Kis kondenzációs gázkazánok
2007/6. lapszám | Jeckel János | 8118 |
Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A kondenzációs gázkazánok elterjedése a 80-as évek elején kezdődött Hollandiában. A fejlődés töretlen volt, a 90-es évek közepén az országban túlsúlyba kerültek a kondenzációs kazánok, és ma már az eladott gázkazánok 90%-a ilyen típus. Ez a térhódítás Hollandiából kiindulva terjed Európában. Mára Németországban, Svájcban 50% felett van a kondenzációs kazánok aránya, Ausztriában és Angliában meghaladja már a 30%-ot. Nálunk ez az arány jelenleg 3 és 5% között mozog, de a közeljövőben idehaza is jelentős, gyors emelkedéssel számolhatunk.
A kondenzációs gázkazánok ma a gáz-fűtéstechnika csúcstermékei. A legjobb hatásfokkal hasznosítják a gáznemű tüzelőanyagban lévő energiát, de ugyanakkor a károsanyag-kibocsátásuk igen alacsony, a levegőszennyezésük az elérhető minimumot közelíti meg.
Energiatakarékosság
A kondenzációs kazánokkal a hagyományos jó minőségű kazánokhoz viszonyítva éves szinten 15-20% energiát lehet megtakarítani, és ez a szám a már régebbi kazánokhoz viszonyítva elérheti a 30%-ot is. Az igen jelentős energia-megtakarítás legnagyobb része abból származik, hogy az égésnél keletkező vízgőzt lecsapatjuk, és annak rejtett hőjét visszanyerjük. A rejtett hő az a hőmennyiség, amely a víz elpárologtatásához szükséges. Amikor kondenzálódik a vízgőz, ezt a hőmennyiséget nyerjük vissza.
Az égésnél keletkező víz (H2O) és ezen keresztül a lecsapódásnál keletkező hő mennyisége a tüzelőanyagban lévő hidrogén mennyiségétől függ. A tüzelőanyagok közül fajlagosan a legtöbb hidrogén a földgázban található, mivel az döntően metánból (CH4) áll. Jóval alacsonyabb a tüzelőolajban a hidrogén aránya, és elenyésző a szénben. Ezért elsősorban a földgázüzemű kondenzációs kazánok terjednek. Földgáznál a kondenzációs hő +11%.
Ez ad magyarázatot a kondenzációs kazánprospektusokban előforduló 107-109%-os hatásfokra. A hatásfokot még jóval régebben a fűtőértékre vetítve határozták meg, amely a kondenzációs hőt nem tartalmazza. A kondenzációs kazánok megjelenésével egyes országok – látván az anomáliát – áttértek az égéshőre vetített hatásfokra. A legtöbb állam azonban – így Magyarország is – megmaradt a régi meghatározás mellett. Az égéshő fogalma tartalmazza a tüzelőanyagból kinyerhető teljes energia mennyiséget, így az arra való vetítés felelne meg annak az elfogadott elvnek, hogy 100% feletti hatásfok nem létezik.
Jelentős energia-megtakarítás származik abból, hogy a kondenzációs kazánnál sokkal alacsonyabb hőmérsékleten (80 °C alatt) távozik a füstgáz, kisebb a füstgázveszteség és kevesebb energia „repül ki” a kéményen keresztül a szabadba.
Az 1. ábra a hagyományos és a kondenzációs kazánok hatásfokát szemlélteti a terhelés függvényében. A képen láthatjuk, hogy a kondenzációs kazán további nagy előnye, hogy a terhelés csökkenésével nő a hatásfoka. Ezzel szemben a hagyományos kazánoknál a terhelés csökkenésével a hatásfok is csökken. Mivel a kazánok még jó méretezés mellett is az év döntő részében részterheléssel működnek, az éves hatásfoknál jóval nagyobb az eltérés a hagyományoshoz viszonyítva, mint a névleges terhelés melletti hatásfoknál. Tehát az éves hatásfok összehasonlítása ad reális képet, és ez általában 20% felett van, jóllehet a névleges teljesítménynél való összevetés ennél kisebb különbséget eredményez.
