Společné komíny: Parametry spalin a spotřebičů – 1. část

V prvním článku se autor zabývá popisem a vysvětlením historického vývoje navrhování komínů. Popsány jsou rozdíly mezi tuhými a plynnými palivy a mezi požadovanými vlastnostmi komínů. Pozornost je věnována vlhkosti. Zobrazeny jsou tlakové poměry při odvodu spalin.

Recenzent: Michal Kabrhel

Plynové kotle etážového vytápění umožňují využívat společné komíny. První část příspěvku pojednává o významných rozdílech mezi odvodem spalin od plynových spotřebičů a tradičním odvodem spalin od spotřebičů na pevná paliva, u nichž společné komíny nelze použít.

1. Úvod

Rozvoj plynového vytápění spadá do konce 50. a u nás následně začátku 60. let.

Tradiční vytápění lokálními zdroji tepla, např. topidly na pevná paliva, se od druhé poloviny minulého století postupně nahrazuje vytápěním plynovým. V bytových domech se uplatňuje tendence používat etážové (bytové) kotle na plyn s napojením spalin na stávající komíny.

Odlišnost spalování plynu od spalování pevných paliv vytváří zcela jinou koncepci používání etážových zdrojů tepla.

Úvodní kapitola se této problematice věnuje proto, že vnímání této změny ve spalování vyvolává následně vliv změny v tepelně vlhkostních podmínkách komínového průduchu a kouřovodu.

Legislativní podklady se v průběhu let postupně přizpůsobují podle zkušeností, které byly mnohdy získány od závad způsobených nedostatečným pochopením základních principů odvodů spalin od plynových spotřebičů.

V následující kapitole jsou uváděny nejzákladnější odlišnosti mezi spalováním pevných a plynných paliv. Uvedené zásady jsou pouze principiální, neplatí univerzálně, zejména pak neplatí u pozdějšího vývoje konstrukce spotřebičů a odvodů spalin.

2. Empirické a technické zásady návrhu komína

Při používání pevných paliv, např. koks, uhlí apod., byly zásady návrhu komína – trasa, materiál, vedení, vyústění, bezpečnost provozu atd. vesměs řízeny empirickými zásadami. Empirický návrh komína nepožadoval navrhování opřené o tepelně technické, vlhkostní a hydraulické principy řešení, neboť byl ověřen mnohaletými zkušenostmi stavební praxe.

Při využívání plynu v kotlích pro vytápění bylo nutné tato empirická pravidla pro spalování upravit a založit na nových teoretických zásadách, přičemž se většinou využívalo teorie ze vzduchotechniky. Užívání plynu na vytápění a přípravu TV postupně zcela proměňovalo technickou legislativu.

3. Společné a samostatné komíny

Pojem společného komína se začíná uplatňovat až v momentě, kdy je využíváno vytápění plynové. U bytů je tendence volit si bytový zdroj s nezávislým bytovým vytápěcím rozvodem.

Tendence bytového vytápění z „čistého“, ekologického zdroje byla v celospolečenském zájmu při provádění modernizace, zejména bytových domů.

Z hlediska odvodu spalin můžeme komíny třídit na:

• samostatné, kterými jsou odváděny spaliny od jednoho nebo více spotřebičů z jednoho podlaží;
• společné, kterými jsou odváděny do jediného komínového průduchu spaliny od spotřebičů z více podlaží.

Společné komíny jsou použitelné výhradně k odvodu spalin od plynových spotřebičů. Na jediný komínový průduch může být u společných komínů připojeno více spotřebičů nad sebou z různých podlaží. Bylo to umožněno tím, že jsou průduchy odváděny spaliny bez požadavků na tlakové podmínky ve spotřebiči i na přívodu vzduchu.

Průduch, kterým jsou převážně vodorovně odváděny spaliny od více spotřebičů z jednoho podlaží, se nazývá společný kouřovod. Společný komín z jednoho podlaží, jak se nesprávně někde uvádělo, je terminologický nesmysl.

Systém společných komínů se začíná uplatňovat v době, kdy jsou téměř výhradně používány komíny s přirozeným tahem od spotřebičů v provedení B – s přívodem vzduchu z místnosti.

Uzavřené spotřebiče v provedení C pro společné komíny se vzduchospalinovým průduchem, tedy se spalovacím vzduchem, znečištěným spalinami, typu SE a U duct, byly vlastně prvními společnými komíny. U nás byly zkoušeny ve VÚPS. Znečištění vzduchu spalinami bylo limitováno min. hodnotou 17 % O₂ ve směsi vzduch – spaliny. Tento systém představoval pouze krátké období, kdy byl využíván svítiplyn. Přechodem soustav na zemní plyn byl tento systém prakticky nevyužitelný.

