Podstawowym elementem każdej instalacji centralnego ogrzewania jest źródło ciepła. Jego wybór w istotny sposób wpływa na przyszłą eksploatację budynku, w związku z czym powinien być dokonywany z dużą starannością, przy uwzględnieniu takich czynników, jak dostępność paliwa, koszty inwestycyjne i eksploatacyjne oraz wymagany komfort obsługi. Pod uwagę należy wziąć także aspekty środowiskowe i możliwość wykorzystania darmowej energii z otoczenia.
Najpowszechniej stosowanymi źródłami ciepła w budynkach mieszkalnych (zwłaszcza w domach jednorodzinnych) są obecnie kotły grzewcze. Urządzenia te wytwarzają ciepło w wyniku spalania dostarczanego do nich paliwa, a następnie przekazują je do wody wypełniającej instalację.Kotły dzieli się na urządzenia gazowe, kotły na paliwo płynne (np. olej opałowy) oraz kotły na paliwo stałe (np. węgiel kamienny, koks, drewno). Inny podział kotłów uwzględnia ich usytuowanie (urządzenia stojące i wiszące), funkcjonalność (urządzenia jedno- i dwufunkcyjne), sposób pobierania powietrza i odprowadzania spalin (urządzenia z otwartą i zamkniętą komorą spalania) oraz sposób działania (urządzenia tradycyjne, niskotemperaturowe i kondensacyjne). W nowych budynkach o dobrym standardzie energetycznym stosuje się z reguły kotły gazowe kondensacyjne o wysokiej sprawności (przekraczającej 100 proc.) oraz niskiej temperaturze spalania paliwa (50–55°C). Alternatywą dla ogrzewania gazowego są kotły na paliwo stałe, wyróżniające się szerokim wachlarzem dostępnych paliw i niskimi kosztami eksploatacyjnymi.
Kotły na paliwo stałe
Kotły na paliwo stałe są uniwersalne przede wszystkim ze względu na różnorodność surowca, którym mogą być opalane. Paliwem może być zarówno węgiel kamienny (w praktycznie każdej postaci), jak i drewno oraz inne biopaliwa: pelety, brykiety, zrębki, wierzba energetyczna oraz słoma. Różnorodność dostępnych na rynku urządzeń pozwala podzielić je ze względu na rodzaj spalania na: kotły ze spalaniem górnym (komorowe), dolnym (zasypowe) oraz kotły ze zgazowaniem paliwa.
Kotły ze spalaniem górnymsą bardzo popularne ze względu na szeroką dostępność i niską cenę. Tego typu urządzenia posiadają zazwyczaj komorę spalania połączoną z komorą zasypową, stały ruszt paleniska oraz jeden lub dwa ciągi spalania (kanały konwekcyjne, przez które przechodzą spaliny). Wypełniające komorę spalania paliwo jest w całości zamieniane w żar, a przebieg spalania jest stosunkowo szybki. Moc osiągana przez kocioł zmienia się w sposób dynamiczny w trakcie pracy, co w połączeniu z wysoką temperaturą spalin opuszczających komorę spalania wpływa na niską sprawność tego typu urządzeń.
Kotły ze spalaniem dolnymsą rozwiązaniem bardziej nowoczesnym, a przez to — droższym. Komora spalania umieszczona jest z tyłu komory zasypowej, a spalanie paliwa odbywa się przy udziale powietrza wtórnego. Urządzenia te posiadają stalowy lub żeliwny ruszt ruchomy (albo stały ruszt wodny) oraz dwa lub trzy ciągi spalin. Automatyczna regulacja pozwala utrzymywać stałą wysokość warstwy żaru i stałą moc cieplną. Sprawność kotłów ze spalaniem dolnym jest wyższa niż w przypadku kotłów ze spalaniem górnym, odznaczają się one także mniejszą emisją zanieczyszczeń, lepszym dopalaniem paliwa oraz mniejszą temperaturą spalin opuszczających komorę spalania. Jako paliwo w tego typu kotłach służy węgiel kamienny oraz koks.
Kotły zgazowującezapewniają inny przebieg procesu spalania niż urządzenia opisane wyżej. Dostarczane do kotła paliwo (z reguły drewno) jest w pierwszym etapie suszone i odgazowywane w szczelnie zamkniętej komorze zgazowania. Powstający w tym procesie gaz drzewny jest kierowany do dyszy palnika, gdzie miesza się z powietrzem wtórnym (wtłaczanym za pomocą wentylatora nadmuchowego). Rozgrzana mieszanina jest następnie spalana w komorze w temperaturze około 1200°C. Praca kotła zgazowującego jest sterowana automatycznie, a paliwo należy uzupełniać co kilka lub kilkanaście godzin (w zależności od pojemności komory zgazowania). Cena tego typu urządzeń jest wyższa niż w przypadku kotłów tradycyjnych.
Sterowanie pracą kotła
Kotły na paliwo stałe, ze względu na dużą masę spalanego paliwa oraz z uwagi na swoją bezwładność cieplną, są w ograniczonym stopniu podatne na regulację mocy. Podstawowy sposób sterowania polega na regulacji dopływu powietrza spalania, który może być realizowany za pomocą miarkowników ciągu lub wentylatora nadmuchowego, pracującego z częstotliwością i mocą uzależnioną od zapotrzebowania powietrza spalania. Sterowanie tymi urządzeniami odbywa się za pomocą termostatów kotłowych lub pokojowych, reagujących odpowiednio na zmiany temperatury wody zasilającej lub temperatury panującej w pomieszczeniach. Kotły wyposażone w wentylator nadmuchowy najlepiej nadają się do spalania miału węglowego.