A kondenzációs kazánok annál jobb hatásfokkal működnek, minél alacsonyabb a kazánba visszatérő fűtővíz hőmérséklete és minél magasabb a füstgáz harmatponti hőmérséklete. Harmatponti hőmérséklet alatt indul meg a kondenzáció, a füstgázban lévő vízgőz lecsapódása, a rejtett hő hasznosítása és ezen keresztül a kazán hatásfokának rohamos javulása. A füstgáz harmatponti hőmérséklete a tüzelőanyag öszszetételétől és a levegőfeleslegtől függően 53-57 °C között mozog. Ha a kazán hőcserélője jó hővezető-képességű alumíniumból készül, 50 °C alatti viszszatérő fűtővízhőmérsékletnél már megindul a kondenzáció, ami annál intenzívebb lesz, minél alacsonyabb ez a vízhőmérséklet. Mivel padlófűtésnél és falfűtésnél a visszatérő víz hőmérséklete mindig jóval 50 °C alatt van, nagyon jó, 108% körüli hatásfokkal számolhatunk. Téves az a nézet, amely szerint radiátoros fűtésnél nincs kondenzáció, és ezért csak padló-, illetve falfűtésnél érdemes kondenzációs kazánt alkalmazni. Radiátoros fűtésnél is minden esetben van kondenzáció, ha 50 °C alatti visszatérő fűtővízre méretezték a radiátorokat.
Ha a nemzetközileg és a magyar előírások szerint is ajánlott 75/65/20 °C-ra méretezik a radiátorokat, csak -5 °C-nál alacsonyabb külső hőmérsékletnél nincs kondenzáció, a többi esetben igen. Ez azt jelenti, hogy a magyar éghajlati viszonyok mellett a fűtési szezon több mint 90%-ában kondenzációs üzemben működik a kazán. A régebben szokásos 90/70/20 °C-ra méretezett radiátoroknál a fűtési szezon mintegy 60-70%-ában számíthatunk kondenzációs üzemre. Ha figyelembe vesszük a szokásos túlméretezést és az utólagos épület-hőszigeteléseket, ablakcseréket, még ennél is jobb a végeredmény a 90/70/20 °C-ra méretezett radiátoroknál.
Kondenzációs üzem szempontjából a legkedvezőtlenebbek a feltételek a HMV-előállításnál. Itt átlagban 98-100%-os hatásfokkal számolhatunk. Megjegyzem, az utóbbi időben már nagy hőcserélő felülettel rendelkező, ún. kondenzációs indirekt fűtésű tárolókat ajánlanak és forgalmaznak, amelyeknél jelentős kondenzációs hőnyereséget lehet elérni.
A kondenzációs kazánok hatásfoka nem kondenzációs üzemben 97-98% körül van.
Környezetvédelem
A kondenzációs kazánok környezetkímélők. Műszaki megoldásukból kiindulva a levegőbe kibocsátott káros égéstermék-komponensek (CO, NOx stb.) menynyisége töredéke a hagyományos gázkazánokénak.
A kondenzációs kiskazánok speciális előkeveréses égővel működnek. A ventilátor a hőigénynek, illetve a fűtésszabályozónak megfelelően változtatja a fordulatszámot, és ezen keresztül a kazán teljesítményét. Egy arányszabályozó a mindenkori levegőmennyiséggel arányos gázmennyiséget juttat a gázarmatúrán keresztül az égőhöz. A gáz– levegő aránya is állandó, és ez igen jó hatásfokú és igen csekély mértékű levegőt szennyező károsanyag-kibocsátást eredményez.
A kazánok hőcserélőjében lecsepegő kondenzátum füstgázmosóként funkcionál, kimosva a szennyezők java részét, és azok a kondenzvízben feloldva híg savként kerülnek a kazánon és szifonon keresztül a szennyvízhálózatba.
A földgázüzemnél keletkező kondenzátum pH-értéke 3,5-5 között mozog. A mellékelt 2. ábra felső sora a keletkező kondenzátum és a háztartási szennyvíz kémhatását veti össze néhány közismert anyagéval (alsó sor). A kondenzátum savassága megfelel a szódavíznek, híg ecetnek vagy egy savas esőnek, azaz tulajdonképpen hasonló pH-értékű anyagokkal naponta érintkezünk, a velük való foglalkozásra nincsenek különösebb előírások.
A kondenzátum kis kazánok esetében közvetlenül beengedhető a szennyvízhálózatba. Csak nagyobb kazánoknál írják elő semlegesítő berendezés alkalmazását. Magyarországon a GMBSZ a 140 kW alatti teljesítményű kondenzációs kazánoknál megengedi a kondenzátum semlegesítés nélküli bevezetését a közcsatornába. A nyugat-európai országokban általában 200 kW vagy a feletti teljesítményű kondenzációs kazánoknál írják elő a semlegesítést.
