Bezpečnostní dochlazování zdrojů tepla na pevná paliva

Autor se zabývá bezpečností zdrojů tepla na pevná paliva při možném přetopení. Článek dobře popisuje problematiku důvodu požadavku na dochlazování zařízení i způsoby jeho řešení, svohledem na jejich specifické vlastnosti. Požadavek na bezpečný provoz takového zařízení, i v poruchových stavech, vy­chází ze směrnice Rady 97/23/ES pro tlaková zařízení a je řešen v normě ČSN EN 303-5. Podle této normy musí být omezena teplota otopné vody zařízením, které odvede přebytečné teplo z kotle.

Recenzent: Marek Lapiš

Je to již víc jak deset let, co se u malých teplovodních zdrojů tepla, spalujících pevná paliva, začalo řešit tzv. bezpečné odvedení přebytečného tepla. Vše začalo v květnu 1997, kdy byla přijata směrnice Rady 97/23/ES pro tlaková zařízení. Ta mezi tlaková zařízení zahrnula také sestavy určené pro výrobu teplé vody při teplotách nepřesahujících 110 °C (dále jen mezní teplota), do kterých se ručně nakládá pevné palivo a u kterých součin PS · V, tedy maximální provozní přetlak PS [bar] vynásobený vodním objemem výměníku V [litr], je větší jak 50. Směrnice pro zajištění bezpečného provozu zařízení, u nichž je daný součin větší jak 50 uložila, že zařízení musí být vybavena bezpečnostní výstrojí proti překročení povolené mezní teploty ohřívané vody. Pokud to vztáhneme na tepelné soustavy, pak velká část zdrojů tepla spalujících pevná paliva, a to nejen kotle, ale i lokální zdroje s teplovodním výměníkem, musí být po zavedení směrnice vybavena zařízením pro bezpečné odvedení tepla tak, aby v nich a napojené teplovodní otopné soustavě nemohla být překročena mezní teplota. Netýká se to zdrojů tepla určených pro otevřené otopné soustavy, kde je maximální dosažitelná teplota vody omezena fyzikálně (při běžném atmosférickém tlaku nemůže přesáhnout mezní teplotu 110 °C) a zdrojů s výměníkem o malém objemu, u kterých součin PS · V je menší než 50.

V době, kdy byla přijata zmíněná směrnice, již vznikala nová evropská norma pro teplovodní kotle na pevná paliva do výkonů 300 kW. Tato norma byla vyhlášena s označením EN 303-5 v roce 1999, v ČR nabyla platnosti jako ČSN EN 303-5 v únoru 2000. A zde se již v bezpečnostních požadavcích počítalo s nutností konstrukčního zajištění dochlazování kotlů v případě havarijních stavů, při kterých by hrozilo překročení teploty otopné vody 110 °C (nejvyšší normou povolená teplota otopné vody pro kotle). Od ledna 2013 pak platí upravená verze této normy ČSN EN 303-5:2013, která byla rozšířena na kotle do výkonů 500 kW.

V roce 2001 byly přijaty nové evropské normy pro lokální spotřebiče na pevná paliva, které u zdrojů s teplovodním výměníkem s povinností použití „dochlazování“ v obecné rovině také počítají (viz dále).

Samotná směrnice Rady 97/23/ES byla přejata do naší legislativy v současné době platném Nařízením vlády č. 26/2003 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na tlaková zařízení (nahradilo NV č. 182/1999 Sb.).

Normativní požadavky pro teplovodní kotle

Evropská norma EN 303-5:1999 nově zavedla rozdělení otopných soustav do tří skupin podle úrovně řízení spalovacího procesu.

