Kaip atpiginti šildymą dujomis?

Pagal įvairias prognozes realiai išgaunamų naftos ir dujų užteks dar 40-100 metų. Tačiau dujų sąnaudas galima ženkliai sumažinti. Vienas iš efektyviausių būdų – įprastinį, tradicinį dujinį katilą pakeičiant kondensaciniu katilu. Tai leidžia, priklausomai nuo šildymo  sistemos, sutaupyti iki 15-30% dujų.

Vandens garų kondensacijos katiluose sąlygos

Gamtinių dujų sudėtyje didžiąją dalį (> 80%) sudaro metanas (CH4). Metanas ir kiti dujų komponentai yra sudaryti iš anglies ir vandenilio. Degant dujoms, t.y. metanui reaguojant su oro deguonimi, susidaro degimo produktai – anglies dioksidas (CO2) ir vandens garai (H2O).

CH4 + 2O2 –> CO2 + 2H2O

Tradiciniuose katiluose degimo produktų temperatūra gerokai viršija 100°C ir siekia iki 200°C. Todėl vandens garai nesusikondensuoja ir yra pašalinami į atmosferą.

Kondensaciniuose katiluose degimo produktai dėl padidinto šildomojo paviršiaus ploto tiek ataušinami, kad garai pradėtų kondensuotis ir virsdami į vandenį papildomai išskirtų slaptąją garavimo šilumą. Dujiniuose katiluose susidariusiuose degimo produktuose vandens garų kondensacijos temperatūra (rasos taškas) yra apie 57-58°C. Tai reiškia, kad, jeigu kažkurioje katilo dalyje sienelių temperatūra bus žemesnė nei 57°C, vyks vandens garų kondensacija ir bus išnaudojama slaptoji garavimo šiluma. Kondensaciniuose katiluose didelę reikšmę turi grįžtančio iš šildymo sistemos vandens temperatūra, kuri didelę šildymo sezono dalį būna žemesnė kaip 57°C. Kondensacinio katilo dūmų temperatūra paprastai būna tik 15-25°C aukštesnė už grįžtančiojo vandens temperatūrą. Pačiu nepalankiausiu atveju dūmų temperatūra neviršija 80-90°C.

Katilų gamybos tendencijos ES šalyse

Per pastaruosius 15 metų išryškėjo trys pagrindinės katilų gamybos tendencijos. Pirmoji – santykinai didėja sieninių pakabinamų katilų dalis, palyginus su pastatomaisiais. Šiuo metu pakabinamų katilų dalis sudaro apie 2/3 visų katilų. Antroji – dujinių katilų dalis didėja, o skysto kuro mažėja. Trečioji – sparčiai auga kondensacinių katilų dalis, palyginus su klasikinės technologijos katilais (žr. 1 lentelę).

1 lentelė

            Metai                     

 1990

1995 

2000 

2005 (prognozė) 

Europos rinkoje parduotų kondensacinių katilų skaičius, vnt. 

 75.000

285.000 

674.000 

1252.000 

 Europos rinkoje parduotų kondensacinių katilų dalis, % palyginus su visais katilais

 1,48

4,79 

9,57 

16,81 

Šilumos dalis, gaunama kondensuojantis vandens garams

Vartojamos dvi kuro degimo šilumos sąvokos – žemutinė ir aukštutinė. Žemutinė kuro degimo šiluma yra tokia, kai degimo produktuose vanduo yra garų pavidale ir pašalinamas kartu su degimo produktais. Aukštutinė – kai degimo produktuose garai kondensuojasi ir įvertinama papildomai išsiskyrusi slaptoji garavimo šiluma.

Kadangi kondensaciniai katilai ES šalyse plačiau pradėjo plisti tik maždaug prieš 8-10 metų, o įprastuose tradiciniuose katiluose išmetamų degimo produktų temperatūra yra pakankamai aukšta, kad šalinami vandens garai nesusikondensuotų, tai nuo seno visuose skaičiavimuose naudojama žemutinė kuro degimo šiluma.

Šilumos kiekio skirtumas tarp žemutinės ir aukštutinės degimo šilumos, aišku, priklauso nuo vandens garų kiekio. Šis kiekis savo ruožtu priklauso nuo vandenilio kiekio kuro sudėtyje. Santykinai daugiausia papildomos šilumos galima išgauti iš gamtinių dujų degimo produktų (žr. 2 lentelę).

