Jak dobrać moc kotła?

Następnie musimy ocenić, jaka moc jest niezbędna do ogrzewania budynku i ewentualnie przygotowania c.w.u., a biorąc pod uwagę wybraną technologię (np. kocioł dwu- czy jednofunkcyjny) zdecydować, w jakim stopniu uwzględnić te potrzeby w ustaleniu ostatecznej mocy urządzenia.

Ogrzewanie budynku
Zadaniem kotła i instalacji centralnego ogrzewania jest dostarczenie do budynku ilości ciepła równej całkowitym stratom energii do otoczenia. Najwyższa wymagana moc na ten cel powinna być równa stratom ciepła w czasie najchłodniejszych dni zimowym. Dzięki temu unikniemy przykrej niespodzianki w mroźny poranek. Dla każdego regionu kraju Polska Norma PN-B-02403:1982 podaje temperaturę zewnętrzną (jest ona nazywana temperaturą obliczeniową), dla której ustala się straty ciepła budynku. Na przykład dla regionu centralnego (III strefa klimatyczna) jest to -20°C.

Jak ustalić straty ciepła budynku?

Nowy dom
W celu ustalenia strat cieplnych nowego budynku wystarczy skorzystać z dokumentacji. W każdym projekcie znajdziemy dziś tę informację. Dodatkowo przed oddaniem do użytku każdy nowy dom musi mieć wykonane świadectwo energetyczne, w którym również znajduje się obliczenie strat cieplnych. Są one podane w [W] lub [kW].

Budynek istniejący
Jeśli montaż kotła odbywa się przy okazji remontu domu, wówczas z reguły nie mamy możliwości skorzystania z odpowiedniej dokumentacji lub nie zawiera ona informacji o stratach cieplnych budynku. Pozostaje nam jedynie skorzystanie z szacunkowej metody wskaźnikowej lub dokładne obliczenie strat ciepła za pomocą programu komputerowego.
Chcąc szybko ocenić potrzeby energetyczne budynku, z reguły korzystamy z metody wskaźnikowej. W metodzie tej na podstawie ogólnych danych o wieku budynku i konstrukcji jego ścian przyjmujemy pewien współczynnik strat ciepła na jednostkę powierzchni lub kubatury budynku [W/m²] lub [W/m³]. Jest to metoda wykorzystywana bardzo często. Nie daje ona zbyt dużej dokładności, ale pozwala szybko dokonać pewnej przybliżonej oceny potrzeb energetycznych budynku.

Przykładowe współczynniki do szacunkowego określenia strat cieplnych budynku.

Jeśli chcemy uzyskać bardziej dokładne wyniki, wówczas możemy zlecić firmie projektowej lub audytorowi energetycznemu obliczenie strat cieplnych za pomocą oprogramowania komputerowego. Dysponując czasem i wiedzą techniczną możemy wykonać to również własnoręcznie. Na rynku dostępna jest bardzo szeroka oferta tego typu oprogramowania. W celu skorzystania z niego musimy ustalić takie informacje, jak: wymiary przegród zewnętrznych (ścian, okien, dachu i podłogi) oraz ich konstrukcję i izolacyjność poszczególnych warstw. Po wprowadzeniu

tych informacji otrzymujemy szczegółowy raport ze wskazaniem wartości strat ciepła w poszczególnych pomieszczeniach oraz izolacyjności poszczególnych przegród zewnętrznych i całkowitych strat cieplnych budynku.

Przygotowanie ciepłej wody użytkowej
Od kotła wymagamy najczęściej, by zapewniał on zarówno ogrzewanie budynku, jak i przygotowanie ciepłej wody. Dobór odpowiedniej mocy na ten cel jest również bardzo ważne. Nikt przecież nie chciałby korzystać z kotła, który co prawda ogrzewa dom, ale jednocześnie nie jest w stanie zapewnić odpowiedniej ilości ciepłej wody. Ustalenie wymaganej mocy kotła na potrzeby ciepłej wody wygląda inaczej w przypadku zastosowania kotła dwufunkcyjnego, a inaczej w przypadku kotła jednofunkcyjnego.

Kocioł dwufunkcyjny
Jest to urządzenie, które ogrzewa wodę przepływowo (na bieżącą) i z reguły nie ma żadnego zasobnika ciepłej wody (zapasu). Wymagana moc zależy od przepływu ciepłej wody, jaki chcemy uzyskać. Musimy więc najpierw ustalić, z jakich punktów poboru chcemy korzystać jednocześnie (i czy w ogóle jest taka potrzeba, by pobór był równoległy). Następnie wybieramy najbardziej niekorzystny wariant (największy wymagany strumień wody i najwyższa temperatura) i dla niego dobieramy moc.