A savas kondenzátum tulajdonképpen hasznos, ugyanis a szennyvíz mindig lúgos, és azt a tisztítóműben savval semlegesíteni kell. A savas kondenzátum a csatornában elősemlegesítést végez. Mivel a háztartásokban keletkező szennyvíz mennyisége nagyságrenddel nagyobb, mint a kondenzációs kazánoknál keletkező szennyvízé, a kondenzátum csak kis mértékben csökkenti a szennyvíz lúgosságát. A szennyvíz-lefolyócsöveknél ma már úgyszólván kizárólag műanyagcsöveket alkalmaznak, amelyek savállók, így azok károsodásától sem kell tartani.
A kondenzációs kazánok kialakítása
Az első kondenzációs kazánok a hagyományos kazánokból alakultak ki úgy, hogy pótlólagos hőcserélővel – kondenzátorral – harmatponti hőmérséklet alá hűtötték a füstgázokat. A füstgázban lévő vízgőz lecsapódott, és az így felszabaduló látens hőt hasznosítani lehetett. A második generációs kondenzációs kazánok már e célra kifejlesztett integrált hőcserélővel készültek.
A következő előrelépés a kondenzációs kiskazánoknál az élőkeveréses speciális gázégő volt. Az égő állandó gáz– levegő arányt biztosít a kazán különböző teljesítménye mellett is, és ezáltal igen jó hatásfokú (közel tökéletes) égést tud biztosítani. Az égő ugyanakkor széles sávú fokozatmentes, automatikus teljesítményszabályozást (modulálást) tesz lehetővé. A 20 és 100% teljesítmény közötti moduláció a kazánoknak igen széles felhasználási teret jelent. A kisebb teljesítményű, például 30 kW-os kazánok a 60 m²-es lakásoktól a 300 m²-es családi házakig egyaránt alkalmazhatók.
A részletekbe való bocsátkozás nélkül az alábbiakban ismertetem azokat a jellemzőket, amelyeket a kondenzációs kazánok kialakításánál be kell tartani, és amelyekben eltér a hagyományos kazánoktól:
A kazán olyan nagy felületű hőcserélővel kell rendelkezzen, hogy az égésterméket a füstgáz harmatpontja alá hűtse, azaz kondenzáció jöjjön létre.
Az égéstermékekkel (füstgázokkal) érintkező teljes kazánbelső-felület savas közegnek ellenálló anyagból készül. Ez többnyire korrózióálló acél, ötvözött alumínium a hőcserélőnél, illetve az égőtérben, és műanyag az égéstermék- és kondenzátum-elvezetésnél.
Az égéstermékek igen alacsony, többnyire 80 °C alatti hőmérsékleten távoznak. Ilyen alacsony hőmérséklet mellett az égéstermékek gravitációsan nem tudnak eltávolodni a kazánból, a füstgáznak nincs elég „felhajtóereje”. Ventilátoros égőre, illetve levegőellátásra vagy égéstermék-elszívó ventilátorra van szükség.
A keletkező kondenzátum nem juthat az égőre, mert bizonytalanná teszi annak működését. Az égéstermékek vagy vízszintesen, vagy fentről lefelé haladnak át a kazánon.
Az égéstermék-elvezető csőnek, illetve a kéménynek korrózió- és nedvességállónak, valamint tömörnek kell lennie, mivel itt is folytatódik a kondenzáció. Tömörnek egyrészt azért, mert túlnyomásos az égéstermék-elvezetés, másrészt, mert a keletkező kondenzátumot el kell vezetni. A gyártók égéstermék-elvezetésre a kazánhoz és annak ventilátorához illesztett elvezető rendszereket, kéményeket ajánlanak vagy írnak elő.
A kondenzációs kazánok legkényesebb pontja a hőcserélő, ami az alábbi csoportokra osztható:
- mángorolt bordás alumíniumcsöves,
- bordás, illetve tüskés alumínium- szilícium öntvény,
- rozsdamentes acélcső bordázva, illetve továbbalakítva,
- zománcolt acélöntvény.
A 2. típus igen elterjedt. Egy tipikus megoldását a 3. ábra szemlélteti. Ezt a típust már több mint 20 éve alkalmazzák, és semmilyen korróziós, illetve egyéb probléma nem merült fel. További jó pont a 2. típus mellett, hogy az öntött alumínium hőcserélővel annak jó hőtechnikai tulajdonságai alapján lehet a legnagyobb fajlagos, azaz egy térfogategységre vonatkoztatott hőteljesítményt elérni. Viszont az 1. pontban említett alumínium bordáscső a gyártás miatt (mángorlás) csak tiszta vagy enyhén ötvözött alumíniumból készülhet, és ez az idők során nem bizonyult eléggé korrózióállónak. A bordák vége korrodál, lerövidül, ezáltal csökken a hőátadó felület és a kazán teljesítménye. A legtöbb cég már el is állt az ilyen típusú hőcserélőtől.