1. Rychle odpojitelná otopná soustava– při všech provozních podmínkách a při poruše (přerušení přívodu energie nebo náhlý výpadek odběru tepla) může být přerušena výroba tepla tak rychle, že nemůže být vyvolán nebezpečný provozní stav na straně vody (zvýšení teploty nad 110 °C), nebo nebezpečný provozní stav na straně spalování (nahromadění hořlavých plynů ve spalovací komoře nebo spalinových cestách s koncentrací CO > 5 %). Z hlediska technologie spalování toho mohou docílit kotle s řízeným přísunem spalovacího vzduchu ventilátorem a automaticky řízeným přísunem paliva, tedy kotle s plnou elektronickou regulací spalovacího procesu (automatické kotle). V případě natopení kotle na provozní teplotu nastavenou provozním termostatem, či při výpadku elektrické energie, se zastaví dodávka paliva i přísun spalovacího vzduchu a vzhledem k minimálnímu zůstatku paliva na roštu dojde k velmi rychlému poklesu výkonu kotle.
2. Částečně odpojitelná otopná soustava – působením řídicích a regulačních prvků může být zabráněno vzniku nebezpečného provozního stavu na straně spalování, ale výroba tepla může být omezena jen částečně. Tedy pro zabránění vzniku nebezpečného provozního stavu na straně vody je zpravidla nutné odvést alespoň část vzniklého tepla. Z hlediska technologie spalování se jedná o soustavy s kotli s ručním přikládáním a řízeným přísunem spalovacího vzduchu ventilátorem. Typickým představitelem jsou zplyňovací kotle na dřevo.
3. Neodpojitelná otopná soustava– zdroj tepla nedisponuje řídicími a regulačními prvky, které by mohly zabránit vzniku nebezpečného provozního stavu na straně vody. To se týká běžných kotlů s ručním přikládáním paliva a mechanicky regulovaným přívodem spalovacího vzduchu.

Dále norma definuje tzv. zařízení pro odvod přebytečného tepla. Je totechnické řešení, které má zabránit vzniku nebezpečného provozního stavu na straně vody. U rychle odpojitelných soustav k tomuto stavu dojít nemůže, proto zmíněné zařízení u nich norma nepožaduje. U částečně odpojitelné a neodpojitelné soustavy k nebezpečnému provoznímu stavu dojít může v případě, že se jedná o soustavy uzavřené. Proto norma požaduje jako povinnou výbavu u kotlů pro tyto soustavy instalaci bezpečnostního zařízení pro odvedení maximálního možného tepelného výkonu v případě poruchy. U částečně odpojitelné soustavy je tímto maximálním výkonem míněn zbytkový výkon po částečném přerušení dodávky tepla do soustavy, u neodpojitelné soustavy je míněn jmenovitý tepelný výkon zdroje tepla.

Pokud to shrneme, evropská norma pro malé teplovodní kotle na pevná paliva zcela v duchu směrnice Rady 97/23/ES ukládá kotlům s ručním přikládáním v případě, že jsou zapojeny do uzavřené otopné soustavy, aby byly vybaveny bezpečnostní výstrojí proti překročení povolené mezní teploty ohřívané vody 110 °C. U kotlů se samozřejmě předpokládá, že součin provozního ­tlaku a objemu výměníku je vždy vyšší jak 50.

Norma striktně nestanoví, jak má být zařízení pro odvádění přebytečného tepla konstruováno. Uvádí pouze zásadní požadavek, že:

„zařízení musí být funkční bez doplňujících přídavných zařízení a vnější energie, musí být přizpůsobeno konstrukčním a tepelným vlastnostem kotle pro spolehlivé odvedení potřebného výkonu kotle a na vstupu chladicí vody musí být zabudována tepelná ochrana spínáním“ (havarijní termostatický ventil).

Jako možné řešení se navrhuje použít tepelnou ochranu vytvořenou spínáním přívodu studené chladicí vody v kombinaci s vestavěným výměníkem tepla zabudovaným v kotli (zásobníkové nebo průtokové ohřívače vody).

