凝縮ボイラー

凝縮ボイラーは、ガスまたは石油を燃料とする暖房システムに一般的に使用される温水器です。適切な状況で運転すると、暖房システムは、排気ガスに含まれる水蒸気を熱交換器で凝縮して循環水を予熱することにより、高い効率（高位発熱量で 90% 以上）を達成できます。これにより、本来は無駄になるはずだった蒸発潜熱が回収されます。凝縮水は排水口に送られます。多くの国では、凝縮ボイラーの使用は義務付けられているか、または財政的インセンティブによって奨励されています。

凝縮プロセスが適切に機能するには、循環水の戻り温度が約 55 °C (131 °F) 以下でなければならないため、凝縮ボイラーは、通常、約 70 °C (158 °F) 以下の低温で稼働します。このため、非凝縮ボイラーよりも大きなパイプとラジエーターが必要になる場合があります。ただし、部分的な凝縮でも、従来の非凝縮ボイラーよりも効率的です。

従来のボイラーでは、燃料が燃焼され、生成された高温ガスが熱交換器を通過し、そこで熱の多くが水に伝達され、水の温度が上昇します。

燃焼プロセスで生成される高温ガスの 1 つに水蒸気 (蒸気) があります。これは燃料の水素含有量を燃焼することで発生します。凝縮ボイラーは、この水蒸気を液体の水に凝縮して、蒸発潜熱を回収することで、廃ガスから追加の熱を抽出します。通常、効率は 10 ～ 12% 向上します。^[要出典]凝縮プロセスの有効性はボイラーに戻る水の温度によって異なりますが、少なくとも非凝縮ボイラーと同等の効率が常に得られます。

生成される凝縮水はわずかに酸性（pH 3～5）であるため、液体が存在する場所では適切な材料を使用する必要があります。高温ではアルミニウム合金とステンレス鋼が最も一般的に使用されます。低温の場所で、最もコスト効率が高いのはプラスチックです（例：uPVCおよびポリプロピレン）。^[1]凝縮水を生成するには、熱交換器の凝縮水排水システムも設置する必要があります。一般的な設置では、これが凝縮ボイラーと非凝縮ボイラーの唯一の違いです。

凝縮ボイラーの熱交換器を経済的に製造するには（また、機器を設置時に扱いやすくするために）、出力に対して実用的な最小サイズが望ましいです。このアプローチの結果、燃焼側の抵抗が高い熱交換器が生まれ、狭い通路を通って製品を移動させるために燃焼ファンの使用が必要になることがよくあります。排出される燃焼ガスは通常 100 °C (212 °F) 未満で、密度が空気に近く、浮力がほとんどないため、煙道システムにエネルギーを供給するという利点もあります。燃焼ファンは、排気ガスを外部に送り出すのに役立ちます。

凝縮ボイラーは、現在、ヨーロッパの家庭用セントラルヒーティングシステムの動力源として、従来の設計に取って代わってきており、北米でも、それほどではないが採用されている。オランダは、凝縮ボイラーを広く採用した最初の国である。^[2]

凝縮ボイラー製造業者は、従来の設計（燃料の高発熱量に基づく）の70%～80%と比較して、最大98%の熱効率が達成できると主張しています^[3]。一般的なモデルは約90%の効率を提供し、これによりほとんどのブランドの凝縮ガスボイラーはエネルギー効率の最高のカテゴリに入ります。^[要出典]英国では、これはSEDBUK（英国家庭用ボイラーの季節効率）^[4]バンドA効率評価であり、北米では通常、エコロゴやエネルギースター認証を受けています。

ボイラーの性能は熱伝達の効率に基づいており、ボイラーのサイズ/出力とエミッターのサイズ/出力に大きく依存します。システムの設計と設置は非常に重要です。ボイラーの Btu/Hr 出力に放射を一致させ、エミッター/ラジエーターの設計温度を考慮することで、空間および家庭用給湯システムの全体的な効率が決まります。

効率低下の理由の 1 つは、暖房システムの設計や実装によって、ボイラーの戻り水 (熱伝達流体) の温度が 55 °C (131 °F) を超え、熱交換器での著しい凝縮が妨げられるためです。^[5]設置者と所有者の両方の教育を改善すれば、報告された実験室値に向かって効率を上げることが期待できます。カナダ天然資源省^[6]は、空間暖房システムと水暖房システムを組み合わせるなど、これらのボイラーをより有効に活用する方法も提案しています。一部のボイラー (例: Potterton) は、63 °C (145 °F) と 84 °C (183 °F) などの 2 つの流量温度を切り替えることができますが、前者のみが「完全凝縮」です。ただし、家庭用温水シリンダーは一般に 60 °C (140 °F) に加熱されるため、ボイラーは通常、デフォルトでより高い流量温度で設置されます。流量温度が 3 度高いだけで、これを達成するには時間がかかりすぎます。それでも、部分的な凝縮でも従来のボイラーより効率的です。