2 lentelė

Kuro rūšis

Žemutinė kuro degimo šiluma, Qž, kWh/m³  

Aukštutinė kuro degimo šiluma, Qa, kWh/m³  

Qa/Qž

Qa-Qž, kWh/m³

Teorinis vandens garų kiekis degimo produktuose, kg/m³ kuro 

Gamtinės dujos

 9,19

10,20

1,11

1,01

1,57

Propanas 

 25,80

28,02

1,09

2,22

3,37

Butanas

 34,35

37,19

1,08

2,84

4,29

Suskystintos dujos (50%propano+ 50% butano) 

30,075

32,605

1,084

2,53

3,83

Skystas kuras šildymui

10.08 kWh/l

10.68 kWh/l

1,06

0.60 kWh/l

0.88 kg/l

Katilų naudingumo koeficientai. Ar gali katilo naudingumo koeficientas viršyti 100%?

Europoje nuo seno įprasta skaičiuoti ir vertinti katilų naudingumo koeficientą nuo žemutinės kuro vertės, t.y. neįvertinant vandens garų slaptosios garavimo šilumos, nes vandens garai kartu su degimo produktais išmetami į atmosferą. Kondensaciniuose katiluose šios šilumos dalis papildomai gali siekti iki 11%. Tokiu būdu remiantis tik žemutine kuro verte, katilo naudingumo koeficientas viršija 100%.

Dar skiriama: katilo degimo naudingumo koeficientas ir norminis naudingumo koeficientas. Katilo norminis naudingumo koeficientas naudojamas Vokietijoje ir yra paprastai apie 3% didesnis už degimo naudingumo koeficientą. Norminis naudingumo koeficientas yra skaičiuotinas dydis, tam tikromis proporcijomis (pritaikytomis Vokietijos klimatinėmis sąlygomis) imant šio koeficiento reikšmes, esant įvairiems katilo apkrovimams. Kitose šalyse gamintojai nurodo tik degimo naudingumo koeficientus, esant 30 ir 100% katilo apkrovimams. Be to, skirtingose šalyse katilo degimo naudingumo koeficientai nurodomi, esant skirtingoms vandens temperatūroms. Pavyzdžiui daugelyje šalių 80/60°C ir 50/30°C, o Vokietijoje 75°/60°C ir 40°/30°C. Savaime suprantama, kad kuo žemesnė temperatūra, tuo aukštesnis naudingumo koeficientas.

Todėl lyginant katilus tarpusavyje labai svarbu lyginti tos pačios rūšies naudingumo koeficientą, esant toms pačioms vandens temperatūroms.

Grįžtant prie naudingumo koeficiento dydžio, viršijančio 100%, būtų teisinga, kad naudingumo koeficientas būtų skaičiuojamas nuo aukštutinės kuro degimo šilumos (įvertinant vandens garų degimo produktuose slaptąją garavimo šilumą). Tada naudingumo koeficientas neviršytų 100% ir nebūtų tos painiavos. Šitaip nuo seno skaičiuojama JAV. Tikimasi, kad neilgai trukus prie šio skaičiavimo būdo pereis ir Europos šalys. Taip jau skaičiuojama Olandijoje, kuri pirmoji Europoje pradėjo naudoti kondensacinius katilus ir joje yra didžiausia dalis šių katilų.

Kiek kuro galima sutaupyti, įrengus kondensacinį katilą?

Palyginus įprastinių tradicinių ir kondensacinių katilų naudingumo koeficientus, skirtumas gali siekti iki 14-17%, priklausomai nuo šildymo sistemos temperatūros. Tačiau akylesnis skaitytojas paklaus, iš kur tokie dideli procentai, jeigu išnaudojant teoriškai visą slaptąją garavimo šilumą galima papildomai gauti tik iki 11% šilumos (žiūr. 2 lentelę)?

Šie papildomi šilumos procentai gaunami dėl dviejų pagrindinių priežasčių.

Pirmoji – kondensacinių katilų išmetami degimo produktai yra labai žemos temperatūros, palyginus su įprastiniais tradiciniais katilais. Tai leidžia gauti papildomus 3-5%.

Antroji – mažesni kondensacinių katilų šilumos nuostoliai į aplinką nuo katilo korpuso, dūmtraukio antgalio ir kt. paviršių bei mažesnės kuro sąnaudos dėl tobulesnių degiklių. Tradiciniuose katiluose didelę šių nuostolių dalį sudaro blogas kuro sudegimas degiklio starto metu. Kuo daugiau tokių startų ir kuo ilgesnis degiklio išsijungimo laikas, tuo žemesnis tradicinio katilo naudingumo koeficientas. Dažnai tradicinių katilų eksploatacinis naudingumo koeficientas būna mažesnis nei 90 %. Kondensacinių katilų degikliai dirba moduliaciniu režimu, t.y. tolygiai mažina liepsną ir savo galingumą labai plačiose ribose. Jų minimali galia sudaro 20-25% nominalios galios. Todėl šie degikliai ilgą laiką dirba neišsijungdami ir nebelieka aukščiau aprašytų nuostolių.

