilość ciepła, zamknięcie – tę ilość zmniejszało (fot. 2).
Fot. 2. Sposób regulacji ogrzewania w komnatach Zamku Krzyżackiego. (Fot. J. Bylicki)
Kolejny krok w ogrzewaniu to zamknięcie paleniska, a więc w efekcie końcowym to już poczciwy piec ceramiczny. Pośrednio były różne fazy, gdy piec wylepiony z gliny jednocześnie służył do gotowania i ogrzewania, a niekiedy także do spania.
Materiałem podstawowym początkowo była glina suszona, później glina wypalana w postaci kafli ceramicznych. Aby otrzymać wypalony kafel z piękną polewą, należało uzyskać temperaturę ponad 1000°C, co stanowiło pewien problem techniczny. Niezależnie od tego warto zdać sobie sprawę, iż piec wymagał różnych kształtów kafli. Inne były kafle środkowe, a inne kafle narożnikowe czy też wieńcowe. Wydajność XIX-wiecznych pieców ceramicznych kształtowała się w granicach od 600 W/m² do 3000 W/m². Zmiany konstrukcyjne pieców dokonane w XX wieku (m.in. użebrowania, modernizacja kanałów wewnętrznych) pozwoliły uzyskać prawie 6900 W/m². Oczywiście uzyskiwane wielkości ciepła uzależnione były od stosowanego paliwa, masy pieca (a więc jego akumulacyjności), a także od sposobu i czasu palenia w piecu.
(rys. J. Bylicki)
Przy paleniu w piecu raz na dobę przez ok. 2 godz. jego wydajność średnia kształtowała się na poziomie ok. 250 W/m². Dla porównania przedstawiamy wykres wydajności cieplnej z 1 m² powierzchni ogrzewalnej dla kotłów z lat 50. XX wieku (rys. 1) oraz dla kotłów nowoczesnych (rys. 2); powierzchnia ogrzewalna (grzewcza) rozumiana jest jako powierzchnia wymiany ciepła pomiędzy spalinami a czynnikiem pośrednim – w tym wypadku wodą.
(rys. J. Bylicki)
Na początku XIX wieku zaczęły pojawiać się odlewane piece żeliwne, a także spawane stalowe. Właścicielem odlewni żeliwa i żeliwnych pieców był m.in. znakomity komediopisarz Aleksander Fredro. Historia zapamiętała go jako doskonałego komediopisarza i poetę, tylko niektórzy znają go jako autora kilku nieco obscenicznych poematów, a prawie nikt jako właściciela odlewni żeliwa. Mieściła się ona w Cisnej na Podkarpaciu.
{mospagebreak}
W początkach XX wieku zrodziły się pomysły na połączenie cech pieca ceramicznego z piecem żeliwnym czy też stalowym i tak powstały piece kaflowe, lecz z kafli blaszanych z wylepką z gliny, np. piec inż. Szrajbera. Konstrukcja nie sprawdziła się, gdyż glina wysychała kurcząc się i blacha stalowa odstawała do wylepki, przez co piec tracił wydajność.
Podstawowym paliwem było drewno, brykiety torfowe, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, a nieco później koks.
Ciepło uzyskiwane z pieca ceramicznego było sympatyczne, zaś powietrze zjonizowane korzystnie dla człowieka. Jednak ogrzewanie piecami było dosyć uciążliwe, wiązało się z koniecznością ciągłego dostarczania paliwa, kurzem i pyłem w domu, a nadto temperatura pieca była zmienna w czasie. Paliwo trzeba było składować i to najczęściej w piwnicy. Należało jednak składować i popiół. W miarę upływu czasu od załadowania paliwa temperatura w pomieszczeniach powoli zmniejszała się. Często rano w mieszkaniach było przeraźliwie zimno (rys. 3).
(rys. J. Bylicki)
Cechą pożądaną od pieca była jego wysoka akumulacyjność, a więc zdolność do magazynowania ciepła, co wiązało się z dużą masą pieca i dość dużym obciążeniem na stropy. Piece wymagały także wydzielonych kominów, które w wielopiętrowym budynku zajmowały znaczną kubaturę. Ówczesne przepisy, np. z lat 30., pozwalały włączyć do przewodu kominowego 13×13 cm najwyżej dwa piece, i to co drugą kondygnację. Kominy wymagały ciągłego czyszczenia z sadzy. Nierzadkie były pożary sadzy w kominach, jak również zatrucia tlenkiem węgla przy stosowaniu węgla do opalania pieców.
Piece pozostawały jednak lokalnym ogrzewaniem, gdyż dostarczały ciepło tylko do pomieszczenia, w którym stały. Ale i tutaj stosowane były różne rozwiązania idące w kierunku „zcentralizowania ogrzewania”, np. okrągły piec zabudowany w narożu czterech sąsiadujących ze sobą pomieszczeń.
