Společné komíny: Úpravy stávajících společných komínů při využívání přetlakových kondenzačních spotřebičů s vysokou účinností – 6. část

Autor shrnuje požadavky na společné komíny u plynových spotřebičů uvedených v předchozích dílech článku. Zaměřuje se zejména na současné plynové spotřebiče, které využívají kondenzační režim spalování zemního plynu. V článku jsou shrnuty základní požadavky na spalinovou cestu a systém přívodu spalovacího vzduchu pro jednotlivé příklady provedení zaústění odtahu spalin do společného komínu.

Recenzent: Roman Vavřička

1. Úvod

Současné plynové kondenzační kotle, vyráběné na základě požadavků Nařízení komise EU č. 813/2013, mají, jak bylo uvedeno v předchozích částech příspěvku, zcela jiné parametry spalinové charakteristiky než plynové kotle předchozích generací. Systémy společných komínů sloužící k odvodu spalin od předchozí konstrukce plynových kotlů i kondenzačních kotlů s mokrým provozem nelze dále používat. Při změně kotlů na přetlakové kondenzační kotle s vysokou účinností je nutné nahradit stávající společný komín novou konstrukcí odvodu spalin.

2. Účinnost hořáku – charakteristika ventilátoru

U současných kondenzačních kotlů s vysokou účinností při malém provozním výkonu je vysoká účinnost spalování zaručena tím, že je použit přetlakový hořák tak, aby bylo zajištěno spalování s nízkým přebytkem vzduchu.

U předchozích konstrukcí plynového hořáku byl vždy nejnižší přebytek vzduchu uvažován při jmenovitém výkonu, regulace nižšího výkonu často nebyla plynulá a bylo vždy dosahováno většího přebytku vzduchu, a tím nižší účinnosti.

Podmínka vysoké účinnosti při spalování plynu je ztížena ještě tím, že nejnižší účinnosti při spalování má být dosahováno při 30 % jmenovitého výkonu spotřebiče. Tento požadavek znamená, že musí být za těchto podmínek součinitel přebytku vzduchu při spalování nejnižší. U současných plynových kondenzačních kotlů je regulace výkonu hořáku plynulá až na nejnižší hodnotu tj. cca 15 až 20 % jmenovitého tepelného výkonu. Oba dva požadavky, tj. nejvyšší účinnost při 30 % jmenovitého výkonu a plynulost regulace provozního výkonu kladou na hořák, resp. ventilátor hořáku vysoké technické požadavky.

3. Hydraulické požadavky na vzduchospalinovou cestu

V části 4 příspěvku byl na obr. 6 zjednodušeně zobrazen průběh tlakových ztrát ve svislém průduchu při proudění spalin účinkem přetlaku ventilátoru hořáku. Na spalinové cestě je dispoziční přetlak v místě spalinového hrdla spotřebiče označen p_V.

Dispoziční přetlak od ventilátoru hořáku v místě spalinového hrdla se spotřebuje na tlakové ztráty prouděním spalin ve spalinovém průduchu.

Dispoziční tlak ventilátoru p_V se stanoví ze vztahu:

p_V = p_E + p_Z + p_G = p_VZ            (1),

kde je:

• p_E – tlaková ztráta třením [Pa],
• p_Z – tlaková ztráta místní [Pa],
• p_G – dynamická ztráta (tlak) [Pa].

Dispoziční přetlak ve spalinovém hrdle se spotřebuje zcela na tlakové ztráty p_VZ.

a) Podmínky samostatného komína

U samostatného komína (kouřovodu s funkcí komína) lze pro konstantní průřez průduchu popsat tlakovou ztrátu p_VZ podle vztahů v Topin č. 6/2019, v části 4, str. 58 a 59. Pro navržený průměr průduchu a materiálový povrch průduchu jsou všechny hodnoty l, d_h a Sz známé. Jedinou proměnou je délka spalinové cesty H. Dosažení konstantní hodnoty H je možné zajistit nastavením tlakové ztráty regulátoru tlaku pro vytvoření konstantní délky. Změna výkonu kotle je pak jen funkcí rychlosti proudění spalin v průduchu, která ve výpočtu tlakové ztráty s využitím dynamického tlaku spalin v²·r / 2 vyjadřuje proměnný hmotnostní průtok spalin .