4. Plynové spotřebiče a komíny s přirozeným tahem

V době počátku používání plynových kotlů byl prakticky používán jediný komínový systém – komín s přirozeným tahem. Komíny s přirozeným tahem jsou tradiční historické komíny, kterými jsou odváděny spaliny od spotřebičů působením teplotního rozdílu mezi spalinami a venkovním vzduchem, při zajištění dostatečné výšky svislé části komínového průduchu od sopouchu, resp. spalinového hrdla spotřebiče, po ústí komína. Tradičně jsou využívány pro spalování ve spotřebičích na pevná paliva.

U spotřebičů na spalování pevných paliv – podtlakových spotřebičů byl a stále zůstává požadavek zajistit komínovým tahem i přívod vzduchu pro spalování ve spotřebičích.

Podle tlakových podmínek při spalování se přibližně rozdělují spotřebiče na:

• podtlakové (obr. 1a) s podtlakem (tahem) (–p) při spalování ve spalovací komoře;
• přetlakové (obr. 1b) jako pozdější varianta, s přetlakem při spalování (+p). V současné době jsou používané např. pro kondenzační spotřebiče. Následně v první části příspěvku nejsou popisované.
• atmosférické (obr. 1c), kde spalování probíhá při atmosférickém tlaku v místnosti se spotřebičem. V příspěvku jsou popisovány plynové spotřebiče v provedení B.

Obr. 1 • Schéma spotřebičů podle tlakových podmínek na spalování; a – podtlakové, b – přetlakové, c1, c2 – atmosférické,
+p – přetlak ve spotřebiči, –p – podtlak ve spotřebiči, p₁ – tlak primárního vzduchu, p2 – tlak sekundárního vzduchu, p₃ – tlak pro terciální vzduch, p_w – tlak ve spalinovém hrdle spotřebiče, V – ventilátor

Dále se bude pojednávat pouze o odlišnostech při spalování ve spotřebičích podtlakových a atmosférických, používaných v době počátku návrhu společných komínů, které jsou však užívány dodnes.

5. Rozdílnost při spalování pevných a plynných paliv

V první části kapitoly jsou uvedeny nejzákladnější rozdíly, které způsobily nutnost změnit odvod spalin jinak, než tomu bylo u klasické komínové praxe. Zároveň tyto princi­piální rozdíly tvoří základ pro návazné chápání odvodu spalin od současných kondenzačních kotlů.

a) Složení paliv a spalování paliv (orientační hodnoty)

U pevných paliv je podstatnější složkou paliva uhlík oproti podílu vodíku v palivu. Spálením paliva se vytváří spaliny s větším obsahem CO₂ než je obsah H₂O.

U zemního plynu, složeného převážně z metanu CH₄ se vytvoří ve spalinách větší podíl vodíku oproti uhlíku a spaliny mají vysoký obsah H₂O.

Pro spalování jednotky paliva je u pevných paliv nižší spotřeba vzduchu než u spalování zemního plynu. Většinou při spalování pevných paliv se vyžaduje větší přebytek vzduchu než při spalování zemního plynu.

b) Vlhkost spalin

Spaliny od spalování zemního plynu mají až sedmkrát větší vlhkost než jaká je u spalin od pevných paliv.

Malý obsah vodní páry ve spalinách od spalování pevných paliv vytváří spaliny relativně suché s rosným bodem okolo 30 °C. Spaliny od spalování zemního plynu jsou přibližně sedmkrát vlhčí a jejich rosný bod je okolo 55 až 59 °C. Tato skutečnost významně ovlivňuje tepelně technické a vlhkostní parametry konstrukcí komína.

Vyšší vlhkostí spalin se zvyšuje i parciální tlak vodní páry ve spalinách, což vede k nárůstu difuze vodní páry do stěny spalinového průduchu. U komínů s přirozeným tahem od plynových spotřebičů to vede k úpravám stěny komínového průduchu.

Pro stěnu komínového průduchu se požaduje zvýšení tepelného odporu stěny pro řešení povrchové vlhkosti na průduchu. Stěnu průduchu je třeba chránit proti kondenzaci vzniklé z difuze vodních par.