Ze względu na to, że woda w obiegu kotłowym nie powinna mieć temperatury niższej niż 70°C (w przeciwnym wypadku na wymienniku ciepła wystąpi osad sadzy, zmniejszający sprawność przejmowania ciepła), korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie zbiornika buforowego lub wymiennika ciepła, który umożliwi utrzymanie różnych temperatur w obiegu kotła i w pozostałej części instalacji grzewczej.
Kotły z podajnikiem paliwa
Podstawową niedogodnością związaną ze stosowaniem kotłów na paliwo stałe jest konieczność magazynowania paliwa oraz częstego uzupełniania wsadu. W zależności od rodzaju i jakości paliwa, przy uwzględnieniu typu i sprawności kotła, załadunek może odbywać się nawet kilka razy na dobę. Żeby rozwiązać problem częstej obsługi kotła, stosuje się automatyczne podajniki paliwa, które mogą wydłużyć odstęp pomiędzy kolejnymi załadunkami paliwa do kilku dni. Kotły z podajnikami opalane są węglem typu ekogroszek (kotły retortowe), miałem węglowym (kotły z podajnikiem tłokowym) lub peletami.
Najpopularniejsze są kotły retortowe, tzn. urządzenia z podajnikiem ślimakowym i zasobnikiem paliwa. Posiadają one specjalne palenisko bezrusztowe, w którym jest spalana porcja paliwa dozowana przez system automatyki w taki sposób, aby kocioł pracował zawsze z mocą niezbędną do utrzymania w pomieszczeniach temperatury ustalonej przez użytkownika. Kotły tego typu mają najwyższą sprawność spośród kotłów węglowych.
Podobną budowę posiadają kotły miałowe z podajnikiem tłokowym. W ich przypadku paliwo nie jest dostarczane płynnie, lecz porcjami wpychane przez tłok do komory spalania.
Kotły na pelety wyposażone są w automatyczne zapalniki elektryczne i instalacje do automatycznego dozowania paliwa transportowanego systemami ślimakowymi. Najbardziej zaawansowane kotły na pelety zapewniają wysoką sprawność spalania (ok. 90 proc.) oraz wysoki komfort obsługi.
Połączenie kotła z instalacją
Instalacja, w której pracuje kocioł na paliwo stałe, musi być zabezpieczona otwartym lub zamkniętym naczyniem wzbiorczym, przy czym w instalacji zamkniętej należy obowiązkowo instalować urządzenia do odprowadzania nadmiaru ciepła. W tym celu stosuje się spiralę schładzającą lub zbiornik buforowy.
Zadaniem spirali schładzającej jest otworzenie zaworu z zimną wodą po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury w instalacji. Zimna woda z sieci wodociągowej wychładza wodę powracającą do kotła, obniżając jego temperaturę. Jest to rozwiązanie stosunkowo proste i tanie, jego wadą jest natomiast to, iż zgromadzona (nagrzana woda) energia jest bezpowrotnie tracona.
W przypadku zastosowania zbiornika buforowego, w razie przekroczenia temperatury maksymalnej w instalacji, zawór bezpieczeństwa przełącza obieg kotłowy z grzejników na grzanie wody wypełniającej bufor, powodując tym samym znaczny odbiór ciepła na wiele godzin i pozwalając na wypalenie się wsadu kotła. Zastosowanie zbiornika buforowego posiada tę zaletę, że ciepło nie jest tracone — z bufora pobierane jest do instalacji.
Bufor może być wykorzystywany także w przypadku standardowej pracy kotła. Wiąże się to z określonymi korzyściami technicznymi i ekonomicznym (okresowa praca kotła z pełną mocą, zwłaszcza w okresach mniejszego zapotrzebowania na energię cieplną, czyli w miesiącach wiosennych i jesiennych).
Perspektywy zastosowania kotłów
Nowoczesne kotły na paliwo stałe, posiadające zaawansowaną automatykę i odznaczające się dużym stopniem bezobsługowości, stanowią realną alternatywę dla kotłów gazowych i olejowych. Szeroki asortyment paliwa i jego stosunkowo niskie ceny, w połączeniu z wysoką sprawnością nowych urządzeń powodują, że eksploatacja kotłów na paliwo stałe jest opłacalne ekonomicznie.
Ze względu na to, że spalanie węgla kamiennego (i jego różnych odmian) powoduje emisję wielu szkodliwych związków do atmosfery, coraz większą popularnością cieszy się takie paliwo, jak drewno, brykiety, słoma, zrębki itp. Poza tym ogrzewanie budynków biomasą jest bardzo tanie — szacunkowy koszt wytworzenia 1 kWh energii cieplnej z drewna i peletów (przy uwzględnieniu sprawności kotłów) wynosi ok. 0,12-0,14 zł/kWh. Odnosząc te wartości do przykładowego budynku o powierzchni 140 m2 i wskaźniku EK=100 kWh/(m2rok), otrzymuje się roczny koszt ogrzewania na poziomie niespełna 2000 zł.
Podstawowym ograniczeniem w stosowaniu kotłów na paliwo stałe jest konieczność składowania paliwa oraz jego ograniczona dostępność (zwłaszcza w przypadku biomasy), a ponadto wymóg okresowej obsługi i stosowania dodatkowych elementów zabezpieczających w instalacjach c.o.
Krzysztof Sornek