Kondenzációs technika A kondenzációs gázkészülékek elve már évtizedek óta ismert, azonban a gáz árának drasztikus emelkedése kellet ahhoz, hogy a gazdaságilag előttünk járó országokban alkalmazása széles körben elterjedtté váljon. Ezek a készülékek ugyanis különleges anyagokat, nagy pontosságú szabályozást, költségesebb technikai megoldásokat kívánnak, így áruk is magasabb a hagyományos készülékek áránál. A nyugat európai országokban kifejlesztett, és nagy sorozatban gyártott kondenzációs gázkészülékek széles választékát több gyártó kínálja a hazai gázkészülék piacon. A választékban a kisebb, egy-egy lakás fűtésére és használati melegvíz ellátására alkalmas fali készülékektől kezdve a nagy méretű létesítményeket ellátni képes kazánokig a kondenzációs üzemű gázkészülékek minden mérete megtalálható. Ezeknek a magasabb hatásfokú, de drágább készülékeknek gazdaságossági megítélésénél igen fontos tényező a felhasználásra kerülő gáz ára. A nyugat-európai országokhoz viszonyítottan még mindig igen alacsony hazaigáz ár nem kecsegtet a magasabb beruházási költség gyors megtérülésével. Ennek ellenére foglalkozni kell a kondenzációs gázkészülékek alkalmazásával, mert egy új épület létesítésénél vagy egy lakáskorszerűsítésnél alkalmazott műszaki megoldások akár évtizedekkel előre is meghatározhatják az épület energiafogyasztását, így "üzemeltetésének" költségeit. Cikkünket elsősorban azok számára írtuk, akik tudni szeretnék, hogy mi is a kondenzációs technika, milyen előnyökkel jár alkalmazása, és netán az ehhez szükséges pénzösszeg is rendelkezésükre áll. Mivel ez utóbbi sajnos még nem általános, ezért kitérünk arra is, hogy mit kell tenni annak érdekében, hogy ha ma még nem is jut pénz a kondenzációs készülék beépítésére, de a kialakított rendszer annak fogadására a későbbiekben alkalmas legyen. Hirdetés
Kazánhatásfok 100% fölött? A kondenzációs gázkészülékek legfontosabb jellemzője a hagyományos gázkészülékek hatásfokát jelentősen meghaladó hatásfok. A hagyományos gázkészülékek ma 91-94% hatásfokkal kerülnek forgalomba; a kondenzációs készülékek ezzel szemben akár 108-109% hatásfokkal is büszkélkedhetnek. Mielőtt bárki is fizikatudásom hiányosságát vetné a szememre, sietek leszögezni, hogy ezek a készülékek a 100% feletti hatásfokot nem a fizika törvényeinek felrúgásával érik el. Csupán arról van szó, hogy a tüzelőberendezések hatásfokát az elégetett tüzelőanyag fűtőértékére vonatkoztatjuk. A tüzeléstechnikai gyakorlatban a tüzelőanyagokat fűtőértékükkel jellemezzük. Az égéstermék jobb lehűtésével -
alacsonyabb égéstermék hőmérséklettel - növekszik a tüzelés hatásfoka. Ha az égésterméket 20 °C-ig sikerülne lehűteni, akkor ezzel elvileg elérhetnénk a 100% tüzeléstechnikai hatásfok értéket, azaz a tüzelőanyag fűtőértéke teljes mértékben hasznosulna. A fűtőértéken felül van még a tüzelőanyagban, illetve elégése során keletkező égéstermékben hasznosítható hőenergia: mégpedig az égéstermékben lévő vízgőz párolgáshője. (Ezzel a párolgáshővel nagyobb a tüzelőanyag égéshője annak fűtőértékénél.) Mind a földgáz, mind a PB-gáz éghető alkotóinak nagy része hidrogén, ami az égési reakció során a levegő oxigénjével egyesülve vízzé ég el. Hagyományos tüzelőberendezésekben az égés-termékben lévő víz, gőz formájában a kéményen keresztül távozik. Ezeknél a hagyományos készülékeknél akár a tüzelőberendezésben, akár a kéményben bekövetkező kondenzáció nem kívánatos jelenség. A kondenzációs készülékek viszont éppen úgy vannak kialakítva, hogy az égéstermékben lévő vízgőz minél nagyobb