Jak dobrać moc kotła

Często mówi się, że jakiś kocioł doskonale nadaje się do domu o powierzchni na przykład 100 m². Czy rzeczywiście informacja o wielkości domu wystarczy, aby wybrać odpowiednie urządzenie grzewcze?

Bez matematyki ani rusz

Podstawową informacją niezbędną do doboru mocy kotła są straty ciepła domu, który ma on ogrzewać. Trzeba je obliczyć.
W każdym kraju funkcjonuje jakiś sprawdzony schemat określania strat ciepła uwzględniający lokalne warunki klimatyczne. Ten obowiązujący w Polsce jest opisany w polskich normach. Do obliczania strat według tego schematu zobowiązuje rozporządzenie ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
Gdy zamawiamy projekt domu u architekta, możemy oczekiwać, że będzie on zawierał wyniki takich obliczeń. Na ich podstawie da się dobrać nie tylko kocioł, ale także odpowiednie grzejniki do wszystkich pomieszczeń.

Używając programu komputerowego. Obliczenie strat ciepła bardzo ułatwiają programy komputerowe, których bezpłatne wersje rozpowszechnia wiele firm z branży instalacyjnej. Dzięki rozbudowanym funkcjom pomocniczym program umożliwia wykonanie obliczeń także tym, którzy nie mieli wcześniej do czynienia z projektowaniem (choć brak doświadczenia z pewnością wydłuża ich czas). Wynik takich obliczeń lepiej skonsultować z fachowcem.

Za pomocą formularza. Jeśli nie mamy projektu z obliczonymi przez instalatora stratami ciepła, możemy spróbować oszacować je samodzielnie, stosując uproszczone metody obliczeń. Wystarczająco dokładne dla domów jednorodzinnych są niezbyt jeszcze u nas rozpowszechnione, ale bardzo praktyczne formularze.
Na każde z postawionych w nich pytań możliwych jest kilka odpowiedzi. Należy wybrać tę, która najlepiej opisuje nasz dom. Do każdej odpowiedzi jest przyporządkowana inna liczba. Dodając lub mnożąc te liczby zgodnie z podaną instrukcją, otrzymamy wartość odpowiadającą zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzania naszego domu.
Praktyka pokazuje, że uzyskany w ten sposób wynik nie odbiega znacząco od obliczeń wykonanych według zaleceń normy. Różnica nie przekracza 10%, co przy stosunkowo niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło do ogrzania domu jednorodzinnego nie stwarza niebezpieczeństwa, że dobrany zostanie zły kocioł.
Wypełnienie ankiety i obliczenia nie zajmą nam więcej niż kilkanaście minut.

W przybliżeniu. Najłatwiejszą metodą oszacowania strat ciepła domu jest wyznaczenie ich za pomocą wskaźnika. (Uwaga! Ma on niewiele wspólnego ze wskaźnikiem E – sezonowego zapotrzebowania na energię do ogrzewania, z którym bywa mylony.) Przyjmuje się, że wskaźnik do obliczenia strat ciepła wynosi:
- 130-200 W/m² – dla domów bez izolacji cieplnej, wybudowanych przed rokiem 1982;
- 90-110 W/m² – dla domów z lat 80. i 90. ubiegłego wieku;
- 50-70 W/m² – dla domów wzniesionych od końca lat 90. ubiegłego wieku, dobrze zaizolowanych, z nowoczesnymi oknami.
Informację o stratach ciepła domu otrzymujemy, mnożąc wartość wskaźnika przez powierzchnię domu. Te obliczenia nie uwzględniają liczby i wielkości okien, kształtu bryły domu ani jego położenia geograficznego, czyli czynników mających znaczny wpływ na straty ciepła. Dlatego wynik uzyskany w ten sposób nie powinien być podstawowym kryterium doboru kotła. Nie chodzi tu o ryzyko niedogrzania domu, ale raczej o duże prawdopodobieństwo, że wybrany kocioł będzie za duży. Wynik obliczeń może natomiast posłużyć do szybkiego sprawdzenia obliczeń projektanta. Niestety, różnica między tymi wynikami (jeśli obliczenia zostały wykonane prawidłowo) bywa znaczna, więc w ten sposób można wykryć tylko tak zwany gruby błąd.