Systém samostatných podlažních komínů je klasickým řešením odvodu spalin od etážových plynových kotlů, jak je naznačeno na obr. 1.

V charakteristice ventilátoru hořáku odpovídá průběh dispozičního tlaku hodnotám zkouškou ověřeného diagramu s nejvyšší účinností při 30 % jmenovitého výkonu, odpovídajícímu příslušnému hmotnostnímu průtoku spalin, tj. rychlosti spalin v daném průřezu.

b) Podmínky společného komína

Jak bylo uvedeno na schematickém obr. 1 a v textu části 3 příspěvku, je hydraulický princip společných komínů založen na zajištění přirozeného nebo umělého tahu pro odvod spalin od všech připojených spotřebičů. Rozdílnost v současnosti provozních režimů kotlů, i s proměnným výkonem spotřebičů, vytváří různé hodnoty teploty spalin a hmotnostních průtoků spalin v místech napojení do společného komína. Návrh průřezu společného komínového průduchu je založen na zajištění dostatečné nejmenší absolutní hodnoty tahu v sopouchu u tlakově nepříznivě umístěného napojení spotřebiče. Řešení uzlových rovnic p, T, (tlak, teplota, hmotnostní průtok) stanoví nejnižší absolutní hodnotu tahu, zajišťující požadovaný průtok spalin. Ve všech ostatních uzlových místech (u sopouchů) je vyšší hmotnostní průtok spalin. Během provozní sezony kotle, i při méně regulovaném výkonu kotle, se vytváří řada různých tlakových změn v uzlových místech komína, jejichž důsledkem je změna průtoku spalin. Spalinová cesta společného komína tvoří hydraulicky samostatný celek k odvodu spalin, s přípustným ovlivněním spalování ve spotřebiči, které je regulováno např. přerušovačem tahu nebo regulátorem průtoku spalin, zejména z hlediska přípustného přebytku vzduchu.

4. Rekonstrukce odvodu spalin společným komínem

Možnosti rekonstrukce odvodu spalin od přetlakových kondenzačních kotlů s vysokou účinností společným komínem jsou popsány v předchozí části příspěvku. Výrobcem je doporučen společný komín s omezeným počtem podlaží. Rozměry průduchu společného komína jsou předepsány pro příslušné rozměrové parametry délky kouřovodu a výšky komína. Pro hydraulické posouzení a ověření tlakových podmínek není od výrobce dán dostatek podkladů. Výrobce garantuje tímto odvodem spalin splnění podmínky nízkého přebytku vzduchu, která jsou požadována v hořáku spotřebiče pro různé výkony během provozu. Lze se tak domnívat, že tlakový rozdíl mezi jednotlivými sopouchy je zanedbatelný a spalinové cesty od jednotlivých spotřebičů vykazují přibližně stejné tlakové ztráty.

5. Rekonstrukce odvodu spalin vnitřními samostatnými komíny

Vnitřní přetlakové spalinové průduchy od přetlakových spotřebičů, vedené vnitřním prostorem budovy, musí být vloženy do ochranného vzduchového průduchu. Vzduchový průduch u koncentrického uspořádání tvoří obalový vzduchový plášť každého spalinového průduchu, nejčastěji při odvodu spalin od spotřebiče v provedení C. Vzduchový průduch téměř výhradně slouží k přívodu spalovacího vzduchu.

Na obr. 2 je naznačeno řešení samostatného komínového průduchu o průměru 80 mm do vzduchového průduchu s protiproudým přívodem spalovacího vzduchu do koncentrického vzduchovodu kotle v provedení C. Pro běžný etážový kotel bývá délka kouřovodu např. L₁ = 3 m a celková délka spalinové cesty L₁ + L₂ = 24 m. Náhradní délka za vložené koleno 90° je 3 m.