mértékben kiváljon, lecsapódjon: párolgáshőjét ezáltal ne vigye magával a kéményen keresztül a szabadba, hanem az a készülékben hasznos hőként jelentkezzen. A kondenzációs üzemben így nyerhető hasznos többletenergia nagyságáról képet alkothatunk, ha figyelembe vesszük, hogy 1 Nm3 H minőségű földgáz elégése során több mint 1 kg vízgőz keletkezésére számíthatunk, melynek kondenzációja során párolgáshője hasznos hőként jelentkezik. A hagyományos tüzelőberendezésben és a kondenzációs készülékben kialakuló energiaviszonyokat az 1. ábra szemlélteti. Egy jó minőségű hagyományos készülék esetében a fűtőérték 91-94%-a válik hasznos hővé, a további 69% valamilyen formában veszteségként jelentkezik (sugárzási veszteség, kémény veszteség). Ezen kívül teljes egészében a kéményen át a szabadba távozik az égéstermékben lévő vízgőz, és a fűtőérték 11%-át kitevő hőtartalmát is magával viszi. Ezzel szemben a kondenzációs készülékeknél az égéstermék alacsonyabb hőmérsékleten távozik. Ezzel már elérjük, hogy fűtőérték 98%-a hasznosul, és csupán 2% a veszteség. A fűtőérték további 10%-át kitevő többletenergiát jelent az égéstermékben lévő vízgőz kondenzációja során visszanyert hőmennyiség
Egy kevéssé ismert fogalom: hasznosítási fok Az energiahordozók árának növekedése nemcsak a tüzelő berendezések szerkezeti kialakításának fejlődését eredményezte, hanem kutatások folytak a tüzelő berendezések változó üzemi viszonyok között tanúsított viselkedésének feltárására is. Egy központi fűtőberendezésben alkalmazott tüzelőberendezés ugyanis csak a fűtési szezon igen kis részében - gyakorlatilag alig néhány napig - üzemel teljes terheléssel, és a meteorológiai-statisztikai adatok szerint a fűtési szezon több, mint 80%-ában a tüzelő berendezés kiterheltsége még az 50%-ot sem éri el! Igen fontos tehát az éves energia felhasználás szempontjából, hogy a tüzelőberendezés csökkentett terhelés, azaz nem teljes kiterheltség mellett hogyan viselkedik. Ezek a kutatások fontos eredményeket hoztak: a hagyományos tüzelőberendezéseknél a kiterheltség csökkenésével nem csökkennek a veszteségek, de csökken a hasznosuló energia, tehát a kiterheltség csökkenésével csökken a berendezés hatásfoka! Ennek számos oka közül a legjelentősebb a hagyományos kazánok, cirkók ki-be kapcsolásos üzemmódja. A kiterheltség csökkenésével növekszik a kazán két bekapcsolása közötti állásideje. Energiát az állásidő alatt nem viszünk be, de a meleg kazán kívülről a környezete felé és belülről a kémény felé is folyamatosan ad le hőt, ami veszteségként jelentkezik. Ezeknek a veszteségeknek a csökkentésére alakították ki az alacsonyhőmérsékletű kazánokat és a több fokozatú, valamint a
lángmodulációs vezérléseket. Itt azonban a további fejlesztésnek technikai korlátai vannak, melyekre megoldást csak egy új szerkezet: a kondenzációs készülék jelentett. A 2. ábra a hagyományos kazán, az alacsonyhőmérsékletű kazán és a kondenzációs készülék hasznosítási fokát tünteti fel a kiterheltség függvényében. Látható, hogy a hagyományos kazánok esetében a kiterheltség csökkenésével jelentősen esik a hasznosítási fok, azaz a felhasznált energia egyre nagyobb hányada megy veszendőbe. Óriási károkat okoz az a Magyarországon általános gyakorlat, hogy - rosszul értelmezett biztonságból - igen gyakran a szükségesnél másfélszer, kétszer nagyobb kazán kerül beépítésre. A túl nagy kazán még a legnagyobb hidegben is csak részterheléssel, így gyengébb hasznosítási fokkal üzemel. Gyakori panasz: "miért olyan nagy a gázszámlám, amikor pedig olyan jó nagy