Výměník tepla pro bezpečnostní zařízení nemusí být vždy zabudovaný přímo do kotlového tělesa. Například u většiny litinových kotlů to je prakticky nemožné. V tomto případě musí být výměník instalován na výstupním potrubí co nejblíže ke kotli. Nicméně u kotlů s ručním přikládáním, pokud výrobce nevyloučí jejich instalaci v uzavřené soustavě, se má dle ČSN EN 303-5 za to, že externí výměník je i v tomto případě pevnou součástí zdroje a jeho funkčnost se ověřuje při certifikaci. Výrobce musí v průvodní technické dokumentaci popsat instalaci a způsob použití konkrétního pojistného zařízení, se kterým byl kotel certifikován. Musí uvést provozní rozsahy teploty a přetlaku chladicí vody.

Jiná řešení nejsou vyloučena za předpokladu, že splňují požadavky na ochranu a bezpečnostní požadavky popsané výše.

Hodně diskuzí vyvolalo definování požadavku na funkčnost bezpečnostního zařízení bez vnější energie. Na základě jednání výrobců se zástupci autorizované osoby provádějící certifikaci (SZÚ Brno) byl většinově přijat názor, že je myšlena především nezávislost na elektrické energii. Tedy, že spínací pojistný ventil musí být termostatický a jeho otevření závislé pouze na teplotě otopné vody ve zdroji tepla (nejčastěji 95 °C). Nelze však pominout hlasy, že požadavek na minimální tlak chladicí vody je také v podstatě požadavkem na vnější energii dodávanou soustavou, na kterou je přívod chladicí vody napojen. Pokud by byl jako zdroj chladicí vody z tohoto důvodu „vyřazen“ například vodovodní řad, bylo by prakticky nemožné ve většině domovních kotelen zajistit funkční zapojení dochlazování kotlů. To samé v podstatě platí pro tzv. domovní vodárny, které jsou jediným zdrojem vody v domě, ovšem k jejich dlouhodobé funkci je zapotřebí elektřinou poháněného čerpadla. Výrobce obecně neřeší všechny možné stavy. Je zde i odpovědnost projektantů a instalačních firem, kteří mají v konkrétních případech zvážit, zda vybavení kotle od výrobce je dostatečné.

Velice důležitým ustanovením normy ČSN EN 303-5 je konstatování, že všechna zařízení pro odvod přebytečného tepla, jsou přípustná jako součást zdroje tepla pouze u teplovodních kotlů se jmenovitým výkonem maximálně 100 kW pro neodpojitelnou soustavu, resp. se zbytkovým tepelným výkonem nejvýše 100 kW u kotlů s částečně odpojitelnou soustavou. U uzavřené soustavy se zdrojem o vyšším výkonu musí být bezpečnostní omezovač teploty instalován individuálně na výstupním potrubí co nejblíže ke zdroji tepla v souladu s ČSN EN 12828.

Normativní požadavky pro lokální zdroje tepla

Na mysli mám krbová kamna (ČSN EN 13240), krbové vložky a kachlová kamna (ČSN EN 13299), varné spotřebiče (ČSN EN 12815), které mají zabudovaný ohřívač k ohřevu užitkové vody nebo vody k ústřednímu vytápění. Vzhledem k jejich použití (rozdělení výkonu na sálavou a teplovodní složku) často jejich výměník nedosahuje takové velikosti, aby bylo dosaženo limitní hodnoty součinu PS · V > 50 ve smyslu směrnice Rady 97/23/ES. Proto nemusí být u všech těchto lokálních zdrojů jejich součástí bezpečnostní zařízení proti přehřátí vody. A i když má spotřebič z výroby vestavěný bezpečnostní výměník zajišťující ochranu proti přehřátí, o jeho zapojení často rozhoduje projektant, protože ten stanoví pro celou otopnou soustavu maximální provozní přetlak, který je při minimálním objemu otopné vody ve výměníku často limitující. Proto se také normy, „řešící“ tyto lokální zdroje, zabývají povinnou ochranou proti přetopení pouze okrajově.