„Na oko”. Jeszcze kilkanaście lat temu, kiedy domy były praktycznie nieocieplane, a okna nieszczelne, instalatorzy dobierali moc kotła w bardzo prosty sposób – 1 kW na każde 10 m² powierzchni domu. Nikt nie zawracał sobie wtedy głowy takimi pojęciami jak sprawność czy energooszczędność. Nowoczesną kotłownię warto jednak zbudować w oparciu o dokładne obliczenia.

Straty ciepła a moc kotła
Obliczeniowe straty ciepła domu są równe maksymalnemu zapotrzebowaniu na ciepło potrzebne do utrzymania w domu założonej temperatury – zwykle +20°C. Wystąpi ono w najzimniejsze na danym obszarze dni, kiedy temperatura na zewnątrz wynosi od -16 do -24°C, w zależności od regionu.
Trzeba zdawać sobie sprawę z tego, że tak zimne dni zdarzają się najwyżej kilka razy w roku, a czasem nie notuje się ich nawet przez wiele lat. Tymczasem kocioł musi działać prawidłowo przez cały sezon grzewczy, podczas którego temperatura oscyluje najczęściej wokół zera. Wtedy do ogrzania domu wystarczy moc o połowę mniejsza od obliczonej. Kupowanie większego („mocniejszego”) kotła nie ma więc sensu – nie tylko ze względu na jego wyższą cenę, ale także problemy z jego funkcjonowaniem, gdy zapotrzebowanie na ciepło będzie znacznie odbiegało od obliczeniowego.

Jak pogodzić dużą moc z małym zapotrzebowaniem
Najkorzystniej jest, gdy kocioł przez cały czas pracuje ze stałą, nominalną wydajnością. Jednak zapotrzebowanie na moc wciąż się zmienia. Jak rozwiązać ten problem?

Zawory mieszające. Jednym ze sposobów jest zastosowanie układów hydraulicznych z czterodrogowym zaworem mieszającym bądź nieco tańszym tak zwanym sprzęgłem hydraulicznym. W takich układach temperatura wody dopływającej do grzejników jest regulowana nie przez zmiany mocy kotła, ale przez zmianę położenia zaworu regulacyjnego i wydajności pomp obiegowych. Dzięki temu kocioł pracuje cały czas w optymalnych warunkach. Rozwiązanie to jest bardzo dobre, ale stosunkowo drogie.

Palniki wielostopniowe. W niewielkich i z założenia tanich instalacjach z kotłami gazowymi lub olejowymi problem dostosowania wydajności kotła do aktualnego zapotrzebowania na ciepło rozwiązano za pomocą palników wielostopniowych. Kiedy nie jest potrzebna pełna moc, kocioł wyposażony w taki palnik pracuje z mniejszą mocą (niższy stopień palnika). Rozwinięciem tego pomysłu są palniki z płynną regulacją mocy, tak zwaną modulacją. Są one już powszechnie stosowane w gazowych kotłach wiszących. W kotłach olejowych są rzadko spotykane.
Kocioł z modulowanym palnikiem jest rozwiązaniem tańszym i mniej kłopotliwym dla użytkownika niż układ z zaworem mieszającym. Instalacja nie wymaga żadnych dodatkowych elementów, cała niezbędna armatura jest zamontowana w obudowie kotła.
Regulacja mocy jest możliwa także w nowoczesnych, zautomatyzowanych, wyposażonych w podajniki paliwa (i, niestety, drogich) kotłach na paliwa stałe, przede wszystkim na biomasę.

Aby kocioł pracował w najlepszych dla siebie warunkach, czyli stale ze zbliżoną mocą, stosuje się układy hydrauliczne z czterodrogowym zaworem mieszającym... Autor: VIESSMANN		...podobny efekt, ale za mniejsze pieniądze, można uzyskać, instalując tak zwane sprzęgło hydrauliczne. Autor: Piotr Mastalerz