kazánom van?" A korszerű alacsony hőmérsékletű kazánoknál nem esik ilyen nagy mértékben a hasznosítási fok, kondenzációs készülékeknél pedig pont fordított a helyzet; a kiterheltség csökkenésével a hasznosított energia hányad, a hasznosítási fok növekszik. Kondenzációs készülékeknél tehát - ellentétben a hagyományos kazánokkal - a túlméretezés nem káros! Nézzük meg a 2. ábra adatai segítségével, hogy konkrét számokkal mit is jelent ez! A fűtési szezonban a 0 °C körüli külső hőmérséklet egy pontosan méretezett fűtőberendezés számára kb. 50%-os kiterheltséget jelent. Ekkor a kondenzációs készülék 97%-os, az alacsony hőmérsékletű kazán 93%-os, viszont a hagyományos kazán mindössze 80%-os hasznosítási fokkal üzemel. Ha viszont a hagyományos kazán (rossz) szokás szerint kétszeresen túlméretezett akkor a 0 °C körüli külső hőmérséklet csak 25% kiterheltséget, ezzel 70% alatti hasznosítási fokot jelent.
A kondenzációs készülékek kialakítása A cél tehát az égéstermék minél nagyobb mértékű lehűtése, és ezzel a benne lévő vízgőz minél teljesebb mértékű kiválasztása, kondenzálódása. Kondenzációs üzemet elvileg bármelyik gázkészüléknél elő lehet idézni, amely elég alacsony hőmérsékleten üzemel és/vagy megfelelően nagy hőcserélővel rendelkezik. A kifejezetten kondenzációs üzemre készült tüzelőberendezések ennek megfelelően méretezett hőcserélővel készülnek, és az égéstermékből kiváló kondenzátum elvezetése is megoldott. Természetesen meg kell oldani a savas vegyhatású kondenzátum okozta korróziós folyamatoknak ellenálló kivitelt is: ennek megfelelő szerkezeti anyagok alkalmazásával. A kondenzációs készülékek hőcserélője ezért leggyakrabban rozsdamentes acél, esetleg különleges alumínium ötvözet. A kondenzációs gázkészülékek csak ventilátoros kivitelben készülnek. Ennek számos oka közül a lényegesebbek: n Az égésterméket a benne lévő vízgőz kondenzálódásához alacsony hőmérsékletre kell lehűteni, ami már nem biztosít megfelelő kéményhuzatot. n A földgáz égéstermék kondenzációs hőmérséklete - tehát az a hőmérséklet, amikor az égéstermékben lévő vízgőz lecsapódik - 57 °C körül van. A kondenzációs hőmérséklet értékét igen nagy mértékben befolyásolja a tüzelési légfelesleg-tényező, az égésnél az éghető gázhoz vezetett levegő aránya. A kondenzációs hőmérséklet a légfelesleg-tényező növekedésével csökken. A hasznosítás érdekében a kondenzációs hőmérsékletet minél magasabb értéken kívánjuk tartani, ezért az égést az elméleti légszükséglethez (l=1) közeleső tartományba kell beállítani. Ezt a kondenzációs készülékekben általánosan alkalmazott RAG (Rapport Air-Gas) szabályozás biztosítja. Itt egy elektronika a levegőt szállító ventilátor fordulatszámát - így légszállítását - változtatja a mindenkori hőigény függvényében. A szállított levegő egy mérőperembe kerül, ahol a létrejövő nyomáskülönbség jel pneumatikusan szabályozza a hozzá vezetett éghető gáz mennyiségét, illetve arányát. A készülék jó hatásfokú üzeméhez a légfelesleg-tényezőt, azaz a levegő-gáz arányt igen pontosan be kell állítani. Ezért ezeknek a berendezéseknek az üzembe helyezése és karbantartása már nem képzelhető el megfelelő műszerezettség nélkül. A kondenzációs készülék felépítése jól látható egy Vaillant kombi készülék burkolat nélküli fényképén (illetve a Viessmann készülékekről készült robbantott rajzon). Bizony ránézésre már sokkal jobban hasonlít