Na úvod citovaných norem jsou v části věnované základním definicím uvedeny pojmy výměník zajišťující ochranu proti přehřátí (zařízení, které umožňuje uvolnění přebytku tepla ze spotřebiče) a pojistka proti přehřátí (mechanické zařízení řízené teplotou výstupní vody, které v okamžiku dosažení stanovené teploty otevírá odtok v teplovodní části výměníku zajišťujícího ochranu proti přehřátí). Část norem, která definuje požadavky na bezpečnost provozu zdrojů, se ochraně proti přetopení výměníku vůbec nevěnuje. Pouze v části věnované zkoušení je uveden postup zkoušky pojistky proti přehřátí. Tato zkouška se provádí ale pouze v případě, že pojistka proti přehřátí je součástí spotřebiče.

Způsoby řešení dochlazování

Jak již bylo uvedeno, normy umožňují několik technických řešení odvádění přebytečného tepla z výměníku zajišťujícího ochranu proti přehřátí. Nejčastějším, a také nejvhodnějším řešením, je průtokový trubkový výměník zabudovaný přímo v kotlovém tělese. Na vstupu do něj je umístěn termostatický ventil napojený na zdroj chladicí vody. Pokud je uveden do činnosti, pak ohřátá chladicí voda je odvedena do kanalizace. Toto řešení se používá především u ocelových výměníků, u kterých není problém integrovat tento výměník přímo při výrobě do vodního pláště kotlového tělesa. V kotelně nezabírá prakticky žádné místo. Největším problémem bývá překvapivě odvod ohřáté vody do kanalizace.

U lokálních topidel s výměníkem, která jsou umístěna v obytné místnosti, bývá instalace výměníku zajišťujícího ochranu proti přehřátí, přívodu chladicí vody a odvedení vody ohřáté problémem podstatně větším a často je příčinou toho, že i když by zdroj měl být provozován s „dochlazováním“, neboť splňuje podmínku PS · V je větší než 50, ve skutečnosti se bezpečnostní výměník nezapojuje.

Přímá integrace průtokového výměníku, zajišťujícího ochranu proti přehřátí, není možná u velké části litinových kotlů. Proto je nutné hledat jiné řešení. Nejvhodnějším je umístění dochlazovacího výměníku těsně za kotlem na výstupním potrubí. Toto řešení však není tak účinné (horší promývání kotlového tělesa ochlazenou otopnou vodou) a zabírá v kotelně podstatně více místa.

U některých výrobců se objevilo řešení sice účinnější, avšak velice kontroverzní. Je to způsob ochlazování otopné vody přímým dopouštěním chladicí vody do otopné soustavy při použití dvoucestného termostatického ventilu. Jedna „cesta“ ventilu zabezpečuje propojení chladicí vody s vratným potrubím otopné vody, druhá „cesta“ zajišťuje volný průtok výstupní otopné vody z výměníku a současně umožňuje odtok přebytečné vody do kanalizace v případě chlazení. Po překročení kritické teploty otopné vody ve výstupním potrubí se cesty otevřou, do vratného potrubí je přimíchávána chladicí voda a z dvoucestného ventilu je odváděna nadbytečná voda. Na první pohled elegantní řešení má několik závažných nedostatků. Především do přetopeného tělesa výměníku je přímo přiváděna studená voda, což může vést k poškození samotného výměníku. Prakticky nekontrolovatelným připouštěním neupravené chladicí vody dochází k neustálé změně vlastností otopné vody. To podstatně zhoršuje dodržení podmínek pro kvalitu otopné vody dle ČSN 077401, v případě použití nemrznoucí směsi to prakticky vylučuje vypouštění přebytečné vody do běžné kanalizace. Rovněž je nutné zajistit, aby tlak vody ve vodovodu byl vyšší než tlak v otopné soustavě a tato podmínka nemusí být v kritickém okamžiku splněna.