非凝縮ボイラーのほとんどは、簡単な制御変更で強制的に凝縮させることができます。そうすることで燃料消費量が大幅に削減されますが、従来の高温ボイラーの軟鋼または鋳鉄部品は、凝縮水の腐食性によりすぐに破損してしまいます。このため、ほとんどの凝縮ボイラーの熱交換器はステンレス鋼またはアルミニウム/シリコン合金で作られています。外部ステンレス鋼製エコノマイザを非凝縮ボイラーに後付けすることで、凝縮効率を高めることができます。温度制御バルブを使用して、ボイラー内部の熱衝撃や凝縮を防ぐために、給湯と戻り水を混合します。

ボイラーへの戻り温度が低いほど、凝縮モードになる可能性が高くなります。戻り温度が約 55 °C (131 °F) 未満に保たれている場合、ボイラーは凝縮モードのままになるはずなので、輻射床や古い鋳鉄製ラジエーターなどの低温用途でもこの技術は最適です。

家庭用の新しい凝縮ボイラーのメーカーのほとんどは、基本的な「すべてに適合する」制御システムを製造しており、その結果、ボイラーは最初の加熱時にのみ凝縮モードで稼働し、その後は効率が低下します。このアプローチは、古いモデルよりも優れているはずです (Building Research Establishment が発行した次の 3 つの文書を参照してください: 情報ペーパー 10-88 および 19-94、一般情報リーフレット 74、ダイジェスト 339。また、Chartered Institution of Building Services Engineersのアプリケーション マニュアル AM3 1989: 凝縮ボイラーも参照してください)。対照的に、天候補正システムは、内部、外部、ボイラー入口、およびボイラー出口の温度に基づいてシステムを調整するように設計されています。

ヒートポンプは、凝縮ボイラーよりも通常3倍効率的です（実際のエネルギー入力に基づく）。^[7]

家庭用凝縮ボイラーの制御は、最も経済的かつ燃料効率の高い方法で動作させるために重要です。バーナーは通常、負荷に合わせてバーナーの出力を制御し、最高のパフォーマンスを発揮するためのロジックが組み込まれた 組み込みシステムによって制御されます。

ほとんどすべてのボイラーには調節バーナーが装備されています。これにより、需要に合わせて電力を減らすことができます。ボイラーにはターンダウン比があり、これは燃焼を維持できる最大電力出力と最小電力出力の比率です。制御システムが需要が最小電力出力を下回ったと判断すると、ボイラーは水温が下がるまでサイクルを停止し、その後再点火して水を加熱します。

凝縮ボイラーは信頼性が低いという評判があり、操作を理解していない設置者や配管工が作業した場合にも問題が発生する可能性があると言われています。 ^[8]信頼性が低いという主張は、英国に拠点を置く建築研究機関（Building Research Establishmentを参照）が実施した調査によって否定されています。

特に、凝縮ボイラーの初期設置では「煙」の問題が生じ、凝縮した蒸気の白い煙（極小の液滴）が排気口で見えるようになります。ボイラーの動作には重要ではありませんが、目に見える煙は美観上の問題であり、凝縮ボイラーに対する大きな反対を引き起こしました。

さらに重大な問題は、凝縮液のわずかな酸性（pH 3～4）です。これがボイラーの熱交換器と直接接触する場合、特に薄いアルミニウム板の場合、従来の非凝縮ボイラーよりも急速に腐食する可能性があります。古いボイラーでは、シートではなく厚い鋳造熱交換器を使用していた可能性もあります。これは、応答の時定数が遅いものの、その質量自体が腐食に強いためです。凝縮液の酸性は、限られた材料しか使用できないことを意味します。ステンレス鋼とアルミニウムは適していますが、軟鋼、銅、鋳鉄は適していません。^[9]設計や建設基準が不十分だったため、初期の凝縮ボイラーの熱交換器の寿命が短くなった可能性があります。

アルミニウムまたはステンレス鋼の熱交換器を備えた凝縮ボイラーの熱伝達流体の初期テストと年次モニタリングを強くお勧めします。腐食防止剤と緩衝剤を含む弱アルカリ性(pH 8 ～ 9) の液体を維持すると、アルミニウム熱交換器の腐食が軽減されます。専門家の中には、熱交換器の燃焼側で生成される凝縮液がアルミニウム熱交換器を腐食させ、ボイラーの寿命を縮める可能性があると考える人もいます。アルミニウム熱交換器を備えた凝縮ボイラーはまだ十分に使用されていないため、統計的証拠はまだ入手できません。 ^{[引用が必要]}

英国の建築業界における主要な研究機関である Building Research Establishment は、家庭用凝縮ボイラーに関するパンフレットを作成しました。Building Research Establishment による と、

• 現代の凝縮ボイラーは標準的なボイラーと同じくらい信頼性が高い
• 凝縮ボイラーのメンテナンスは難しくなく、メンテナンスの頻度もそれほど高くありません。
• メンテナンスは高価ではありません。唯一の（小さな）追加作業は、凝縮水排水口が正しく機能しているかどうかを確認することです。
• 凝縮ボイラーの設置は難しくない
• あらゆる運転条件下で、凝縮ボイラーは常に標準ボイラーよりも効率的である^[10]