Zvýšením podílu vzduchu ve spalinách se u kotlů s atmosférickým hořákem snižuje vlhkost spalin (vzduch je mnohem sušší). Zároveň terciální vzduch přisávaný ke spalinám do komína snižuje teplotu spalin potřebnou pro vytvoření přirozeného tahu.

c) Splnění požadavků na odolnost proti vlhkosti

Z výše uvedeného vyplývá, že komíny od pevných paliv nevytváří nebezpečí kondenzace v komíně. Tím, že jsou většinou použity komíny jednovrstvé zděné, z materiálu s malým difuzním odporem, je průběh vodní páry stěnou bez možnosti vzniku kondenzace ve stěně.

Komíny s možností pronikání difuzní vlhkosti z vnitřního prostoru komína (s vyšším parciálním tlakem vodní páry) do vnějšího prostoru (s nižším parciálním tlakem vodní páry) se nazývají komíny difuzní. Jsou to všechny jednovrstvé zděné komíny.

U komínů od plynových spotřebičů, které vyžadují ochranu proti vlhkosti na stěně komína, se vytváří tenká komínová vložka, která brání přenosu zkondenzované vody do stěny komína. Komínová vložka může vysokým difuzním odporem zabránit pronikání difuzní vlhkosti do stěny komína. Zabránění průniku difuzní vlhkosti tvoří bariéru proti difuznímu tlaku vodní páry. Komíny s nepropustnou bariérou pro difuzní vlhkost nazýváme komíny bariérové.

Odvod difuzní vlhkosti ze stěny komína lze provést také např. větranou vzduchovou mezerou na vnějším líci komína a pak se jedná o komíny se zadním větráním.

d) Splnění parametrů termického komína

Komíny s přirozeným tahem jsou komíny s požadavkem na tepelný odpor stěny komína tak, aby nedocházelo k ochlazování spalin, kterým by se snížil komínový tah. Komíny s tepelně izolovaným pláštěm stěny komína nazýváme též komíny termické. Zároveň u klasických suchých komínů nesmí teplota spalin poklesnout pod rosný bod spalin na povrchu průduchu. Mezní teplota na vnitřním líci průduchu v ústí komína pro suché komíny je 55 °C. U termických komínů od plynových spotřebičů bylo nutné zvýšit tepelný odpor komína pro ochranu před kondenzací vodní páry na stěně průduchu. Pro ochranu před případnou kondenzací vodní páry se v patě průduchu provádí kondenzační jímka. Spaliny od podtlakového spotřebiče spalující pevná paliva mívají z principu vyšší teplotu spalin ve spalinovém hrdle a přebytek vzduchu odpovídající spalování paliva.

Spaliny od atmosférického spotřebiče spalujícího plyn mají v kouřovodu a komíně zvětšené množství vzduchu, které se přisává ke spalinám na přerušovači tahu.

e) Požadavky na vyústění komínů

U komínů na pevná paliva s podtlakovými kotli nesmí vyústění komína:

• snižovat tah potřebný pro pokrytí tlakové ztráty z proudění spalin, ztráty ve spotřebiči a ztráty z nasávání vzduchu;
• způsobit nedostatečný rozptyl spalin a následné znečištění povrchů konstrukce budovy v okolí komína, např. od sazí;
• mít nedostatečnou vzdálenost od otvorů do interiérů budovy (střešních i blízkých oken a průduchů).

V ústí komína u odvodu spalin od plynových spotřebičů:

• je nutné zajistit tah pouze pro překonání tlakové ztráty z odvodu spalin;
• nejsou větší hygienické nároky na rozptyl spalin. Spaliny jsou tvořeny převážně vodní parou s nízkým obsahem CO₂, bez tuhých částic (sazí) a bez oxidů síry. Běžné bývá i jejich vyústění na fasádě v blízkosti oken.

Ochrana před „protitlakem“, zpětným prouděním v ústí komína, je u komínů s přirozeným tahem:

• od podtlakových spotřebičů na pevná paliva prakticky nemožná;
• od atmosférických spotřebičů na plynná paliva je při nárazovém přerušení tahu zajištěna přerušovačem tahu při dlouhodobém působení pojistkou – čidlem k přerušení přívodu plynu do hořáku.

Vyústění pro oba typy spotřebičů i použitého paliva by mělo, jak z hlediska hydraulického, tak i hygienického, být odlišné.

f) Rozdílnost v provozní době spotřebičů paliv

Podtlakové spotřebiče na spalování pevných paliv jsou většinou provozovány v trvalejším režimu. Regulací výkonu se snižuje teplota spalin, ale komín zůstává trvale ohřátý. Větším vodním obsahem má kotel větší setrvačnost, která slouží k vyrovnání náhlejší změny v odběru tepla na vytápění.