Po zavedení povinnosti používat bezpečnostní dochlazování u malých zdrojů tepla na pevná paliva se jistou dobu vedly odborné diskuze na různých úrovních o tom, jak nám tato evropská direktiva výrazně zkomplikovala život. Pro výrobce kotlů byl nepříjemný fakt, že povinná bezpečnostní výbava zdražila kotle v řádech několika tisíc korun. U mnoha instalatérských firem po jistou dobu převládal názor, že pokud to fungovalo před direktivou, bude to bez dochlazování fungovat i po ní a firmy bezpečnostní výměníky nezapojovaly (zvláště v hůře přístupných kotelnách). V současné době vídám v kotelnách nefunkční dochlazování především u litinových kotlů, u kterých je nutné instalovat externí průtokový ohřívač, což podstatně zdražuje instalaci (ohřívač nebývá v ceně kotle). Stále více se také objevují kombinované kotle se samočinnou dodávkou paliva (automatické), které umožňují také topení s ručním přikládáním. Automatické kotle samozřejmě jako zdroje pro odpojitelnou otopnou soustavu do­chlazování mít nemusí, avšak v případě, že obsluha v kotli topí také v „ručním režimu“, je již instalace bezpečnostního zařízení nutná.

K dosažení nebezpečného provozního stavu nemusí dojít pouze v případě výpadku elektrické energie (vyřazení oběhového čerpadla) nebo při náhlém výpadku odběru tepla (současné uzavření několika termoventilů na otopných tělesech). Nejčastější variantou je běžné přetopení kotle. Stačí komín s velkým tahem, otopná soustava s malým objemem vody a špatná obsluha kotle.

Absence povinných bezpečnostních prvků je jednou z hlavních příčin poruch kotlů, případně krbů a kamen s teplovodním výměníkem, jejichž náprava není levná. Je rovněž důvodem k odstoupení pojišťoven od vyplacení pojistného plnění v případě pojistné události. Pokud dojde jen ke škodě finanční, lze ji nahradit. Důvodem, proč byla zpřísněna legislativa, je především ohrožení lidského života. Je nutné mít na paměti, že k použití pevných paliv často přechází i lidé, kteří nemají vícegenerační zkušenosti s těmi to palivy, jako v dřívějších dobách.

Dodatek recenzenta

Nejčastějším zařízením je bezpečnostní (dochlazovací) výměník tepla, který je přímo instalován v kotli. V případě překročení teploty v kotli, je přes termostatický pojistný ventil do tohoto výměníku přivedena studená voda, která odvede přebytečné teplo do odpadu. Takto řeší toto bezpečnostní zařízení většina výrobců. V některých případech však není možno tento způsob ochrany použít a je nutno nalézt řešení jiné. Tato řešení již byla popsána v minulosti, např. akumulační zásobník – ten však není možno použít pro provozní akumulaci tepla. Další možnost je vyhrazení části otopné soustavy, která je schopna pracovat se samotížným provozem. Čerpadlo tohoto okruhu je přemostěno elektrickým ventilem, který je při běžném provozu uzavřen. Při výpadku elektrického napájení se ventil pomocí pružiny otevře a umožní samotížnou cirkulaci otopné vody pro odvedení přebytečného tepla z kotle.

Z praxe je samostatná kapitola kontrola funkce zařízení pro odvedení přebytečného tepla. Výrobce kotle předepisuje kontrolovat funkci bezpečnostního tepelného výměníku spolu s termostatickým ventilem před topnou sezonou podle předpisu výrobce ventilu. Ten je však kontrolován pouze ručním otevřením ventilu, nikoliv dosažením otevírací teploty. K této kontrole je nutno roztopit kotel na tuto teplotu a kontrolovat průtok chladicí vody výměníkem.

Důležitá je rovněž kontrola těsnosti termostatického bezpečnostního ventilu, protože jeho netěsnost může způsobit poškození sedla ventilu, zvýšenou spotřebu paliva. Proto je doporučeno instalovat před ventilem filtr a na výstupu trychtýř pro kontrolu případného úniku chladicí vody.

Poznámka redaktora

Jako moderní řešení bezpečnostního dochlazování zdrojů tepla na pevná paliva se jeví uplatnění záložního zdroje elektrické energie, které zajistí chod oběhového čerpadla po dobu, než výkon zdroje tepla poklesne tak, aby nemohlo dojít k překročení mezní teploty.