Moc możemy określić z prostego wzoru:

Gdzie:
V – wymagany przepływ ciepłej wody [l/min]
ρ – średnia gęstość wody [kg/m³]
Cp – ciepło właściwe wody [kJ/kgK] (wartość w przybliżeniu stała, równa 4,19 kJ.kgK)
t c.w.u. – wymagana temperatura ciepłej wody [ºC]
t z.w – temperatura zimnej wody [ºC]

Po uproszczeniu (biorąc pod uwagę, że niektóre parametry są w przybliżeniu stałe) możemy sprowadzić ten wzór do krótszej postaci:

Dla szybkiej oceny wymaganej mocy możemy również skorzystać z wykresów lub tabel.

Przykładowy wykres

Które wymaganie uznać za ważniejsze w przypadku kotła dwufunkcyjnego? Zapotrzebowanie na moc do ogrzania budynku czy przygotowania ciepłej wody?
Odpowiedź jest prosta. Należy przyjąć większą z tych dwóch wartości. W przypadku współczesnego budownictwa będzie to z reguły moc niezbędna do ogrzania ciepłej wody. Wynosi ona z reguły około 20-24 kW, co pozwoliłoby ogrzać nowy budynek o powierzchni od 300 do nawet ponad 400 m².
W przypadku bardzo wysokiego obliczeniowego zapotrzebowania na moc do ogrzewania ciepłej wody trzeba się zastanowić, czy rzeczywiście takie są nasze potrzeby, czy nie lepiej czasami zrezygnować z możliwości jednoczesnego korzystania z dwóch łazienek niż stosować kocioł o mocy np. 35 kW w domu o zapotrzebowaniu na moc do ogrzewania na poziomie 10 kW. W takim przypadku lepiej pójść na kompromis i zmniejszyć nieco moc kotła niż stosować model o mocy nieadekwatnej do potrzeb budynku.

Kocioł jednofunkcyjny
W tym przypadku mamy do czynienia z inną sytuacją. Tutaj już nie ogrzewamy wody „na zawołanie” (w momencie je poboru). Wręcz przeciwnie z reguły podgrzewamy ją wcześniej i magazynujemy w zasobniku. Proces przygotowania wody może więc trwać dłużej, co oznacza, że nie jest nam potrzebna aż tak wysoka moc. Wystarczy, by do wartości strat cieplnych budynku dodać pewien zapas, który pozwoli nawet w najchłodniejsze dni wyprodukować taką ilość energii, jaka jest potrzebna do pokrycia strat cieplnych budynku oraz przygotowania niezbędnej ilości wody. Należy więc jedynie przeanalizować, jaką ilość wody w ciągu doby zużywamy i jaką ilość energii na ten cel potrzebujemy. Następnie, biorąc po uwagę rodzaj budynku, ustalamy czy ilość energii do ogrzewania domu i  przygotowania ciepłej wody ma się bilansować w ciągu całej doby, czy w krótszym czasie, np. 8 godzin.

Dla przykładu:
Jeśli zużywamy 300 l ciepłej wody na dobę (o temperaturze 50°C), to jej podgrzanie wymaga dostarczenia około 14  kWh/dobę. Po uwzględnieniu dodatkowych strat ciepła z zasobnika i instalacji, aby zbilansować ilość energii w ciągu np. 8 godzin powinniśmy zwiększyć moc kotła o około 2 kW. Jeśli chcemy zbilansować ilość energii w ciągu doby, wówczas wystarczający jest dodatek o wartości około 0,7 kW.

Jeśli o taką wartość zwiększymy moc kotła w stosunku do strat cieplnych budynku, mamy prawie pewność, że w czasie mrozów kocioł zarówno ogrzeje dom, jak i przygotuje ciepłą wodę.

Niektórzy zwracają jednak uwagę, że z reguły nie mamy do czynienia z sytuacją, gdy przez całą dobę na zewnątrz utrzymuje się bardzo niska temperatura. Najczęściej jest tak, że nocą temperatura spada (na przykład do -20°C), a w ciągu dnia rośnie (na przykład do -10, czy -5°C). Okazuje się więc, że w ciągu doby nawet kocioł dobrany wydawałoby się „na styk” ma pewną nadwyżkę mocy, dlatego niektórzy zalecają, by w przypadku domu jednorodzinnego wręcz nie uwzględniać naddatku na potrzeby c.w.u. lub też uwzględniać go dopiero, gdy stanowi co najmniej 20 % wartości strat ciepła budynku. Na przykład, jeśli straty ciepła budynku wynoszą 10 kW, to zapotrzebowanie na ciepłą wodę uwzględniamy dopiero, gdy wynosi ono co najmniej 3 kW.