Na obr. 3 je naznačeno schéma rekonstrukce společného komína pro pětipodlažní objekt s návrhem odvodu spalin samostatnými kouřovody s funkcí komína. Spalinové průduchy jsou vloženy do společného vzduchového průduchu s protiproudým přívodem spalovacího vzduchu ke spotřebičům v provedení C. Celková maximální náhradní délka spalinového průduchu ke spotřebiči může být 24 m.

6. Rekonstrukce odvodu spalin vnějšími samostatnými průduchy

Náhradou společného komína při využití účinných kondenzačních kotlů je možnost řešit odvod spalin samostatnými komíny vedenými po vnější stěně budovy. Vnější komínové průduchy od přetlakových spotřebičů mohou být provedeny bez ochranného vzduchového průduchu. Na obr. 4 je naznačeno samostatné vedení spalinového průduchu průměru 80 mm. Výrobcem je uváděna maximální délka např. L₁ = 3 m a celková náhradní délka L₁ + L₂ = 25 m.

Samostatné venkovní komíny, zajišťující odvod spalin při záměně za společný komín, je možné provádět tam, kde jsou plynové kotle situovány tak, aby horizontální kouřovod měl možnost napojení k obvodové stěně dvorní fasády. Samostatné komínové průduchy se mohou zakrývat krycím rizalitem (výstupek v omítce nebo část průčelí budovy, která z jejího líce vystupuje po celé výšce).

7. Rekonstrukce odvodu spalin spalinovým vývodem

Od plynových spotřebičů s malým výkonem, např. od lokálních topidel, ohřívačů teplé vody a etážových kotlů, bylo už v minulosti možné vyúsťovat spaliny na fasádu spalinovým vývodem s přetlakem spalin. Příklad spalinového vývodu na fasádu domu od etážového plynového kotle je naznačen na obr. 5. Délka vodorovného soustředného vývodu může být až 22 m. Potrubní průduch od vyústění klesá směrem do kotle.

Spaliny od spalování metanu mají ze všech fosilních paliv nejmenší obsah CO₂ a vysoký obsah H₂O. Hlavní škodlivinou ve spalinách od spalování metanu, která stanovuje kriteria odstupu okenních otvorů na fasádě budovy, od vyústění spalinového vývodu, je koncentrace NO_X ve spalinách.

Spaliny vyvedené na fasádě budovy u přetlakových kondenzačních spotřebičů jsou charakteristické nízkou teplotou a vyšší rychlostí ve vyústění. Mají tak menší tendenci přisátí k ploše budovy ve vlečce a větší možnost rozptylu ve vzduchu než spaliny od standardních kotlů s vyšší teplotou a nižší výtokovou rychlostí.

Mezi další hlediska určující vyúsťování spalin na fasádě patří i změna tepelně technických vlastností sou­časného pláště budovy. Tepelná ztráta bytu, určující výkon kotle, je pronikavě nižší oproti době, kdy uvedené legislativní zásady byly vytvořeny. Rovněž utěsněním oken se snížila možnost infiltrace okenními spárami a je i tendence zajišťovat řízené větrání bytu s nasáváním vzduchu mimo fasádu budovy.

Pozn. recenzenta:

V článku 10 normy ČSN 73 4201 je definován tzv. odvod spalin venkovní stěnou do volného ovzduší. Zásadou je, že odvod spalin stěnou fasády do volného ovzduší lze navrhnout a provést jen v technicky odůvodněných případech při stavebních úpravách budov nebo u průmyslových staveb, při dodržení normových hodnot a emisních limitů. Vývod spalin stěnou fasády nemůže být navrhován a realizován u nových staveb.

Norma ČSN 73 4201 definuje, že tento způsob odvodu spalin se týká pouze spotřebičů na plynná paliva v provedení C – tj. uzavřených spotřebičů, které odebírají spalovací vzduch z venkovního prostoru nebo ze společného komínu a spaliny jsou odváděny do venkovního prostoru. Dále pak pro plynové spotřebiče v provedení B33 – tj. otevřený spotřebič, který odebírá spalovací vzduch z prostoru, kde je umístěn a spaliny jsou odváděny do venkovního prostoru (komínem nebo kouřovodem). Provedení B33 znamená plynový spotřebič bez přerušovače tahu určený pro připojení na společný komín se vzduchovým ventilátorem instalovaným před spalovací komorou. Navíc je požadováno, že u spotřebiče v provedení B33 musí mít zabezpečeno, že spaliny nemohou při provozu spotřebiče proniknout do místa jeho instalace a jejich maximální jmenovitý výkon je do 24 kW (zde upozorňuji, že v předchozím vydání normy ČSN 73 4201, platném do roku 2010, byla tato hranice 30 kW!)