Modulacja nie jest idealnym rozwiązaniem

Kocioł z palnikiem modulacyjnym pracuje z mocą dostosowaną do bieżącego zapotrzebowania na ciepło. Można by więc pomyśleć, że do jego doboru nie jest konieczne dokładne określenie strat ciepła domu. Przecież znając jedynie ich szacunkową wielkość, można na wszelki wypadek kupić kocioł o większej mocy maksymalnej, który i tak będzie pracował z taką mocą, jaka jest w danej chwili potrzebna. Koszt przygotowania precyzyjnego projektu może się okazać większy niż różnica w cenie między mocniejszym i słabszym kotłem.
Niestety, w praktyce modulacja mocy nie do końca rozwiązuje problem. Zasada działania jest taka, że kocioł po włączeniu zaczyna pracę z maksymalną mocą, po czym jego automatyka zaczyna ją obniżać do optymalnego poziomu. Jeśli w niewielkiej instalacji będzie pracował kocioł o dużej mocy, to gdy na zewnątrz będzie kilka stopni powyżej zera, woda w instalacji ogrzeje się, zanim palnik osiągnie właściwy poziom modulacji. Wtedy kocioł się wyłączy. Woda w instalacji szybko ostygnie i sytuacja się powtórzy. Kocioł będzie pracował oscylacyjnie, tak jakby miał palnik jednostopniowy o zbyt dużej mocy.
Modulacja mocy jest możliwa jedynie w pewnym zakresie, zazwyczaj nie mniejszym niż 30% mocy maksymalnej. Zbyt duża moc maksymalna spowoduje zatem trudności z dostosowaniem wydajności do wyższej temperatury zewnętrznej. Spotyka się również kotły o większym zakresie modulacji, ale są to zwykle zdecydowanie droższe kotły kondensacyjne.

Kocioł olejowy nie do małego domu

Spory kłopot pojawia się, kiedy do małego domu chcemy dobrać kocioł olejowy. Straty ciepła dobrze ocieplonego niewielkiego domu jednorodzinnego są zwykle mniejsze niż 10 kW, natomiast oferowane na rynku kotły olejowe mają zazwyczaj moc przynajmniej dwukrotnie większą. Oscylacyjna praca kotła olejowego, czyli częste włączanie i wyłączanie, jest dla niego jeszcze bardziej niekorzystna niż dla kotła gazowego. Chwilę po uruchomieniu palnika olejowego ze spalin wydziela się dużo sadzy i produktów niezupełnego spalania, które zanieczyszczają komorę kotła. Trzeba ją więc często czyścić, w przeciwnym bowiem razie warstwa sadzy utrudni wymianę ciepła i kocioł będzie zużywał więcej paliwa.

Kotły olejowe mają zwykle moc większą niż potrzebna do ogrzania małego domu. Autor: Piotr Mastalerz

C.o. to dopiero początek
Większości opisanych kłopotów teoretycznie można uniknąć, dobierając kocioł o mocy, która nie przekracza, a nawet jest nieco niższa od obliczeniowych strat ciepła domu. W praktyce jednak kocioł służy zazwyczaj nie tylko do zasilania instalacji c.o., ale także do przygotowywania ciepłej wody użytkowej. W niewielkich, dobrze ocieplonych domach moc kotła niezbędna do szybkiego przygotowania odpowiednio dużej ilości gorącej wody jest zwykle dużo większa od zapotrzebowania na moc do ogrzewania pomieszczeń. Komplikuje to optymalny dobór kotła.

Moc kotła a ciepła woda

Kocioł dwufunkcyjny podgrzewa wodę w sposób przepływowy. Czas kontaktu wody z elementem grzejnym jest bardzo krótki, więc moc kotła musi być duża, aby w tym czasie podgrzał on wystarczająco dużo wody. Najsłabsze kotły dwufunkcyjne mają moc 18 kW, bo jest to minimum umożliwiające komfortową kąpiel w ciepłej wodzie.
Jeśli taki kocioł będzie miał palnik modulowany, będzie mógł pracować z mocą minimalną około 6 kW, a więc zbliżoną do maksymalnych strat ciepła w dobrze ocieplonym domu o powierzchni około 100 m². W praktyce przez większą część sezonu grzewczego zapotrzebowanie na moc do ogrzewania domu będzie wynosiło zapewne około 3 kW. Nie jest to więc sytuacja idealna, ale możliwa do zaakceptowania.
Sposobem na zmniejszenie wymaganej mocy kotła dwufunkcyjnego jest zastosowanie zasobnika ciepłej wody użytkowej. Kocioł może wtedy podgrzewać wodę wolniej, bo po odkręceniu kranu do dyspozycji jest zapas wody zgromadzonej w zasobniku.
Im większa jest jego pojemność, tym dłużej kocioł może uzupełniać zużytą gorącą wodę, co jest równoznaczne z tym, że jego moc może być mniejsza.