Równolegle pojawiły się piece grzewcze żeliwne. W odróżnieniu od pieców ceramicznych miały one niewielką pojemność cieplną.
Kolejny etap w ogrzewnictwie piecowym to próby zastosowania elektryczności do pieców ceramicznych, a w efekcie istniejące i stosowane do dziś konstrukcje pieców akumulacyjnych. Niewypałem można nazwać próby zastosowania spalania gazów (palniki) do piecówceramicznych, gdyż w krótkim czasie następowało zniszczenie ścianek pieca. Równolegle do modernizacji pieców ceramicznych postępowała modernizacja konstrukcji pieców żeliwnych opalanych paliwem stałym. Zaczęły pojawiać się także coraz to nowsze konstrukcje stalowe.
Pojęcie pieca i kotła potocznie jest równoważne – niemniej warto rozgraniczać te urządzenia. Piec bowiem oddaje ciepło bezpośrednio poprzez promieniowanie i konwekcję, przy czym promieniowanie ma znaczny udział. Kocioł zaś oddaje ciepło do pośredniego czynnika poprzez przenikanie.
Promieniowanie i konwekcja z powierzchni kotła jest ograniczana do minimum, gdyż są to zbędne straty ciepła.
{mospagebreak}
I tak, przeskakując kilka etapów rozwoju ogrzewnictwa, znaleźliśmy się w epoce króla kotła.
Brak urządzeń, które ów pośredni czynnik transportowałby do odbiorników, był przyczynkiem do wynalezienia ogrzewania parowego, a następnie grawitacyjnego, gdzie motorem napędowym była zmiana ciężaru właściwego czynnika, głównie wody. Wymagało to dosyć precyzyjnego wykonywania instalacji rurowej i dość dużych średnic rur rozprowadzających nagrzaną wodę. Niemniej warto zauważyć, iż ogrzewanie to było ciche. Pojawienie się pomp to era przyspieszonego rozwoju ogrzewania.
I jesteśmy już prawie w XIX wieku i w czasach wspomnianego już inż. W.E. Recka.
Warto wspomnieć co nieco o czynniku, o którym już niewiele osób pamięta. Królował on w dobie bezpompowej, przed zastosowaniem wody jako nośnika ciepła. Była to para wodna. Tutaj motorem było ciśnienie pary, a sposobem na oddawanie ciepła jej kondensacja. Konieczna była odpowiednia konfiguracja przewodów kondensatu (konieczność zachowania właściwego spadku). Jednak niewielkie możliwości regulacji ogrzewań parowych spowodowały, że woda zwyciężyła.
Pora przejść do obecnych czasów. Niewątpliwie prawie każdemu z nas wpadają w ręce różne czasopisma dotyczące budownictwa czy też instalacji i tu widzimy przeważnie galerię, przegląd „doskonałych” kotłów grzewczych. Są to, co ciekawe, prawie wszystkie kotły tzw. nr 1 w Polsce lub na świecie, i to o „doskonałych parametrach, niezwykle oszczędne, o wysokiej sprawności itd.”. Podobnie jest z samochodami, wszystkie się pięknie błyszczą i są „doskonałe”, a praktyka jest niestety różna od tych „och” i „ach”.
Aby nasz artykuł nie stał się kolejną publikacją reklamującą całą galerię kotłów, postanowiliśmy przedstawić zagadnienie kotłów grzewczych od strony cech istotnych dla użytkownika. Na początek spróbujemy nieco usystematyzować kwestie kotłów grzewczych. Po epoce kotłów na paliwa stałe nadszedł czas paliw gazowych. Nieco później pojawiły się paliwa płynne, a jeszcze później paliwem dla kotłów stał się gaz płynny (mieszanina propanu i butanu). Potrzeba oszczędności energii cieplnej skierowała kroki konstruktorów w stronę rozwiązań takich jak wykorzystanie energii solarnej, pomp ciepła i… znowu w stronę paliw stałych. Koszty ogrzewania paliwami płynnymi czy też gazowymi rosną bowiem dosyć szybko i zaczynają doskwierać użytkownikom. Ogrzewanie drewnem, węglem okazało się jednym z najtańszych. Tak zatoczone zostało kolejne koło.
Oprócz wymienionych paliw do ogrzewania znalazły zastosowanie paliwa ogólnie zwane biopaliwami. W tej grupie będą zarówno: pelety (prasowane trociny), wierzba energetyczna, gaz otrzymywany z wysypisk, jak i różne rośliny oraz produkty z nich otrzymane, np. etanol lub metanol otrzymywany z fermentacji tych roślin.