凝縮ボイラーから排出される凝縮水は酸性で、pH は3 ～ 4 です。凝縮ボイラーには、運転中に生成される凝縮水を排出するための排水管が必要です。これは、排気ガスが建物内に排出されるのを防ぐための蒸気トラップを備えた短いポリマー管で構成されています。凝縮水の酸性の性質は、鋳鉄製の配管、排水管、コンクリートの床を腐食させる可能性がありますが、居住者に健康上のリスクをもたらすことはありません。通常、大理石または石灰岩の骨材または「チップ」（アルカリ性）を詰めたプラスチック容器で構成される中和装置を設置して、pH を許容レベルまで上げることができます。重力排水が利用できない場合は、適切な排水口まで持ち上げるための小型の凝縮水ポンプも設置する必要があります。

一次および二次熱交換器は、この酸性に耐える材料、通常はアルミニウムまたはステンレス鋼で作られています。凝縮ボイラーからの最終排気は、常圧ボイラーからの排気よりも温度が低いため (38 °C (100 °F) 対 204 °C (400 °F))、排気には常に機械式ファンが必要です。また、断熱材や従来の煙突を必要とせずに低温排気パイプ (家庭用では通常PVC ) を使用できるという追加の利点もあります。実際、従来の石造煙突や金属製の煙道の使用は、煙道製品の腐食性のために明確に禁止されていますが、特定のモデルの特別定格のステンレス鋼とアルミニウムは例外です。北米で入手できるほとんどの凝縮ボイラーの推奨/一般的な通気口材料は PVC で、次に ABS と CPVC が続きます。ポリマー通気口を使用すると、側壁通気口など、設置場所の柔軟性が高まり、屋根を不必要に貫通するのを防ぐことができます。

凝縮ボイラーは、英国および米国では、従来型ボイラーよりも購入および設置に最大 50% 高価です。ただし、2006 年現在^{[アップデート]}、英国の価格では、従来型ボイラーの代わりに凝縮ボイラーを設置する追加コストは、燃料使用量の削減により約 2 ～ 5 年で回収できるはずです (検証については、Building Research Establishment が発行した次の 3 つの文書を参照してください: Information Papers 10-88 および 19-94、General Information Leaflet 74、Digest 339。また、Chartered Institution of Building Services Engineers の Application Manual AM3 1989: Condensing Boilers のケース スタディも参照)。米国の価格では、2 ～ 5 年^[要出典]で回収できます。正確な数字は、元のボイラー設置の効率、ボイラーの使用パターン、新しいボイラー設置に関連するコスト、およびシステムの使用頻度によって異なります。政府による大量導入が効果を上げ、メーカーが効率の悪い旧型モデルを撤退するにつれて、これらのボイラーのコストは下がっていますが、凝縮ボイラーはより複雑なため、生産コストは旧型よりも高くなっています。

凝縮ボイラーの複雑さの増大は次のとおりです。

• 熱交換器のサイズを大きくするか、2 つ目の熱交換器を追加する (熱交換器は「湿った」排気ガスからの酸攻撃に耐えられるように設計することが重要です)
• ファン付き煙道の必要性（低温の煙道ガスは浮力が少ないため）。多くの非凝縮ボイラーにもこの機能は備わっているが、
• 冷却された排気ガスは凝縮水を生成するので、これを排出する必要がある。そのため、ボイラーは排水管または排水口に配管されている。

現代のボイラーに関しては、凝縮ボイラーと非凝縮ボイラーの間に他の違いはありません。

信頼性は、初期費用や効率と同様に、総所有コストに影響します。ある英国の大手独立配管業者は、2005 年に、凝縮ボイラーの修理のために何千回も出動したが、その車両からの温室効果ガス排出量は、環境に配慮したボイラーへの移行によって節約された量よりも多かった可能性があると述べました。^[8]しかし、同じ記事では、暖房および温水情報評議会が一部の設置業者と協力して、現代の凝縮ボイラーは標準ボイラーと同じくらい信頼できることを発見したと指摘しています。

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  凝縮ボイラー
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  凝縮ボイラー排気蒸気
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  凝縮水付きステンレス製排気装置

• 英国の住宅におけるエネルギー効率
• 排気ガス凝縮
• オープンサーム

• 凝縮水を排水せずに除去する欧州特許庁特許。
• 凝縮ボイラーのページ 2008年1月25日、英国国立エネルギー財団のウェブサイトのWayback Machineにアーカイブされました
• カナダ天然資源省のウェブサイトに掲載されている北米で利用可能なさまざまなボイラーシステムの比較
• 凝縮ボイラーの分解図（Malvern Boilers 30）（pdf ファイル - 71KB）
• 住宅用凝縮ガスボイラーの設計について