A 3. és 4. típusok jóval rövidebb ideje léteznek, azokkal kapcsolatban még kevesebb tapasztalat áll rendelkezésre. A kis kondenzációs kazánnál alkalmazott 3. típusú hőcserélő (lásd 4. ábra) rozsdamentes acélból készül, lapított spirál alakú csövekből. A hőcserélő felületen nincs semmilyen hegesztési varrat, ahol a hegesztés során kiéghetnék olyan ötvöző anyagok, amelyek az acél rozsdamentességét adják, így várhatóan hoszszú lesz az élettartama.
Égéstermék-elvezetés
A kondenzáció a füstgázelvezető rendszerben is folytatódik, ezért csak a korróziónak ellenálló anyagból készült, nedvességálló égéstermék-elvezető rendszereket, kéményeket szabad alkalmazni. Az égéstermék-elvezető rendszernek tömörnek kell lennie, hogy se mérgező égéstermék (füstgáz) ne kerülhessen a kéményt körülvevő helyiségbe, se kondenzátum ne tudjon behatolni az épületszerkezetbe.
A kondenzációs kazánok lényege az, hogy az égésnél keletkező gőz állapotú vizet az égéstermékből kicsapatjuk, és annak rejtett hőjét hasznosítjuk. Ez 53-58 °C közötti hőmérsékleten megy végbe. A távozó égéstermék hőmérséklete viszonylag alacsony. A kondenzáció egy folyamat, amely a hőcserélő után az égéstermék-elvezető csőben, illetve a kitorkolásnál is folytatódik. Kondenzációs kazánoknál tehát alacsony hőmérsékletű, erősen kondenzálódó égéstermékkel (füstgázzal) kell számolni.
Az égéstermék-elvezetésre a megoldások a kis kazánoknál ugyanazok, mint a hagyományos zárt égésterű kazánoknál, de a tömítések anyagánál (O-gyűrű, ajakos tömítés) és a csöveknél a fent leírt specialitásokat figyelembe kell venni.
A műanyagcsövek és ezen belül a polipropilén és kopolimerjei a kondenzációs kazánok követelményeinek jobban megfelelnek, és tömeggyártásban olcsóbbak, mint a hagyományos kazánoknál alkalmazott alumíniumcsövek, ezért ma már úgyszólván csak ezeket alkalmazzák. A kondenzációs kazánoknál tehát az e célra kifejlesztett rendszert kell alkalmazni.
A csövek szerelését úgy kell megoldani, hogy azok a kazán felé lejtsenek, és a csőben keletkező kondenzvíz a kazánon és annak szifonján keresztül távozzon a csatornába. A lejtés 3-4%-os legyen.
Az égéstermék nagyon alacsony hőmérsékleten távozik, így hosszabb vezeték esetén hőszigeteléssel kell gondoskodni arról, hogy télen „jégdugó” ne keletkezhessen a kitorkolásnál.
A füstgázelvezető rendszer ellenállása függ a csövekben áramló levegő, illetve füstgáz sebességétől és ezen keresztül a csőrendszer keresztmetszetétől, valamint a levegő-bevezető és füstgázelvezető rendszer teljes hosszától. Kisebb keresztmetszet esetén rövidebb a maximálisan megengedett csőhossz, nagyobb keresztmetszetnél hosszabb egy-egy adott készüléknél.
Ma már többnyire rendszerjellegű égéstermék-elvezetőket alkalmaznak. Erre szakosodott üzemek bizonyos méretsorokban gyártják a kéményeket, illetve égéstermék-elvezető elemeket. A kiskazán-gyártók kazánjaikhoz illesztve átveszik e rendszereket, méretezik, meghatározzák az alkalmazási határokat, és saját rendszerükként hozzák forgalomba. Az elvezető rendszer alkalmasságának tanúsítása a kazánnal együtt történik.
A füstgázelvezető rendszer elemeit az alábbiak szerint csoportosíthatjuk:
- indító elemek vagy kazánhoz csatlakozó elemek,
- egyenes csőszakaszok,
- irányváltoztató elemek (könyök, ív),
- épülethatároló szerkezeten (fal, tető) átvezető elemek,
- kitorkoló és beszívó elemek,
- egyéb kiegészítő elemek (rögzítő, takaró stb.).
