Ugrás a tartalomhoz

Épületenergetika

Baumann Mihály (2012)

EDUTUS Főiskola

Kazánok hatásfokai

Kazánok hatásfokai

A kazánok minősítésénél meg kell különböztetnünk a tüzeléstechnikai hatásfokot, a kazánhatásfokot és az éves hatásfokot.

Tüzeléstechnikai hatásfok

Az hK tüzeléstechnikai hatásfok a berendezés égőjének üzeme közben értelmezett hatásfok, amit az égéstermék jellemzőinek mérésével állapítanak meg. Ez a hatásfok nem tartalmazza azokat a veszteségeket, amelyek a távozó égésterméktől függetlenül fellépnek, tehát ebben nem szerepel a kazán sugárzási vesztesége, szilárd tüzelésű kazán esetén a salak és rostélyveszteség, nincsenek az égő üzemszünetek közbeni veszteségek figyelembe véve.

Az égéstermék veszteség meghatározásához három paraméter mérése szükséges:

  • Az égéstermék oxigéntartalma (esetleg CO2-tartalma)

  • Az égéstermék hőmérséklete közvetlen a kazánból való kilépésnél

  • A környezeti hőmérséklet, ami a legtöbb esetben megegyezik az égési levegő hőmérsékletével

Az égéstermék oxigéntartalma arra ad információt, hogy mekkora a légfelesleg, a hőmérsékletek pedig a veszteség meghatározásához kellenek.

A veszteségek számítására szolgáló összefüggés:

ahol:

Pch az égéstermék veszteség, %

O2,fl,dry a száraz égéstermék oxigén tartalma, %

tf az égéstermék hőmérséklete, °C

tl az égési levegő hőmérséklete, °C

A és B tüzelőanyagtól függő konstansok, értékeik:

4.2.1.1. ábra

A veszteség felhasználásával a tüzeléstechnikai hatásfok az alábbi módon határozható meg:

A teljességhez hozzátartozik, hogy erre a számításra általában nincs szükségünk, mert a ma használatos korszerű, elektronikus füstgázelemző készülékek már a végeredményt írják ki a mérések során.

Kazánhatásfok

Az ηN kazánhatásfok a kazánból felhasznált fűtési energia és a tüzelőanyag eltüzelésénél felhasznált energia hányadosa.

Az ηN kazánhatásfok mind az égő üzeme közbeni, mind az üzemszünetben fellépő veszteségeket figyelembe veszi. Az ηN kazánhatásfokot különböző kazánterheléseknél, különböző vízhőmérsékleteknél lehet értelmezni.

A kazán hasznosított teljesítménye azért kisebb, mert a kazánnak különböző veszteségei vannak.

Az összefüggésben a füstgáz- vagy kéményveszteség. Ez azért jelentkezik, mert az égéstermék a bevezetett tüzelőanyag és égési levegő hőmérsékleténél magasabb hőmérsékleten távozik. A korszerű kazánoknak ez a legjelentősebb vesztesége, számítani az alábbi módon lehet:

ahol:

az égéstermék veszteség, W

a keletkezett égéstermék tömegárama, kg/s

az égéstermék fajhője, J/kgK

tf az égéstermék hőmérséklete, °C

tl az égési levegő hőmérséklete, °C

cf az elégetlen gázok okozta veszteség. Ez a veszteség az olaj- és gáztüzelésű berendezések esetén elhanyagolható értékű (jelenléte az égő rossz beállítására utal), szilárd tüzelés esetén azonban jelentős tétel lehet. A leggyakrabban a tökéletlen égés következtében visszamaradó CO vagy H2 okoz ilyen veszteséget. Az égéstermékben jelen levő CO vagy H2 térfogatszázalékonként kb. 4-5 % veszteséget okoz.

a korom- és pernyeveszteség. Az elégetlen C nem hasznosított hőtartalma miatt jelentkezik. Értéke szilárd tüzelőanyagoknál 1-3 %, olaj- és gáztüzelésnél elhanyagolható.

a sugárzási veszteség. Mivel a kazántest melegebb a környezeténél, ezért konvekcióval és sugárzással energiát ad le. Ez a veszteség szigeteletlen kazánoknál jelentős lehet, a kazán szigetelésével azonban töredékére csökkenthető. Szigeteletlen készülékeknél elérheti akár a 10%-ot is, jól szigetelt, nagyteljesítményű berendezéseknél néhány tized százalék.

a rostély és salak veszteség. Ez természetesen csupán a szilárdtüzelésű berendezésekre jellemző veszteség. A két veszteség összesen 5-10 % értéket érhet el.

A katalógus adatok esetén a kazán tüzeléstechnikai hatásfokát megkapjuk akkor is, ha a kazán hőteljesítményét a hőterhelésével osztjuk.