egy korszerű gépkocsi motorra, mint a megszokott gázkészülék formára. A ventilátor a fekete csövön keresztül a készülékházból szívja a levegőt. (A levegő ide vagy közvetlenül a készüléket tartalmazó helyiség légteréből, vagy csővezetéken a szabadból kerül be.) A levegővezeték alsó végénél látható az alumínium blokk gázadagoló szelepe és közvetlenül utána a ventilátor alumínium háza. A készülék felső részén a kerek formájú alumínium ház a szétbontást lehetővé tevő fülekkel és csavarokkal az égőt takarja. A kondenzációs készülékeknél a "láng" felülről lefelé ég. Ennek oka elsősorban az, hogy így a készülékben keletkező kondenzátum nem folyik vissza az izzásban lévő égőre. A készülék ezen kívül tartalmazza még a hagyományos cirkókban megszokott elemeket; keringtető szivattyút, tágulási tartályt, használati melegvíz előállításhoz hőcserélőt vagy tároló fűtéshez váltószelepet, és természetesen minden igényt kielégítő szabályozó berendezést is. A kondenzációs fali készülékek tehát éppen úgy komplett egységet képeznek, mint a hagyományos fali fűtő vagy kombi készülékek, és elhelyezés szempontjából: méretükben sincs jelentős eltérés. Nagyobb hőigények kielégítésére kondenzációs üzemű állókazánokat gyártanak, ezek ismertetése azonban meghaladná e cikk kereteit.
A kondenzációs készülék és a fűtési rendszer Nyilvánvaló, hogy a készülékben kondenzáció csak akkor jön létre, ha a felmelegítendő fűtőközeg hőmérséklete az égéstermék kondenzációs hőmérsékleténél alacsonyabb. Az 1. ábrából látható, hogy 60 °C feletti hőmérséklet esetén nem számíthatunk kondenzációra. Ebből adódik, hogy a kondenzációs technikát teljes mértékben kihasználni csak alacsony fűtővíz hőmérséklettel üzemelő fűtési rendszerekkel (padlófűtés, falfűtés, alacsony hőmérsékletű radiátoros fűtés) lehet. Természetesen akkor is működőképes lesz a kondenzációs készülékkel felszerelt fűtési rendszer, illetve a fűtőberendezés, ha a fűtés egyébként a hagyományos 90/70 °C hőlépcsőre került kialakításra. Ebben az esetben azonban a kondenzáció - és az ebből eredő megtakarítás - csak azokban a tavaszi-őszi enyhébb időszakokban jelentkezik, amikor elegendő alacsony - kondenzációt lehetővé tevő - fűtővíz hőmérséklet. Hidegebb időben, amikor magasabb fűtővíz hőmérséklet szükséges, a készülék kondenzáció nélküli üzemben, jó hatásfokú hagyományos készülékként fog működni. Ekkor tehát le kell mondanunk a kondenzáció által biztosított többletnyereségről. A 3. ábra meteorológiai statisztikai adatok alapján egy átlagosnak tekinthető fűtési szezonra adja meg eltérő fűtővíz hőmérsékletekre tervezett fűtési rendszereknél a kondenzációs üzem várható részarányát a fűtési szezonon belül. Látható, hogy a 90/70 °C hagyományos méretezésű fűtési rendszerek csak a fűtési szezon 30%-ában, a 65/50 °C-ra méretezett alacsony hőmérsékletű fűtés már majdnem a teljes szezonban, a 40/35 °C-ra méretezett padlófűtés már állandóan kondenzációs üzemben működik. Sajnos az alacsony hőmérsékletű fűtések nagyobb, és ezáltal drágább hőleadó felületet kívánnak, mint a hagyományos hőmérsékletű fűtések. Ha radiátoros fűtést létesítünk, akkor kondenzációs készülékhez 55 °C alatti hőmérsékletre méretezett rendszert célszerű kialakítani. Ekkor viszont több mint kétszer nagyobb fűtőtestek szükségesek, mint 90 °C előremenő fűtővíz hőmérséklet esetében kellene. A kondenzációs fűtési rendszer beruházásánál tehát nemcsak a drágább készülék jelent többletköltséget, hanem a kondenzációs üzemmód minél teljesebb kihasználásához szükséges nagyobb fűtőtestek is. Viszont ha amúgy is padló vagy falfűtést készítünk, akkor ilyen másodlagos többletköltség nem jelentkezik. Érdekes a helyzet, ha egy régebbi épületet és annak fűtési berendezését