Ma már kiforrott megoldások vannak a kis kazánokhoz, amelyek az alábbi fő csoportokra bonthatók:
- vízszintes égéstermék-elvezetési rendszer külső falra (homlokzatra) koncentrikus csövekben,
- függőleges égéstermék-elvezetési rendszer tetősík fölé koncentrikus csövekben,
- különálló (szétválasztott) égéstermék-elvezető és levegőbeszívó rendszer,
- meglévő kéményaknában való elvezetés az abban végigvezetett tömör csőben.
Az előre gyártott, több készülék csatlakoztatására alkalmas levegőbeszívó és égéstermék-elvezető rendszerű (LAS) kéményekhez való csatlakoztatás a vízszintes elvezető rendszerek egyik speciális megoldása.
A kondenzációs kazánok telepítése, alkalmazása
A kondenzációs kazán kiválasztásánál és betervezésénél alapelvként az alacsony fűtővíz-hőmérsékletre kell törekedni, mivel így hasznosítható jól a kondenzációs technika előnye.
A kazánhoz kapcsolt indirekt fűtésű használati melegvíztárolónál a minél nagyobb hőátadó felületre kell törekedni. Ma már egyes tárológyártók külön, kondenzációs kazánhoz ajánlott tárolókat kínálnak, amelyek a szokásosnál nagyobb felülettel rendelkeznek.
A kondenzációs kazánok kaszkád üzemmódban való működtetése is ajánlott, különösen hagyományos kazánnal kombinálva, úgy, hogy a kondenzációs kazán elégíti ki az alap-, illetve a részterhelést. A hagyományos kazán csak csúcsterhelésnél lép be.
Jó megoldás a szolártechnikával való kombinálás, mivel alapvetően mindkettő alacsony hőmérsékletű rendszer.
A kondenzációs kazán telepítésénél figyelembe kell venni azt, hogy a keletkező kondenzátumot vagy közvetlenül, vagy semlegesítő berendezésen keresztül el kell juttatni a közcsatornába. Semlegesítő berendezésekből nagy a piaci kínálat. Az esetek többségében a kazán gyártója is ajánl, illetve szállít a kazánokkal teljesítőképességben összhangban lévő semlegesítő berendezéstípusokat. A szilárdanyag-töltetes, kalcium- vagy magnézium-karbonát alapú granulátummal működő berendezések terjedtek el a legjobban. A granulátumot bizonyos időnként cserélni kell, mert az „kimerül”, vagyis hatástalanná válik.
Gazdaságosság, biztonság, komfort
A kondenzációs gázkazánok drágábbak a hagyományosnál a következők miatt. Minden füstgázzal érintkező rész drágább, saválló anyagból készül. Nagyobb felületű hőcserélőre van szükség. Általában speciális előkeveréses égőket alkalmaznak, amelyek széles lángszabályozású tartományt (20-100%-ig) adnak állandó levegő–tüzelőanyag arány mellett. A keletkező kondenzátumot gyűjteni és elvezetni kell. Túlnyomással, azaz ventilátorral kell gondoskodni az alacsony hőmérsékletű füstgáz elvezetéséről.
A mai gázárak és az olcsóbb készülékek figyelembe vételével a kondenzációs kazánra fordított többletköltség kéményes kazán esetében 4-6 éven, zárt égésterű kazán esetében pedig 5-7 éven belül térül meg. Mivel a jövőben a gázárak további jelentős emelkedésével és a kondenzációs kazánok árának relatív csökkenésével számolhatunk, ez a megtérülési idő még rövidebb lesz, és a kondenzációs kazán alkalmazását még jobb befektetésnek tekinthetjük. Egyes országok támogatják a kondenzációs kazánok terjedését, mások már ma előírják bizonyos esetekben és helyeken a kötelező alkalmazást.
A kondenzációs kazánok mindig ventilátoros és úgynevezett zárt égésterű készülékek. Az égéshez szükséges levegőt az épületen kívülről szívják, és zárt rendszerben, tömített csöveken keresztül az épületen kívülre juttatják az égésterméket. A kondenzációs kazánok a helyiség levegőjét nem használják el, és abba égéstermék sem kerülhet, tehát baleseti, egészségügyi szempontból rendszerüknél fogva teljesen biztonságosak.
A kondenzációs kazánoknak nagyon alacsony a zajszintje. Az igen csendes üzem a csendesebb égő mellett a fokozott hangszigetelésnek köszönhető.