Przykładowa tabela pozwalająca oszacować ewentualny naddatek mocy na potrzeby podgrzewania c.w.u. Wartości są bardzo małe, co potwierdza tezę, że pominięcie tego zapasu mocy nie spowoduje problemów z ogrzewaniem domu czy przygotowaniem ciepłej wody.

Praktyka
W praktyce można się spotkać z niedowierzaniem tej metodzie. Często słyszymy argumentację, że nawet, jeśli potrzebujemy tylko 12 kW do ogrzania domu, to i tak ze względu na potrzebę przygotowania ciepłej wody powinniśmy zastosować kocioł o mocy 24 kW, bo mniejszy zbyt długo ogrzewałby zasobnik. Nie jest to z reguły niezbędne. Wystarczy zastosować kocioł małej mocy i odpowiedniej pojemności zasobnik, który jednorazowo zapewni nam wymaganą ilość wody, np. do napełnienia wanny i skorzystania z natrysku w drugiej łazience. Poniższa tabela przedstawia czas ogrzewania wody w zależności od mocy urządzenia i ilości wody w zasobniku.

Jak widać różnice w czasie ogrzewania wody wcale nie są aż tak znaczne, w związku z tym nie ma sensu kierować się tym parametrem, a raczej zastosować kocioł o mniejszej mocy i połączyć go z zasobnikiem zapewniającym nam odpowiedni zapas energii. Wystarczy w tym celu zastanowić się, jakie większe punkty poboru będą użytkowane jednocześnie (np. wanna i natrysk w drugiej łazience). Na tej podstawie możemy ustalić, jaka ilość wody jest nam jednorazowo niezbędna. Korzystając z podanej wyżej tabeli, dla 10 minut natrysku otrzymujemy około 80 l wody, a dla wanny na przykład 120 l. Łącznie jednorazowo potrzebujemy około 200 l wody. Wystarczy teraz sprawdzić w danych technicznych zasobników, jaka pojemność zapewni nam taką ilość wody. Jest to podane jako wydajność w [l/10 minut].

Poniżej podano przykładowe, chwilowe wydajności zasobników.

W tym przypadku zalecane jest więc zastosowanie zasobnika o pojemności 150 lub 200 l.

Uwagi
Podana metoda, oparta na bilansowaniu energii niezbędnej na potrzeby ogrzewania budynku i przygotowania ciepłej wody wydaje się prawidłowa w przypadku utrzymywania w budynku równej temperatury lub w przypadku stosowania okresowych niewielkich obniżeń temperatury. Na przykład obniżenie temperatury w nocy o 1-2°C. Stosując większe obniżenia temperatury 3-5°C, szczególnie w okresie zimowym może się okazać, że poranne podwyższenie temperatury w domu będzie wymagało kilku godzin pracy kotła. Podczas największych mrozów trudno będzie osiągnąć odpowiedni poziom komfortu cieplnego w pomieszczeniu. Wydaję się więc, że z tego powodu powinniśmy dobrać moc kotła z zapasem (tak też sugeruje norma PN-EN 12831). Jednak stosując nowoczesne sterowniki instalacji grzewczej możemy uniknąć podwyższania mocy tylko po to, by szybko podgrzać dom w czasie kilku mroźnych poranków. Współczesne sterowniki pogodowe umożliwiają ustawienie tzw. „temperatury zewnętrznej ciągłego ogrzewania”, poniżej której automatycznie redukowana jest wartość nocnego obniżenia temperatury. Dzięki temu zaraz po obudzeniu możemy odczuć odpowiedni poziom komfortu bez potrzeby stosowania kotła dobranego „z zapasem”. Wbrew naszym przyzwyczajeniom w przypadku kotła jednofunkcyjnego z reguły możemy zastosować kocioł o małej mocy (zbliżonej do strat cieplnych budynku) i odpowiednio duży zasobnik, w którym zmagazynowana będzie ilość ciepłej wody niezbędna do jednorazowego intensywnego zużycia.

Podsumowanie
W celu odpowiedniego dobrania mocy kotła powinniśmy:

1. Ustalić moc niezbędną do ogrzewania budynku
2. Ustalić moc (kocioł dwufunkcyjny) lub naddatek mocy (kocioł jednofunkcyjny) niezbędny do ogrzewania ciepłej wody. W przypadku kotła dwufunkcyjnego jako moc do doboru kotła wybrać moc większą z obliczonych strat ciepła i mocy niezbędnej do ogrzania budynku. W przypadku kotła jednofunkcyjnego ewentualnie zwiększyć moc kotła w porównaniu do strat ciepła budynku o naddatek na potrzeby ogrzewania c.w.u.

Etapy doboru kotła