vizsgáljuk kondenzációs hőtermelővel való felszerelés szempontjából. Ha a fűtési rendszer jó állapotban van, akkor semmi akadálya a meglévő hőtermelő kondenzációs készülékre történő kicserélésének. Általában ezek a régebbi épületek B30-as blokktéglából készültek, gyenge minőségű nyílászárókkal. Ha a meglévő épületszerkezet hőszigetelését elvégezzük olyan módon, hogy az kielégítse a jelenlegi hővédelmi előírásokat, akkor a fűtőberendezésnek hideg időben sem kell az eredetileg tervezett 90/70 °C-on üzemelnie, hanem elegendő ennél alacsonyabb hőmérsékletű fűtővízzel dolgozni. Az épület hőszigetelése révén tehát a meglévő fűtési rendszer kondenzációs üzemre alkalmassá válik. A most építkezők számára pedig csak azt lehet tanácsolni, hogy ha most nem is jut pénz kondenzációs készülék beszerzésére, magát a fűtési rendszert már a fentebb elmondottak figyelembevételével, alacsony
hőmérsékletű fűtővízre méretezve alakítsák ki, hogy az a későbbiekben kondenzációs készülék fogadására alkalmas legyen. Nagyon örülnék, ha jóslatom nem válna be, de a folyamatokat figyelve néhány éven belül a jelenlegi gázár háromszoros-négyszeres növekedésére számíthatunk. Erre pedig egyénileg is, nemzetgazdaságilag is fel kellene készülni.
Kondenzációs készülékek égéstermék elvezetése A készülék égéstermék elvezetése és égési levegő ellátása hasonló a ventilátoros készülékeknél alkalmazott kettős csöves (LAS) megoldásokhoz. A különbség annyi, hogy a belső - az égéstermék szállítására szolgáló - cső az alacsonyabb hőmérséklet (és a savas kondenzátum) miatt általában műanyagból készül. Kondenzációs készülék levegő ellátására és égéstermék elvezetésére meglévő hagyományos kémény is igen jól felhasználható: a falazott kéményen belül a lakóépület nagyságrendnél általában 70-80 mm méretű, műanyag égéstermék elvezető cső elhelyezhető, maga a falazott kémény pedig a készülékhez megfelelő idommal csatlakoztatva az égési levegő hozzávezetésére használható fel. Ezeknél a megoldásoknál a készülék az égési levegőt nem a belső térből veszi, azzal összeköttetésben nincs, tehát minden szempontból a lehető legbiztonságosabb megoldást jelenti. A helyi adottságoknak megfelelő legoptimálisabb megoldás megtalálása hozzáértő tervező feladata. Javaslom, hogy tanácsért, tervező ajánlásáért már jó előre keressük meg valamelyik kondenzációs készüléket gyártó cég hazai képviseletét. Találkoztam olyan esettel, ahol az előre megépített, különlegesen hőszigetelt, méregdrága kéményt csak a kondenzációs készülék frisslevegő ellátására tudtuk felhasználni, erre pedig elegendő lett volna egy lényegesen olcsóbb, egyszerű, falazott kürtő is. Kondenzációs készülék telepítésénél figyelembe kell venni, hogy annak nem csak "füstgáz" égésterméke van, hanem a lecsapódó kondenzátumot is el kell vezetni, így a készülék számára szennyvízcsatorna csatlakozást is ki kell alakítani. A készülékben keletkező kondenzátum - közelítőleg a szódavízzel azonos mértékben - enyhén savas, ami azonban a tapasztalatok szerint a szokásos (PVC stb.) csatorna anyagokat nem veszélyezteti. Családi ház nagyságrendű berendezések esetében a keletkező kondenzvíz kezelése semmiféle különleges intézkedést nem kíván, mivel azt a lúgos (szappan, mosószerek) háztartási szennyvíz közömbösíti. Nagy berendezések esetében, vagy különleges körülmények között szóba kerülhet a keletkező kondenzátum vegyszeres semlegesítése, erre vonatkozólag azonban hazai előírás még nincs. (Egyszerű kondenzvíz semlegesítő berendezéseket a kondenzációs gázkészülék gyártók forgalmaznak.)