Kocioł jednofunkcyjny z zasobnikiem. Pojemność zasobnika, a właściwie pojemnościowego podgrzewacza wyposażonego w wężownicę zasilaną przez kocioł jednofunkcyjny, wynosi zwykle ponad 100 l. Dzięki temu równoczesne korzystanie z ciepłej wody przez kilka osób nie powoduje wyczerpania jej zapasu w ciągu kilku minut, a więc moc kotła współpracującego z podgrzewaczem może być znacznie mniejsza niż kotła dwufunkcyjnego. Jest to rozwiązanie przeznaczone raczej do domów o większej powierzchni, a zatem także większych stratach ciepła. Można zatem uznać, że moc niezbędna do pokrycia strat ciepła w domu jest również wystarczająca do podgrzewania wody w zasobniku. Dobierając moc kotła jednofunkcyjnego, lepiej jednak sprawdzić, ile czasu zajmie podgrzanie wody w zasobniku. Można to zrobić, korzystając ze wzoru:

        t = m · c_w · [(t₂ - t₁) : Q]
      
gdzie:
t – czas podgrzania wody [s],
m – masa wody w zasobniku [kg],
c_w – ciepło właściwe wody 4,2 kJ/(kg · K),
t₂ – temperatura, do jakiej ma być podgrzana woda [°C],
t₁ – temperatura początkowa wody w zasobniku [°C],
Q – moc kotła [kW].

Przykładowo: czas podgrzania zimnej wody o temperaturze 10°C (przyjmuje się, że zimna woda dopływająca do podgrzewacza ma taką temperaturę) do 50°C w 200-litrowym zasobniku przez kocioł o mocy 12 kW wyniesie:
200 · 4,2 · (50 – 10)/12 = 2800 s = 47 min.

To dosyć długo, zwłaszcza że wtedy kocioł całą mocą ogrzewa wodę i nie zasila instalacji c.o. W tym czasie mogłoby dojść do wychłodzenia pomieszczeń. Zauważmy jednak, że sytuacja, w której cała objętość wody ma temperaturę 10°C , może wystąpić tylko po wyłączeniu kotła na co najmniej kilkanaście godzin. W praktyce zimna woda dopływa do zasobnika stopniowo, w miarę zużywania się ciepłej. Z powodzeniem można przyjąć, że przy intensywnym korzystaniu z niej początkowa temperatura wody (ciepłej zmieszanej z zimną) w tak dużym zasobniku wynosi 30°C (na przykład po opróżnieniu zasobnika do połowy, czyli błyskawicznym napełnieniu całej wanny). Wówczas czas podgrzania wynosi 23 minuty i można go uznać za zadowalający. Zazwyczaj zużycie wody w domu jednorodzinnym jest znacznie mniejsze, zatem czas podgrzewania wody będzie jeszcze krótszy.

Bogaci nie mają problemu. Problem zróżnicowanego zapotrzebowania na moc do centralnego ogrzewania i przygotowywania ciepłej wody można też rozwiązać w bardzo prosty sposób: kupując dwa niezależne urządzenia – kocioł c.o. i niezależny podgrzewacz wody. Oczywiście będzie to jednak kosztowne rozwiązanie.

Moc kotła dwufunkcyjnego może być mniejsza, jeśli wybierze się model z wbudowanym niewielkim zasobnikiem ciepłej wody użytkowej. Autor: DE DIETRICH		Problem rozbieżności między zapotrzebowaniem mocy do c.o. i c.w.u. rozwiązuje zainstalowanie kotła jednofunkcyjnego z zasobnikiem. Autor: CICHEWICZ KOTŁY C.O.

Dlaczego nie mocniejszy?

Co się dzieje, kiedy kocioł ma zbyt dużą moc, czyli jest przewymiarowany?

Węglowy. Jego wydajność można regulować jedynie przez zmianę ilości dopływającego powietrza. Pracując z mocą ograniczoną w stosunku do znamionowej, będzie zużywał więcej paliwa, bo energia w nim zawarta nie będzie w pełni wykorzystana. Niespalone substancje będą unoszone do komina, powodując jego szybsze zanieczyszczenie.
Gazowy lub olejowy, zasilający nowoczesną instalację c.o. o niewielkiej pojemności wodnej, po uruchomieniu palnika bardzo szybko podgrzeje wodę do wymaganej temperatury i wyłączy go. Czas pracy palnika będzie krótszy niż w kotle o mniejszej mocy. Może się zdarzyć, że będzie zbyt krótki, aby spaliny w kominie osiągnęły swoją normalną temperaturę. Wtedy wykropli się z nich para wodna, która reagując z innymi produktami spalania, utworzy kwasy niszczące komin, a niekiedy także sam kocioł.
Gdy palnik będzie pracował przez dłuższy czas, spaliny osiągną odpowiednio wysoką temperaturę, dzięki czemu skropliny powstałe w początkowej fazie jego pracy odparują.
Podczas częstego włączania i wyłączania kocioł będzie zużywał więcej paliwa niż podczas pracy ciągłej, bo przy każdym włączeniu część energii będzie zużywana na rozgrzanie elementów kotła i komina. Do tego częste zmiany temperatury negatywnie odbiją się na trwałości jego elementów.