W 2005 r. odbyła się w Wilnie VI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna na temat alternatywnych źródeł energii. Naukowcy litewscy przedstawili swoje badania dotyczące zastosowania roślin jako paliw. Badaniami objęto, oprócz roślin zbożowych i konopi, także kukurydzę, trawy wieloletnie, chińską trzcinę, wierzbę energetyczną oraz bliżej nieznany topinambur. I co ciekawe − jedną z roślin posiadających dużą wartość opałową są konopie. Jest to opcja interesująca. Ale chyba jednak pozostanie w sferze badań naukowych. Szczególnie jeśli weźmiemy pod uwagę konopie indyjskie. Kolejną rośliną posiadającą znakomite cechy energetyczne jest topinambur. Tu również można połączyć przyjemne z pożytecznym. Część zielona (wysokości 3–4 m) może posłużyć bowiem jako doskonałe paliwo, a z części podziemnej można uzyskać doskonałej jakości alkohol, który oczywiście też można spalić, ale czy to rozwiązanie byłoby przez użytkowników uznane za optymalne?
Jak widać, inżynierowie cały czas poszukują czegoś na kształt kamienia filozoficznego chcąc pogodzić różne potrzeby. Niemniej warto podsumować te inicjatywy stwierdzeniem jednego z uczestników konferencji: „człowiek wykorzystując biomasę może coś zrobić nie niszcząc swojego środowiska, a nawet mu pomagając”
I znowu odbiegliśmy od zasadniczej treści, to jest kotłów grzewczych, ale tematyka jest tak bogata, iż nie sposób przy okazji nie zasygnalizować kilku ciekawych problemów.
{mospagebreak}
Zajmiemy się teraz systematyką kotłów gazowych. Najlepiej będzie przedstawić ją na schemacie (rys. 4).
(rys. J. Bylicki)
Jak widać, wybór kotła dla potencjalnego użytkownika może okazać się nieco trudny. Już pierwsze kroki to wybór pomiędzy kotłem stojącym i wiszącym. Zakładając, że moc kotła została prawidłowo określona – a nie jest to zupełnie pewne – potencjalny użytkownik nie będący fachowcem z dziedziny ogrzewnictwa z reguły wychodzi z założenia, że im niższa moc kotła, tym mniejsze rachunki za gaz; to racja, ale nie do końca. Spróbujmy zanalizować to zagadnienie.
Odczucie komfortu,
Moc kotła uzależniona jest od wielu parametrów, ale głównie od temperatury zewnętrznej.
a więc dostarczenie przez kocioł niezbędnej ilości miłego ciepełka, uzależnione jest oczywiście nie tylko od konstrukcji budynku i materiałów, z jakich wykonano ściany, wietrzności, nasłonecznienia, ale głównie od temperatury powietrza zewnętrznego i oczywiście poziomu temperatury wewnątrz, która stanowi dla nas ten komfort cieplny.
Wobec tego moc kotła uzależniona jest od tych różnych parametrów − ale głównie od temperatury zewnętrznej. Dlatego też niezbędna moc kotła powinna być adekwatna do potrzeb. Zwykle moc ta określana bywa dla warunków obliczeniowych i np. dla Warszawy będzie to temperatura zewnętrzna –20°C. Dla innych miast będzie ona inna, ustalona w zależności od minimalnej temperatury w danej strefie Polski. Jeżeli moc kotła będzie dobrana odpowiednio, to w przypadku wystąpienia ekstremalnie niskiej temperatury wszystko będzie w najlepszym porządku – czytaj: będzie nam ciepło. Oczywiście te minimalne temperatury występują zwykle kilka dni w roku.
A więc tak dobrany kocioł będzie miał pewien zapas mocy, co w przypadku obniżenia się temperatury poniżej tej normowej, np. do – 24°C, pozwoli jeszcze stosunkowo łagodnie odczuć ten chłód.
Rozważmy teraz inny przypadek: moc kotła jest znacznie niższa od obliczeniowej, czyli tej dla warunków minimalnych obliczeniowych. Przez znaczną część sezonu grzewczego wszystko będzie w porządku, jednak zbliżając się do temperatur obliczeniowych minimalnych kocioł zmuszony będzie pracować w sposób ciągły. W miarę obniżania się temperatury zewnętrznej następować będzie obniżanie się temperatury wody grzewczej, czego skutkiem będą chłodniejsze grzejniki i niższa temperatura w pomieszczeniach. Przy temperaturach zewnętrznych obliczeniowych minimalnych (–20°C) lub jeszcze niższych w naszym domu będzie po prostu bardzo zimno.