A kazánnak nem kell teljes fűtési időszakban teljes terheléssel üzemelnie. A kazánterhelés és a használati idő közti kapcsolatot jól szemlélteti a 4.2.2.1. ábra:

4.2.2.1. ábra

Általánosságban kijelenthető, hogy a csak fűtésre szolgáló berendezések esetén a fűtési idény több mint 80 %-ában a méretezési teljesítmény felénél kisebb teljesítményre van szükség. A teljes terheléssel való üzemelés csak nagyon rövid időszakra jellemző.

A kazán részterhelésen való üzemeltetése gyakran az égő ki-bekapcsolásával érhető el. Amikor az égő ki van kapcsolva, akkor nincs energia bevitel, de a kazánban levő meleg a fűtővíz miatt változatlanul vesztesége van a környezete felé. Ezt a veszteséget készenléti veszteségnek nevezzük. A készenléti veszteség kétféleképpen, sugárzási veszteségként és kéményveszteségként jelentkezik. A kéményveszteség nagymértékben csökkenthető, ha égéstermék csappantyú van a készülék után beépítve. A ventilátorral működő készülékeknél a ventilátor kikapcsolásával a berendezésen átáramló levegő mennyisége jelentősen csökken. Ha figyelembe vesszük azt is, hogy a készüléken átáramló és a kéményen keresztül távozó levegő utánpótlása a külső térből történik, akkor belátható, hogy ez a tétel egyes készülékeknél nagyon jelentős lehet. A teljes fűtési idényre vetített veszteség atmoszférikus égővel felszerelt készülékeknél elérheti a teljes energiafelhasználás 10 %-át is.

A részterhelésen értelmezett kazánhatásfok és a teljes terhelésen mért kazánhatásfok közt az alábbi kapcsolat van:

ahol:

ηN a kazánhatásfok, -

ηN,100 a kazán hatásfoka teljes terhelésen, -

τ1 az égő üzemidejének hossza egy kapcsolási intervallumban, h

τ2 a készenléti időszak hossza egy kapcsolási intervallumban, h

a kazán fajlagos készenléti vesztesége a teljesítményre vetítve, -

A kazán hatásfoka és készenléti vesztesége is függ attól, hogy mekkora a kazánvíz hőmérséklete. A 4.2.2.2. és 4.2.2.3. ábra a BUDERUS G434 kazánsorozathoz megadott gyári adatokat mutatja be.

4.2.2.2. ábra Forrás: Buderus termékkatalógus

Az ábrán látható, hogy a kazánvíz hőmérsékletének csökkenésével az égéstermék jobban lehűl, ezért a kazán hatásfoka növekszik. Az 1. fokozatban kisebb az égéstermék mennyisége, ezért alacsonyabb hőmérsékletre hűl le, de mivel a kazán felülete, és így a sugárzási vesztesége változatlan, ez összességében a hatásfok romlását eredményezi.

4.2.2.3. ábra Forrás: Buderus termékkatalógus

Az égéstermék hőmérséklete a vízhőmérséklet csökkenésével csökken. A készenléti veszteség a közepes kazánvíz-hőmérséklet és a környezeti hőmérséklet különbségével arányos, azért a vízhőmérséklet csökkenésével ez is csökken. Látható az is, hogy égéstermék csappantyú használatával a kikapcsolt égőjű kazánon átáramló levegő mennyisége csökkenthető, ami a készenléti veszteség jelentős csökkenését vonja magával.

A kazánhatásfok minimumára és a kazánok besorolására nemzetközi és hazai rendeletek születtek. A kazánhatások minimumára vonatkozó előírásokat az alábbi táblázat tartalmazza:

4.2.2.4. ábra

A különböző kazántípusoknál a kazánterhelés függvényében eltérően változik a kazánhatásfok. A 4.2.2.5. ábra egy állandó hőmérsékletű kazánt mutat be. A terhelés csökkenésével egyre nagyobb időarányban van az égő kikapcsolva, a kazánnak az állandóan magas vízhőmérséklet miatt jelentős a készenléti vesztesége. Az égéstermék veszteség csökken, mert kevesebb a kazán bekapcsolási ideje. Láthatóan alacsony terheléseknél ennek a kazántípusnak jelentősen csökken a kazánhatásfoka. A terhelés eloszlás függvényből láttuk, hogy az idő jelentős részében alacsony terheléssel kell a kazánnak üzemelnie, ezért a teljes fűtési idényre vetítve ennek a kazánnak lesz a legrosszabb az éves hatásfoka.

4.2.2.5. ábra Forrás: Viessmann Fűtéstechnika Kft.

A 4.2.2.6. ábra egy alacsonyhőmérsékletű kazánt mutat be. Mivel a külső hőmérséklet emelkedésével nem csak terhelés csökken, hanem ennél a kazántípusnál a kazánvíz hőmérséklete is csökkenthető, ezért egy széles tartományban a veszteségek is jelentősen csökkennek, a kazánhatásfok részterhelésnél akár jobb is lehet, mint teljes terhelésnél.