Za duży kocioł węglowy potrzebuje więcej paliwa, a energia cieplna i tak nie zostanie w całości wykorzystana do ogrzewania. Autor: CICHEWICZ KOTŁY C.O.		Przewymiarowany kocioł gazowy lub olejowy będzie się często włączał, co obniży jego sprawność i przyspieszy zużycie jego elementów. Autor: VIESSMANN

Większy komfort – większa moc
Kocioł dwufunkcyjny o mocy 18 kW umożliwia komfortowe korzystanie z ciepłej wody tylko jednej osobie. Odkręcenie w tym czasie drugiej baterii spowoduje wyraźny spadek wydajności ciepłej wody. Duża rodzina nie będzie z takiego kotła zadowolona. Kupno urządzenia o większej mocy, na przykład 28 kW, być może rozwiąże problem braku komfortu, ale z drugiej strony trzeba ocenić, czy minimalna moc takiego kotła nie będzie za duża w stosunku do zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń.

Jak wykorzystać nadmiar mocy kotła?

Kiedy mimo wszystko jesteśmy zmuszeni do zakupu kotła o mocy znacznie większej od obliczeniowego zapotrzebowania na ciepło, możemy zdecydowanie poprawić warunki pracy instalacji, instalując zbiornik akumulacyjny. Rozwiązanie to, znane z instalacji solarnych, jest zalecane przede wszystkim do instalacji zasilanych kotłami na paliwa stałe. Dzięki zasobnikowi (zwanemu akumulatorem ciepła) niezależnie od chwilowego zapotrzebowania na ciepło kocioł może pracować z mocą nominalną, przy której ma największą sprawność. W zasobniku jest magazynowana znaczna ilość wody. W instalacjach z kotłem na paliwo stałe jego pojemność można przyjąć na podstawie wielkości ogrzewanej powierzchni: 10 l na każdy metr kwadratowy. Gdy na dworze jest stosunkowo ciepło, automatyczne zawory regulacyjne ograniczają dopływ gorącej wody do grzejników, kierując ją do wężownicy zasobnika. Duża ilość zgromadzonej w nim wody (dla domu o powierzchni 100 m2 powinno to być 1000 l) przez długi czas odbiera nadwyżkę ciepła z instalacji. Kiedy porcja paliwa się wypali i palenisko kotła wystygnie, w dobrze zaizolowanym zasobniku wciąż będzie do dyspozycji duża ilość ciepła zakumulowanego w wodzie, dzięki czemu ogrzewanie nadal będzie funkcjonowało.
Instalacje z dużą ilością wody mają znaczną bezwładność cieplną, dzięki której także palniki kotłów gazowych i olejowych pracują w korzystniejszych warunkach. Dłuższe są okresy pracy palnika i przerwy między nimi, bo dłużej trwa podgrzanie większej ilości wody, która również dłużej stygnie. Jednak reakcje układu na zmiany temperatury zewnętrznej są wolniejsze, przez co trudniej jest utrzymywać w pomieszczeniach stałą temperaturę.

Zbiornik akumulacyjny może znacznie poprawić warunki pracy instalacji z kotłem o zbyt dużej mocy. Takie rozwiązanie częściej stosuje się w instalacjach z kotłem na paliwo stałe. Autor: Piotr Mastalerz

Kocioł zintegrowany z małym zasobnikiem

Producenci coraz częściej wyposażają kotły w zintegrowane z nimi w jednej obudowie kilkudziesięciolitrowe zasobniki. W takim wypadku moc kotła nie może być znacząco mniejsza niż kotła dwufunkcyjnego, bo podczas kąpieli zużycie wody jest tak duże, że jej zapas wyczerpie się w ciągu dwóch–trzech minut, a po tym czasie woda będzie musiała być podgrzewana przepływowo.