Jak wykazuje praktyka i statystyka przebiegu temperatury zewnętrznej za ostatnie lata, dobór mocy kotła na poziomie 80% obliczeniowej mocy sprawdza się w naszej rzeczywistości. Przy ekstremum minimalnym temperatury w naszych pomieszczeniach będzie nieco chłodniej, ale jeszcze w akceptowalnym zakresie i przez niewiele godzin. Warto wiedzieć, iż najwyższą sprawność ma kocioł pracujący na maksymalnych parametrach. W zależności od obciążenia jego sprawność będzie się nieco różniła od maksymalnej.
{mospagebreak}
Na wykresie przedstawiliśmy przebieg sprawności eksploatacyjnej (nie chwilowej) w zależności od obciążenia (rys. 5). Po obejrzeniu tego wykresu dochodzimy do wniosku, że zbyt duża moc w stosunku do potrzeb skutkuje spadkiem sprawności. Ale jak zawsze coś musi być pomiędzy wierszami – i jest. Kocioł o zbyt małej mocy w stosunku do potrzeb, pracujący ciągle, dość szybko ulega zanieczyszczeniu, a zatem spada jego sprawność. Wypaleniu ulegają elementy kontroli płomienia (sonda jonizacyjna). Zanieczyszczeniu ulega głównie palnik i w efekcie spada jego wydajność. Natomiast kocioł zbyt duży do potrzeb pracuje rzadko i w krótszych cyklach, co może również, w krańcowych warunkach, spowodować pojawienie się sadzy. Niezależnie w tym przypadku następuje stosunkowo duże wychłodzenie komina, co skutkuje znacznym wykraplaniem się wilgoci, niejednokrotnie spotęgowane niewłaściwym wykonaniem komina (niedostateczna izolacja). Jak widać, trzeba zawsze wybrać złoty środek.
(rys. J. Bylicki)
Zanalizujmy teraz przypadek kotła dwufunkcyjnego lub kotła pracującego na potrzeby centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody. Zakładamy, że kocioł nie posiada zasobnika lub podgrzewacza pojemnościowego. Tutaj najczęściej występują pomyłki w doborze mocy kotła. Potencjalni klienci wychodzą z założenia, że skoro do ogrzania budynku potrzebna jest moc np. 12 kW, to kocioł o mocy takiej jest właściwy dla ich potrzeb. Nic bardziej złudnego. Ale najlepiej prześledźmy kilka elementarnych obliczeń.
Zakładamy, że mamy wannę o pojemności np. 120 l i napełnimy ją wodą o temperaturze np. 40°C. Ilość ciepła niezbędna do podgrzania tej wody wyniesie:
Q = m • cp • (tcwu – tzw ) [kJ],
gdzie odpowiednio:
m – masa ciepłej wody, dla uproszczenia przyjmujemy, że 1 l = 1kg;
cp – ciepło właściwe wody: 4,19 [J/kgoC];
tcwu – temperatura ciepłej wody: 40 [oC];
tzw – temperatura zimnej wody: 10 [oC]; a więc:
Q =120 • 4,19 • (40–10) = 15 084 [kJ]
Powiedzmy teraz, iż akceptowalny czas napełnienia tej wanny powinien być nie większy niż T = 10 [min] (600 [s])
Tak więc moc naszego kociołka powinna wynieść:
N = Q/T = 15084/600 = 25,14 [kW]
Możemy dyskutować, czy to ma być 120 [l] lub 100 [l], czy temperatura ma być taka lub inna, ale prawdą jest, że moc takiego kotła winna być na poziomie 21–25 [kW].
Co będzie jednak, gdy moc takiego kotła będzie wynosiła Q = 14 [kW]?
Oczywiście też napełnimy tę wannę ciepłą wodą, lecz czas oczekiwania wydłuży się znacznie i w tym przypadku wyniesie:
T = Q/N = 15084/14 = 1077 [s ], a więc ok. 18 minut.
Niejeden straci już cierpliwość, niezależnie od tego, że przez ten czas woda w wannie może już porządnie się schłodzić.
Niezależnie od tego w czasie pracy na cele przygotowania ciepłej wody jest nieczynna funkcja ogrzewania – może się zrobić nieco chłodno w domu, a gdy jeszcze następny z domowników zapragnie się wykąpać, to sytuacja może być już krytyczna. Warto te rozważania przemyśleć. Jeśli zaś kocioł będzie miał podgrzewacz pojemnościowy lub zasobnik, niezbędna moc kotła może być nieco mniejsza, gdyż mamy już pewien zapas ciepłej wody. Jednak w miarę jej zużycia spadać będzie temperatura w podgrzewaczu, co wymaga załączenia się kotła z mocą adekwatną do poboru wody. Była to kolejna dygresja, myślę, że potrzebna.
mgr inż. JAN BYLICKI
mgr inż. Jacek PARYS
Zamów
prenumeratę
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
styczeń 2007.
