Výpočet optimální akumulace při vytápění dřevem

Jak autor v článku správně upozorňuje, výpočet akumulace při vytápění pevnými palivy je stále záležitostí velice podceňovanou. Vedou se více či méně fundované diskuze o tom, zda akumulace ano či ne, ale málokdo dovede svoje argumenty podložit také výpočtem. Z tohoto pohledu je článek velice přínosný. Mimo jiné z něj vyplývá, že často podceňovaným faktorem při volbě vhodného zdroje je velikost přikládacího prostoru kotle. Pokud má mít nově instalovaný zdroj tepla s akumulačním provozem význam, mělo by se jednat o kotel moderní konstrukce. U kotlů spalujících kusové dřevo je takovýmto zdrojem zplyňovací kotel s řízeným přívodem spalovacího vzduchu ventilátorem, který zaručuje stabilní a vysokou provozní účinnost i při rozdílných provozních podmínkách, zejména pak kolísání komínového tahu v průběhu topné sezony.

Recenzent: Zdeněk Lyčka

Účelem akumulace tepla je zajištění správné funkce kotle i v době, kdy je energetická potřeba otopné soustavy nízká. Přebytky tepla, které vyrábí kotel, jsou pak ukládány do vyrovnávací nádoby.

Je možné naplnit přikládací pro­stor kotle dřevem dříve, než bude vyrovnávací nádoba zcela vybita, například večer před spaním. Množství dřeva musí ale odpovídat potřebě tepla na dobití nádoby.

Kotel končí svou činnost v okamžiku, kdy je teplota vody v nádobě, od vrcholu k dolní části, 80 až 90 °C. Kotel obvykle obnovuje svou činnost v okamžiku, kdy teplota v nádobě klesne pod 30 až 40 °C.

Tento systém umožňuje kotli pracovat v nejlepších podmínkách, s nejvyšší dosažitelnou účinností. Vyhneme se tím stavu, kdy je přikládací prostor kotle naplněn pa­livem a odebírá se jen minimální množství energie. Dochází přitom k neekonomickému spalování, k velkému znečištění kotle, předčasnému opotřebení a nízkoteplotní korozi. Ke stejnému stavu může docházet v případě, kdy se snaží kotel dodat energii do nabité vyrovnávací nádoby.

S vyrovnávací nádobou zajišťuje vytápění dřevem srovnatelný komfort jako při vytápění plynem, protože odděluje produkci tepla od jeho spotřeby.

Jaké jsou výhody a nevýhody akumulace tepla

Výhod je více, jako například:

• Regulovaná teplota vody do otopné soustavy
• Kotel na dřevo pracuje při jmenovitém výkonu i uprostřed topné sezony
• Systém umožňuje ukládat přebytky tepla kotle během topné sezony, kdy by jinak kotel dodával mnohem víc tepla, než by bylo zapotřebí
• Snižuje se zanášení kotle, které snižuje jeho účinnost
• Zvyšuje dobu mezi přikládáním paliva do kotle

Environmentální a ekonomické přínosy jsou tak významné, že některé země zavedly akumulaci tepla u kotlů na pevná paliva jako povinnost.

Instalace vyrovnávací nádoby je technicky nutná také v případech, kdy se budou provozovat dvě otopné soustavy při různých teplotách. Například podlahové vytápění a vytápění klasickými otopnými tělesy. Obdobné to bude například u dostavby domku, která se od původní stavby liší tepelně-technickými vlastnostmi nebo dobou provozu.

Nevýhody akumulace tepla?

• Vysoké náklady na instalaci
• Rozměrnost zařízení

Návrh instalace s kotlem na dřevo

Topenářské instalace s kotlem na dřevo mohou zajistit celkovou potřebu tepla pro vytápění i pro přípravu teplé vody.

Nejprve je potřeba stanovit tepelné ztráty objektu a potřebu tepla pro přípravu teplé vody, pokud tato není zajišťována jiným způsobem, například elektricky. Přípojná hodnota zdroje tepla je podkladem pro volbu výkonu kotle.

Obvyklá délka hoření jedné náplně přikládacího prostoru kotle je cca 3 až 6 hodin, což odpovídá zásahu obsluhy 4x až 8x za den. U předimenzovaného kotle mohou být zásahy obsluhy méně časté. Pro většinu uživatelů kotlů na dřevo by mohlo být přijatelným limitem přiložení paliva do kotle 2x až 3x za den.

Uveďme konkrétní příklad výpočtu pro tepelnou potřebu domku 45 kW s kotlem o výkonu 45 kW a obsahem násypky (spalovacího prostoru kotle) 180 dm³. Výhřevnost paliva předpokládejme 4 kWh·kg^–1, účinnost kotle 0,85, měrný objem dřeva ve spalovacím prostoru kotle 0,35 kg·dm^–3.

Předpokládejme, že část energie bude procházet přímo do topných okruhů otopné soustavy, zbývajících cca 66 % bude procházet do vyrovnávací nádoby.

Výhřevnost suchého dřeva je zhruba stejná pro všechny druhy dřeva (4 kWh·kg^–1 při 20 % vlhkosti), liší se jen jejich měrná hmotnost a tím množství energie na jednotku objemu. Velmi často je spalováno dřevo s vyšší vlhkostí než optimálních 15 až 20 %. Pak ke stejnému množství vydané energie je potřeba větší objem dřeva.