Normy EN 303-5 a ČSN EN 303-5 hovoří o tom, že bezpečnostní zařízení musí být schopné pracovat bez dodávky vnější energie. V tomto smyslu lze tedy energii akumulovanou v baterii považovat za „vnitřní energii bezpečnostního zařízení“. Analogií může být například mechanická energie spirály v servopohonech s havarijní funkcí, která po výpadku elektrické energie zajistí návrat servopohonu do havarijní pozice. Nejmodernější řešení servopohonů využívá k jejich nastavení do havarijní polohy akumulaci elektrické energie v kondenzátorech, která postačí na tuto časově omezenou činnost servopohonu. Uplatnění analogické formy ochrany teplovodních zařízení proti přehřátí se proto jeví jako možné.

Aby bezpečnostní zařízení, založené na záložním zdroji elektrické energie, bylo funkční a spolehlivé, musí v prvé řadě blokovat spuštění zdroje tepla, pokud nedisponuje dostatečným množstvím energie pro zajištění útlumu výkonu zdroje. Nemůže tedy jít jen o jednoduchou sestavu akumulátoru a měniče, který se uvede do provozu při výpadku elektrické sítě. Elektronika musí být schopna automaticky akumulátor dobíjet a ověřovat, zda je množství akumulované elektrické energie postačující. Většina akumulátorů s růstem nabíjecích cyklů ztrácí svou kapacitu, a i když jsou plně nabité, tak množství akumulované energie nemusí být dostatečné. Proto by bezpečnostní zařízení mělo být schopné ukončit provoz kotle i tehdy, kdy nejde o vznik havarijního stavu, ale když zjistí, že již nemůže zajistit svou funkci, neboť mu začíná docházet energie. Z výše uvedeného je vidět, že záložní zdroj elektrické energie, který by měl plně zajistit zdroj proti přehřátí, musí být vybaven řadou diagnostických funkcí.

Pokud by se použil náležitě vybavený záložní zdroj elektrické energie, tak se musí dále zajistit, aby teplo, odváděné z kotle, bylo využito. Podmínkou je, aby v navazující otopné soustavě byla k dispozici dostatečně velká teplosměnná plocha na otopných tělesech bez ventilů, které by bránily odvedení havarijního množství tepla. Tuto podmínku může splnit projektant vhodným návrhem.

Ještě zbývá povinnost zajistit dostatečně intenzivní cirkulaci otopné vody. V samotížné soustavě toto není problém, ale v soustavě s oběhovým čerpadlem k poruše čerpadla v nejméně vhodný okamžik dojít může. Co s tím? Nabízí se řešení, kdy projektant soustavy navrhne použít druhé záložní čerpadlo. Jinou možností je instalovat by-pass kolem čerpadla, který se uvede do provozu při výpadku činnosti čerpadla a rozvod dimenzovat jako částečně samotížný tak, aby alespoň zabránil přehřátí kotle.

Žádné řešení není absolutně bez vady. Autor na základě vlastních zkušeností potvrzuje, že i zajištění dostatečného tlaku chladicí vody může být problém, byť je toto řešení preferováno. Provoz kotlů s ručním přikládáním byl ideální ve spojení se samotížně pracující otevřenou otopnou soustavou, ve které teplota otopné vody nemohla stoupnout na kritickou teplotu. Pokud se modernizuje část otopné soustavy na straně předávání tepla do místností, měl by se přiměřeně tomu modernizovat i zdroj tepla. Tak, aby obě strany byly v rovnováze nejen z hlediska poptávky a nabídky tepla, ale i z hlediska technické úrovně, bezpečnosti, ekonomie a komfortu provozu. Vybočení z tohoto pravidla nutně vyžaduje instalaci doplňkových zařízení, jako je například ochrana proti přehřátí kotle.

---

Safety of cooling heat sources for solid fuel

The author deals with safety of solid ­fuels boilers in the event of overheating. Described are the requirements for boiler cooling and possible technical solutions. Safety equipment must operate even when power failure.

Keywords: solid fuels boilers, boiler overheating, safety equipment