Užsienio šalių praktika parodė, kad tradicinio katilo pakeitimas kondensaciniu gali sutaupyti iki 30% kuro, priklausomai nuo skaičiuojamosios sistemos temperatūros ir tradicinio katilo konstrukcijos.

Ar verta įrengti kondensacinį katilą aukštatemperatūrėje šildymo sistemoje?

Kondensaciniai katilai gali būti montuojami tiek radiatorinėse, tiek grindų šildymo sistemose. Grindų šildymo skaičiuojamosios temperatūros 50/40°C arba 40/30°C leidžia pilnai išnaudoti vandens garų degimo produktuose kondensacijos šilumą. Šiek tiek mažiau šios šilumos išnaudosime su radiatorine šildymo sistema. Papildomai dėl vandens garų kondensacijos gaunamas šilumos kiekis priklausys nuo skaičiuojamosios sistemos temperatūros. Dabartinės naujos šildymo sistemos jau nebeprojektuojamos temperatūroms 90/70°C. STR 2.09.01:1998 „Šilumos tiekimo tinklai ir šilumos punktai“ nustato aukščiausias rekomenduotinas šildymo sistemos temperatūras 80/60°C. Kadangi radiatorių patalpai atiduodama šilumos galia yra proporcinga jo temperatūros ir paviršiaus ploto sandaugai, tai žemėjant vandens temperatūrai ir norint išgauti tą pačią šildymo galią, reikia didinti radiatorius (jų paviršiaus plotą) (žr. 3 lentelę).

3 lentelė

Skaičiuojamosios radiatorių temperatūros, °C

Vidutinė radiatorių paviršiaus temperatūra, °C

 To paties dydžio

radiatorių galia, %

Reikalingas radiatoriaus padidėjimas tai pačiai galiai, kartais

 90/70

80

100

1

 80/60

70

78

1,28

75/60

67,5

74

1,35

 60/50

55

50

2,01

 55/45

50

41

2,46

 50/40

45

32

3,14

Savaime suprantama, kad kondensaciniam katilui dirbant 80/60°C temperatūrų režime, vandens garų kondensacija katile nevyks (rasos taškas 57°C) ir mes neišnaudosime tos papildomos slaptosios garavimo  šilumos.

Tačiau yra dvi priežastys, kodėl apsimoka įrengti kondensacinį katilą aukštatemperatūrėje radiatorinėje sistemoje. Pirmoji – net ir nevykstant vandens garų kondensacijai, iš kondensacinio katilo išmetamų degimo produktų temperatūra dėl išvystytų šildymo paviršių bus gerokai žemesnė, palyginus su tradiciniu katilu. Todėl naudingumo koeficientas vis tiek bus 6-10% aukštesnis.

Antroji – kondensacinio katilo darbo laikas 80/60°C temperatūrų režimu sudarys tik nedidelę šildymo sezono dalį. Skaičiuojamoji šildymo sistemos temperatūra yra reikalinga tada, kada išorės oro temperatūra yra -20 ÷ -23°C. Išorės temperatūrai kylant, šildymo sistemos temperatūra turi būti žemesnė, nes bus mažesni šilumos nuostoliai ir reikės mažiau šildymo galios. Be to, pagal daugiamečių meteorologinių stebėjimų duomenis, vidutinė šildymo sezono temperatūra yra apie -0,5°C. Kaip tik pagal šią temperatūrą skaičiuojamos katilo metinės dujų sąnaudos. Daugiau kaip 85% šildymo sezono laiko išorės oro temperatūra svyruoja apie 0°C. Esant tokiai išorės oro temperatūrai, šildymo sistemos temperatūra bus apie 55/45°C. Prie tokių temperatūrų didžioji vandens garų dalis kondensuosis katile ir bus išnaudojama jų slaptoji garavimo šiluma.

Taip pat reikia nepamiršti, kad senose sistemose radiatoriai dažniausiai yra didesni, nei jų reikėtų, esant temperatūroms 90/70 ar 80/60°C. Todėl  drąsiai galima jungti kondensacinį katilą prie senos šildymo sistemos. Savaime suprantama, sistema turi būti išplauta, sandari ir tvarkinga.

Projektuojant naują radiatorinę šildymo sistemą, matyt, optimaliausios skaičiuojamos temperatūros būtų 75/60°C. Radiatoriai turėtų būti tik trečdaliu didesni, palyginus su temperatūromis 90/70°C ir sistema pabrangtų nesmarkiai.