Ze zadávaných údajů je potřeba vypočítat:

• Hmotnost jedné nakládky dřeva
• Minimálně potřebný objem spalovacího prostoru kotle
• Energii uvolněnou při jedné nakládce dřeva
• Objem vyrovnávací nádoby

Aby zařízení bylo schopné spolehlivě fungovat, musí být využitelný objem přikládacího prostoru kotle vyšší, než je objem stanovený výpočtem. V případě, že bude skutečný objem přikládacího prostoru kotle menší než objem vypočtený, musíme zvolit jiný kotel s větším objemem přikládacího prostoru (a patrně i s větším výkonem, což nemusí být výhodné), nebo připustit větší počet plnění přikládacího prostoru během 24 hodin.

Výpočtové vztahy

Hmotnost jedné nakládky dřeva:

kde je:

• G [kg] hmotnost jedné nakládky dřeva
• Qp [kW] výkon kotle
• N [–] požadovaný počet naplnění přikládacího prostoru kotle
• H [kWh·kg^–1] výhřevnost paliva
• h [–] provozní účinnost kotle

Minimálně potřebný objem spalovacího prostoru kotle

• Vk [dm³] minimálně potřebný objem spalovacího prostoru kotle
• O [kg·dm^–3] měrná hmotnost dřeva ve spalovacím prostoru kotle

Energie uvolněná při jedné nakládce dřeva

• Qe [kWh] energie uvolněná při 1 nakládce dřeva

Objem vyrovnávací nádoby

 

• Vv [l] objem vyrovnávací nádoby
• Dt [K] zvolený teplotní rozdíl min. – max. ve vyrovnávací nádrži
• K [–] podíl energie, která bude přiváděna do vyrovnávací nádoby

Vstupní údaje, včetně výpočtu v tabulkovém uspořádání, jsou v tab. 1.

 

Jaké informace tabulka přináší? Minimálně potřebný objem spalovacího prostoru kotle (302,5 dm³) je podstatně větší, než je využitelný objem přikládacího prostoru (144 dm³).

Pokud nebudeme zvětšovat výkon kotle (který by mohl mít větší vy­užitelný objem přikládacího prostoru, zbývá jen zvýšit počet naplnění přikládacího prostoru kotle. V tabulkovém provedení měníme červeně vyznačený počet tak dlouho, až dosáhneme potřebné shody. Výsledek je v tab. 2.

 

Při počtu naplnění kotle 6x za 24 hodin (tedy každé 4 hodiny) je minimálně potřebný objem spalovacího prostoru kotle přibližně stejný, jako je skutečně využitelný objem. Objem vyrovnávací nádoby se přitom zmenšil na polovinu.

Objem vyrovnávací nádoby můžeme snížit častějším přikládáním paliva do kotle, nižším podílem energie, která bude přiváděna do vyrovnávací nádoby nebo nevyužíváním akumulačního prostoru až do venkovní výpočtové teploty.

Vyrovnávací nádobu lze s výhodou volit takovou, která podporuje stratifikaci, tj. teplotní rozvrstvení akumulované vody. Opakem stratifikace je dokonalé promíchání vody v zásobníku. Otopná voda v horní části nádoby je u stratifikačních zásobníků, v případě potřeby, okamžitě k dispozici. S výhodou se používá svislých, dokonale izolovaných zásobníků. Aby se dosáhl nejlepší kompromis mezi tepelnými ztrátami a fenoménem stratifikace je potřeba, aby výška nádoby byla přibližně dvojnásobkem jejího průměru.

Nádoba musí být vybavena 3 teploměry, v horní, střední a spodní části. Je potřeba vyloučit turbulence na vstupu do a na výstupu z nádoby. Rychlost proudění by v hrdlech nádoby měla být menší jak 0,6 m·s^–1.

Po zátopu funguje kotel na maximální výkon a nabíjí akumulační nádobu na požadovanou teplotu, přibližně 85 až 90 °C. Na konci cyklu, po plném nabití nádoby je kotel uveden do útlumu, a akumulovaná energie z nádrže může být distribuována.

Závěr

Výpočet akumulace při vytápění dřevem bývá často podceňován. Některé firmy montují takové sy­stémy bez potřebných znalostí, bez výpočtů a bez projektu. Výsledky bývají někdy nedobré, jak pro uživatele, tak i pro jeho dodavatele.

Může trvat hodinu i více, než se kotel nahřeje na teplotu, kdy se otevře ventil hlídající teplotu zpátečky a otopná voda začne proudit do otopné soustavy a do akumulační nádoby. To může být někdy jen začátek problému.

Studená voda vracející se z otopné soustavy uvede do činnosti armaturu hlídající teplotu zpátečky, průtok vody nějakou dobu cirkuluje jen ve vnitřním okruhu kotle, aniž by dodával teplo do otopné soustavy. Celý cyklus se několikrát opakuje. Při takovém cyklování nemusí být snadné odhalit, co je ještě normální projev regulace teploty zpátečky kotle a co je již chyba termostaticky ovládané armatury. Vyšší spolehlivost se dá očekávat od armatury ovládané elektropohonem.

---

Calculating optimum heat storage in heating with wood

The purpose of the accumulation of heat is to ensure proper operation of the boiler and when the energy needs of the heating system is low. The surplus heat produced by the boiler, are then stored in a storage tank. It is necessary to determine optimally size of the boiler and the volume of the storage tank.