U hořáků atmosférických spotřebičů na plyn je dovoleno prakticky okamžité přerušení provozu kotle podle náhlé změny v odběru tepla. Snižování vodního obsahu etážového kotle vedlo až k rychloohřívacím nástěnným kotlům s průtokovým ohřevem. Bylo využito stejné konstrukce jako dříve používaných ohřívačů teplé vody.

Přerušovaný chod plynového spotřebiče způsobuje pulzování teplot spalin, resp. vzduchu v komíně a působí i nárazovou změnu teploty na stěně komínového průduchu. U spalin s vysokou vlhkostí je větší akumulace stěny komína, při vypínání kotle z provozu, zdrojem možné vlhkosti srážené na povrchu a následně i v konstrukci stěny komína. Jednovrstvé komíny s vyšší akumulací stěny, používané u kotlů na pevná paliva, jsou při přechodu na plynná nahrazeny komíny vícevrstvými s komínovou vložkou o nízké akumulaci.

6. Tahové podmínky u komínů na spalování pevných paliv

Tradiční spalování pevných paliv probíhá v topidlech nebo kotlích přívodem spalovacího vzduchu do spotřebiče z místnosti se spotřebičem.

Obr. 2 • Průběh tlaku u komína s podtlakovým spotřebičem; H – účinný komínový tah, p_H – statický tah, p_Gi – dynamická ztráta (tlak), p_E – ztráty třením, p_Zi – ztráty místní

Pro zajištění dostatečného přirozeného tahu komína od podtlakového spotřebiče na pevná paliva je požadovaná:

• dostatečná účinná výška od spalinového hrdla spotřebiče až po ústí komína;
• dostatečná teplota spalin v komínovém průduchu (účinná střední teplota), která závisí na:
• teplotě spalin ve spalinovém hrdle spotřebiče (např. 200 °C);
• nízkém ochlazování spalin, zajištěným tepelným odporem stěny.

U komínů s přirozeným tahem je dispozičním tahem statický tah komína, určený z rozdílu teplot spalin a účinné výšky komína. Podle základní hydraulické zásady je dispoziční tah spotřebován na tlakové ztráty. Na následujícím diagramu je tato zásada vyjádřena rozložením tlakové čáry na vzduchospalinové cestě v pásmu dispozičního tahu (p_H) (statický tah).

Grafické vyjádření průběhu komínového tahu je na obr. 2. Vlevo na obr. 2 je schematický řez komínem a kouřovodem a spotřebičem paliv v místnosti. Místnost je vyznačena čárkovaně obrysem. Na spodní straně místnosti je naznačený přívod vzduchu. Pravá část obrázku zobrazuje silnou čarou průběh tlakové čáry, kterou je vyjádřeno, že veškerý statický tah p_H se spotřebuje na tlakové ztráty (třením, místní v tvarovkách a regulačních prvcích, ve spotřebiči a z nasávání spalovacího vzduchu do místnosti se spotřebičem). V tlakovém diagramu je na x-ové pořadnici vlevo od nuly zobrazen podtlak, vpravo od nuly přetlak. Počátek tlakové stupnice „nula“ představuje atmosférický tlak. Statický tah p_H, spotřebovaný na tlakové ztráty vyjadřuje, že jeho nejvyšší hodnota (podtlak) na vzduchospalinové cestě je v patě diagramu. Maximální hodnota podtlaku na x-ové stupnici vlevo je pro nasávání vzduchu. Hodnota měřeného tahu komína (průběh tlakových ztrát) s výškou komína klesá, až dosáhne v ústí komína nulové hodnoty. Tento fakt, že směrem k ústí komína tahu ubývá, je nutné pochopit zejména při uvažování průběhu tahu při společných komínech.

7. Tahové podmínky u komínů na spalování plynných paliv

Obr. 3 • Průběh tlaku u komína se spotřebičem s atmosférickým hořákem;
A – průběh tlaků s min. přísáváním teriálního vzduchu, B – průběh tlaku s vyšším přisáváním terciálního vzduchu, H – účinný komínový tah, p_H – statický tah, p_Gi – dynamická ztráta (tlak), V₃ – terciální vzduch

Na obr. 3 je tlakový diagram průběhu komínového tahu od spotřebiče s atmosférickým hořákem při přirozeném tahu komína. U hořáku atmosférického spotřebiče je spalování zajištěno bez vlivu komínového tahu. Komín slouží pouze pro odvod spalin. Na spalinovou cestu za hořákem spotřebiče se osazuje přerušovač tahu, kterým je eliminován vliv komínového tahu na spalování.