8. Závěr

V popisu jednotlivých částí příspěvku o společných komínech byla uvedena problematika vývoje plynových kotlů a následně i odpovídajícího způsobu odvodu spalin společnými komíny. Snižovat teplotu spalin při spalování zemního plynu, dává, oproti všem ostatním palivům, jedinečnou možnost dosáhnout vysoké účinnosti z kondenzace spalin. Zajištění kondenzačního provozu, jak je popsáno v části 3 (Topin č. 5/2019, str. 54, 55 a obr. 3 a 4), je možné pouze při spalování s nízkým přebytkem vzduchu. Buď je možné navrhnout hořák kotle s konstantním výkonem a připojit kotel na zásobník tepla s regulací provozního výkonu na otopné vodě nebo regulovat výkon kotle vlastním plynovým hořákem, který dokáže zajistit provoz při změně výkonu kotle s trvale nízkým přebytkem vzduchu, nutným pro vysoký účinek kondenzace spalin v kotli. Zvítězil způsob návrhu velmi sofistikovaného hořáku, který dosahuje výše uvedených parametrů při spalování paliva. Spalinová cesta se musí těmto podmínkám, které vytváří hořák s vynikajícími parametry pro spalování, přizpůsobit.

Literatura

1. NAŘÍZENÍ KOMISE (EU) č. 813/2013 ze dne 2. srpna 2013, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů a kombinovaných ohřívačů. Dostupné z <https:// eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/ ?uri=CELEX%3A32013R0813>.
2. Bosch Termotechnika s.r.o. Projekční podklady. Odkouření ke kondenzačním kotlům CERAPUR... 2010/05. Dostupné z <https://www.bosch-thermo- technology.com/cz/media/country_ pool/dokumentace/projekcni-podklady/pp_odkoureni_cerapur.pdf>.
3. ČSN EN 13384-2 Komíny – Tepelně technické a hydraulické výpočtové metody – Část 2: Společné komíny. 2004-5. ČNI. Praha.
4. ČSN 73 4201 ed. 2 Komíny a kouřovody – Navrhování, provádění a připojování spotřebičů paliv. 2016-12. ÚNMZ. Praha.

Poznámka k autorovi

Autor se zabývá problematikou výpočtů komínů, zejména společných komínů, od 60. let minulého století. V polovině 70. let jako první odvodil výpočet uzlových rovnic, řešených iterací, jak shodně bylo uvedeno později v EN 13 384–2 v roce 2004. Na základě laboratorních měření empiricky odvodil průběh křivek charakteristiky spalin spotřebiče (T, , p), které jsou potřebné jako vstupní údaj pro výpočet společných komínů.
Autor vypracoval v roce 1995 první technické pravidlo pro přetlakové komíny, platné prakticky dodnes, je zpracovatelem řady překladů EN z oblasti komínů, zejména norem výpočtových.
Autor je původcem užitného vzoru pro zásobník tepla kondenzačních kotlů (ZTKK). Do roku 2014 přednášel na ČVUT FSv, na katedře TZB, tematiku z odvodů spalin a z kondenzační techniky.
V oblasti odvodu spalin a kondenzační techniky má autor řadu publikací, skript a příspěvků v odborných časopisech.

---

Chimneys serving more than one appliance – Part 6: Modification of existing shared chimneys in the use of pressure condensing appliances of high efficiency

The author summarizes previous shared chimneys requirements for gas appliances mentioned in previous parts of the article. The author focuses mainly on current gas appliances that use the condensing mode of natural gas combustion. The article summarizes the basic requirements for the flue gas path and the combustion air supply system for individual examples of the flue gas outlet to the shared chimney.

Keywords: chimney, shared chimneys, gas appliances, condensing boilers