Természetesen 0 kazánterhelésnél ennek a kazánfajtának is 0 lesz a hatásfoka, mert a 0 terhelés azt jelenti, hogy a kazán ugyan be van kapcsolva, de egyáltalán nem használunk belőle fel energiát.

4.2.2.6. ábra Forrás: Viessmann Fűtéstechnika Kft.

A 4.2.2.7.. ábra a kondenzációs kazán kazánhatásfokának változását az előzőekben ismertetett két kazántípussal közös diagramon ábrázolja. Ennél a kazántípusnál is csökkenteni lehet a terhelés csökkenésével a fűtővíz hőmérsékletet, ami itt nem csak a készenléti veszteség csökkenését eredményezi, hanem a kondenzáció mértékét is növeli. A kazánhatásfok ezért ennél a kazánnál javul a legjobban részterhelésnél. Akár 100 % fölé is emelkedhet, mert a hatásfokot a tüzelőanyag alsó fűtőértékére vonatkoztatjuk.

4.2.2.7. ábra Forrás: Viessmann Fűtéstechnika Kft.

Az éves hatásfok szempontjából az alacsony terhelések melletti üzem játssza a legfontosabb szerepet. A 4.2.2.8. ábra kinagyítva mutatja be a diagramnak ezt részletét, hogy még nagyobb hangsúlyt kapjon az egyes kazánok közti markáns különbség.

4.2.2.8. ábra Forrás: Viessmann Fűtéstechnika Kft.

A kazán éves hatásfoka

A kazánok tényleges energiafelhasználását legjobban az ηa éves hatásfok jellemzi. Ez a teljes fűtési idényben hasznosított és a kazánba ténylegesen bevezetett energia hányadosa.

A teljes terhelésen mért kazánhatásfok és az éves hatásfok közt az alábbi összefüggés teremti meg a kapcsolatot:

ahol:

ηα a kazán éves hatásfoka, -

ηN,100 a kazán hatásfoka teljes terhelésen, -

ZF a fűtési idény hossza, h

ZVH a kazánégő teljes terheléssel való működésének időtartama, h

a kazán fajlagos készenléti vesztesége a teljesítményre vetítve, -

fs az elpiszkolódási tényező a kazán két karbantartási periódusa között, -

A ZVH égő üzemidő egyes kazánoknál esetleg a beépített üzemóra számlálóról leolvasható, vagy ha a kazán fogyasztása külön mért, akkor abból számítható.

Új kazán esetén a különböző terheléseknél mérhető kazánhatásfokokat is fel lehet használni arra, hogy a kazán éves hatásfokát megállapítsuk. A DIN 4702 értelmében a fűtési időszakot 5 részre kell bontani olyan módon, hogy az egy részidőszakok során felhasznált energia egyenlő legyen. Ezeknél a jellemző terheléseknél kell a kazánhatásfokot megállapítani, és azokból az éves hatásfok az alábbi módon számítható:

ahol:

ηα a kazán éves hatásfoka, -

ηφ,i a kazánhatásfok adott terhelésen, -

A német előírások 12.8, 30.3, 38.8, 47.6 és 62.6% terhelések melletti kazánhatásfok mérését írják elő. A 4.2.3.1. ábrán szereplő diagram mutatja be a hőfokgyakoriság, a külső hőmérséklet, a fűtési napok és a kazánterhelés kapcsolatát. Vegyük észre, hogy a 4.2.2.1. ábra tulajdonképpen ugyanezt ábrázolta, csak az adatok kissé másként voltak feldolgozva.

4.2.3.1. ábra

A fogyasztás szempontjából az éves hatásfok a meghatározó kazánjellemző. Az energiaárak napjainkra annyira megemelkedtek, hogy új kazán beépítése esetén egyértelműen a kondenzációs kazán mellett kell dönteni. Ma már a meglévő állandó hőmérsékletű kazánok cseréje (és egyre inkább az alacsonyhőmérsékletűeké is) korszerű kondenzációs kazánra ugyancsak megfontolandó gazdasági döntés.

Ez a tény a gázkazánok piacán azt jelenti, hogy a kondenzációs kazánok kezdik kiszorítani a másik két kazánfajtát. Olajtüzelésnél kisebb a kondenzációval megtakarítható energia (~3…4 %), ezért továbbra is van légjogosultsága az alacsonyhőmérsékletű kazánoknak.

A tüzelőanyag áraknak köszönhetően a szilárdtüzelésen belül ma a fatüzelés a leggyakoribb. Fatüzelésű kazántípusnál változatlanul az állandó hőmérsékletű kazánok vannak jelen a piacon. Ezeknél a készülékeknél tehát fontos, hogy azokat magas hőmérsékleten üzemeltessük. Mivel ez gyakran nem egyeztethető össze az épület fűtési rendszereinek igényeivel, azért mindenképpen puffertároló alkalmazása javasolt.