K charakteristickým parametrům spotřebiče s atmosférickým hořákem patří:

• přívod spalovacího vzduchu nesmí být ovlivněn komínovým tahem;
• vzduch na spalování zajišťuje primárně spotřebič směšováním plynu se vzduchem v potrubí před přívodem do hořáku a následně vztlakem spalin ve spalovací komoře (uvažovaná hodnota pro nasávání je cca 4 Pa).

Podobně jako u obr. 2 je na obr. 3 vlevo zobrazen schematický řez komínem, kouřovodem a spotřebičem. V pravé části je zobrazen tlakový diagram průběhu tlakových ztrát při odvodu spalin za přerušovačem tahu po ústí komína. Měřená hodnota podtlaku je vyznačena silnou čarou v podtlakové části dia­gramu. Hodnota atmosférického tlaku je na x-ové pořadnici tlakového průběhu vyjádřena atmosférickým tlakem. V zobrazení se předpokládá shodně s předchozím obrázkem vlevo od nuly podtlak, vpravo přetlak. Shodně s předchozím obrázkem vychází snižování tahu (měřeného podtlaku) pod ústím komína.

Při malé účinné výšce odvodu spalin od spotřebiče, umístěného ve střešním prostoru, resp. v nejvyšším podlaží se volí odvod spalin kouřovodem s funkcí komína. Tedy svislým průduchem od spalinového hrdla nad střechu tak, aby byly eliminovány tlakové ztráty v kouřovodu při takto nízkém statickém tahu. Kouřovod s funkcí komína je termín i systém, který je běžně používán u nás již od počátku 70. let. Je to běžné řešení odvodů spalin od střešních kotelen, kde napojení na komín by bylo nefunkční.

K dalším zásadám při používání spotřebičů s atmosférickým hořákem a přerušovačem tahu patří:

• přívod spalovacího vzduchu musí být pod úrovní hořáku a ne u stropu místnosti se spotřebičem (pro kotelny dáno vyhláškou už v roce 1975);
• větrání místnosti komínovým průduchem, přes přerušovač tahu v mimoprovozní době, je eliminováno spalovací klapkou, vloženou do kouřovodu za přerušovačem tahu;
• nadměrný tah komína v provozní době spotřebiče je snižován vzduchovou klapkou, umístěnou v komínovém průduchu;
• svislá část kouřovodu nad spotřebičem (cca 0,5 m) slouží pouze pro zajištění vztlaku spalin při náběhu spotřebiče a její význam v průběhu provozu spotřebiče je bezdůvodný.

Teplota spalin od plynového spotřebiče, se z důvodů zvýšení účinnosti spotřebiče, postupně snižuje z původní teploty 200 °C až na teplotu nižší než je kondenzační teplota spalin. Tento problém je cílem článku o připojování kondenzačních kotlů na komín, resp. společný komín.

8. Závěr

V průběhu bezmála padesáti let používání plynových spotřebičů i společných komínů se změnila konstrukce spotřebičů, směrem k vyšší účinnosti, až na spotřebiče s kondenzací spalin. V první části příspěvku bylo zdůvodnění rozdílu mezi klasickým odvodem spalin od pevných paliv a odvodem spalin od plynových spotřebičů s vysokou vlhkostí a nízkou teplotou. V minulosti byla snaha řešit oba systémy jednotnou legislativou až k současné podobě odvodů spalin, kdy je příliš patrná odlišnost kominické praxe od odvodu spalin z kondenzačních spotřebičů. Jasně se prokazuje, že klasické chápání komínů je nahrazeno odvodem spalin, který je řešen podle vzduchotechnických zásad, platných pro vzdušninu s relativně nízkou teplotou pro spaliny a vysokým obsahem vodní páry.

---

Chimneys serving more than one heating appliance – Flue gas parameters

In the first article, the author describes and explains historical development of chimney design. Differences between solid and gaseous fuels and between required chimney properties are described. Attention is paid to moisture. The pressure conditions at the flue gas outlet are shown.

Keywords: chimney, shared chimneys, heating appliance, fuel, humidity, pressure conditions, flue gas

Pokračování příště