Kondenzációs hőtermelő és használati melegvíz előállítás A kondenzációs berendezések a háztartásban szükséges használati melegvíz előállításra is igen kedvezően alkalmazhatók. Ennek megfelelően készülnek átfolyós kombi és tárolós kombi kivitelű kondenzációs fűtőkészülékek is. A felmelegítendő ivóvíz hálózati hidegvíz még nyáron is eléggé alacsony hőmérsékletű, hogy a kondenzációs üzem számára kedvező feltételeket teremtsen. Azzal, hogy mikor célszerű átfolyós és mikor tárolós melegvíz termelőt alkalmazni, már korábbi cikkeinkben foglalkoztunk. Most csak egy érdekes adalék a kondenzációs átfolyós kombi alkalmazását illetően: Kis épületek, lakások esetében gyakori probléma, hogy a kis terjedelem és a jó hőszigetelés miatt a fűtés mindössze néhány kilowatt készülék teljesítményt kíván, viszont a használati melegvíz előállítás miatt minimum 18, de inkább 24 kW-os készüléket kell beépíteni. Ilyen esetben a hagyományos kombi készüléket a jelentkező kis fűtési teljesítményre leszabályozni nem lehet, továbbá fűtési üzemmódban mindig alacsony részterhelésen, tehát gyenge hasznosítási fokkal fog működni. Kondenzációs üzemű kombi készülékből viszont nyugodtan beépíthető a használati melegvíz előállításhoz szükséges nagyobb (18 vagy 24 kW) hőteljesítményű; a fűtési üzemben jelentkező alacsony kiterheltség mellett a hasznosítási fok csak javul.
Kondenzációs hőtermelő és napenergia A kondenzációs hőtermelő igen kedvezően kombinálható napenergia hasznosító rendszerrel. Ennek az alapját az adja, hogy a kondenzációs berendezésekhez hasonlóan a napenergia hasznosító berendezések is az alacsonyabb hasznosítási hőmérséklet mellett működnek nagyobb hatásfokkal. Hazánkban a napenergia hasznosításnak jelenleg a használati melegvíz előállításban van elsősorban jelentősége. A kondenzációs készülék és napenergia hasznosító egy rendszerbe kötéséhez általában kettő fűtőspirállal felszerelt használati melegvíztárolókat alkalmaznak, melyeknél az alsó fűtőspirál a napkollektorral, a felső fűtőspirál pedig a kondenzációs hőtermelővel van összekötve. Egy ilyen rendszer részletes ismertetése azonban már egy másik cikk tárgyát képezi. A leírtakkal főleg azt szerettük volna jelezni, hogy a kondenzációs gázkészülékek alkalmazása: betervezése és felszerelése nem kíván a tervezőtől és a szerelőtől különleges ismereteket vagy rendkívüli technikai felkészültséget. Különlegessége csupán annyi, hogy figyelembe kell venni: a kondenzációs technika gazdaságossága igazán csak alacsony fűtővíz hőmérsékletnél jelentkezik. Ennek megfelelő fűtési rendszert kell létesíteni, és az égéstermék elvezetésnél a keletkező kondenzátum elvezetéséről is gondoskodni kell.
