Energetické štítky zdrojů tepla a ohřívačů vody – 2. část – dokončení

V úvodní části autor stručně uvedl legislativní kroky, na jejichž základě vznikla povinnost energetického štítkování, příklady energetických štítků, vysvětlil význam jednotlivých údajů na nich uvedených a kritéria pro stanovení třídy energetické účinnosti (viz Topin č. 3/2015).
V této druhé části se autor zabývá porovnáním zdrojů tepla ve vztahu k jejich celkové účinnosti. Uvádí vzorce pro výpočet ztrát a příklady výpočtu. Dále se zabývá volbou zdroje se zaměřením na plynové kotle s ohledem na nákladově optimální variantu řešení.

Recenzent: Michal Kabrhel

Jaké problémy vyplývají pro technologicky starší provedení zdrojů tepla?

Podle Nařízení č. 813/2013 musejí mít všechny kotle na plynná a kapalná paliva minimální účinnost 86 % (platí pro kotle do 400 kW). Výjimku tvoří kotle typu B1 £ 10 kW a kombi typu B1 £ 30 kW, ty musejí splnit minimální účinnost 75 %. Tzn. výrazný problém v případě klasických „konvenčních“ kotlů.

Kotlem typu B1 (pouze VYT) nebo kombinovaným kotlem typu B1 (VYT + TV) se rozumí palivový kotlový ohřívač pro vytápění vnitřních prostorů vybavený komínovou klapkou, který má být připojen ke kouřovodu s přirozeným tahem odvádějícím zplodiny spalování ven z místnosti s palivovým kotlovým ohřívačem, a který nasává spalovací vzduch přímo z místnosti. Důležité také je, že takovýto kotel může být uváděn na trh pouze jako kotel typu B1!

Z pohledu provozu je důležité, aby každý kotel pracoval s nejvyšším možným stupněm využití a s co nejdelší životností. Životnost kotle je dána jeho správným provozem. Obecně platí, že u klasických kotlů je největším problém tzv. nízkoteplotní koroze. Nízkoteplotní koroze je v podstatě vznik kondenzace vodní páry ve spalinách na povrchu teplosměnné plochy výměníku kotle. Tento jev vzniká samozřejmě při tzv. zátopu, chladnutí nebo i při nevhodném provozování klasického kotle. Nejdůležitějším parametrem, který ovlivňuje vznik nízkoteplotní koroze, je teplota otopné vody (tzv. teplota rosného bodu spalin) ve výměníku tepla v kotli. Vzniklý kondenzát na straně spalin je poměrně agresivní látka z pohledu korozivního působení na materiál výměníku, což ovlivní životnost klasického kotle. Z pohledu klasického kotle je proto nutné omezit vznik nízkoteplotní koroze vhodným technickým opatřením na minimum. Základní princip možného opatření ukazuje obr. 4.

Instalací např. směšovací armatury (obr. 4) nebo přepouštěcího ventilu či čtyřcestné klapky apod. dochází k udržování konstantní teploty vratné větvě do kotle (t₂) bez závislosti na charakteru odběru tepla ve spotřebitelském okruhu (OS). To umožňuje udržovat teplotu t₂ nad teplotou rosného bodu.

Naproti tomu nízkoteplotní kotel je zařízení, které takovouto ochranu nepotřebuje. Nízkoteplotní kotel je z výroby uzpůsoben tak (např. bypass mezi výstupem a vstupem do kotle, konstrukce tahů kotle apod.), aby v žádném případě nedocházelo k poklesu povrchové teploty teplosměnné plochy kotle pod teplotu rosného bodu spalin. Nízkoteplotní kotel je tak zařízení, které dokáže automaticky pracovat s nízkou teplotou vratné vody, aniž by docházelo k nízkoteplotní korozi kotle. Teoreticky se dá říci, že opatřením dle obr. 4b lze docílit provozu typického pro nízkoteplotní kotel.

Kondenzační kotel je zařízení, které využívá latentního (kondenzačního) tepla spalin. Tudíž je u něj kondenzace vodních par, obsažených ve spalinách, žádoucí k dosažení jeho vysokého normovaného stupně využití. Důvodem, proč je u kondenzačních kotlů normovaný stupeň využití vyšší než 100 %, je jeho způsob výpočtu, který je vztažen k tzv. výhřevnosti použitého paliva, ale využití kondenzačního kotle je samozřejmě ve využití spalného (celkového) tepla. Zisk tepelné energie kondenzačního kotle, ve srovnání s klasickým nebo nízkoteplotním, nevychází výlučně ze zisku kondenzačního tepla, ale z podstatné části z nízké tepelné ztráty spalinami. Porovnání dosahovaného stupně využití v závislosti na zatížení klasického, nízkoteplotního a kondenzačního kotle ukazuje obr. 5.

Základním úkolem zdroje tepla (kotle) je přeměna energie obsažené v palivu na tepelnou energii. Podle zákonů termomechaniky je jasné, že se jedná o nevratný děj, a to znamená, že při přeměně formy energie dochází k ztrátám. Celková tepelná účinnost kotle se skládá z jednotlivých ztrát. Vyhláška č. 194/ 2013 Sb. o kontrole kotlů a tepelných rozvodů stanovuje v příloze č. 1, že účinnost kotle se zjišťuje přímou nebo nepřímou metodou. Přímá metoda spočívá ve stanovení množství tepla předaného teplonosné látce k množství tepla přivedeného do kotle palivem a vzduchem ve stejném časovém úseku.

kde

• Q_výstup  – teplo přivedené do kotle za čas Dt [J·s^–1],
• Q_vstup – teplo předané páře nebo vodě [J·s^–1],
• M_v – množství vyrobené vody nebo páry za čas [kg·s^–1],
• c_v – střední měrná tepelná kapacita [J·kg^–1·K^–1],
• t_v1 – výstupní teplota vody z kotle [K],
• t_v2 – vstupní teplota vody do kotle [K],
• M_paliva – množství paliva přivedené do kotle za čas [jednotka·s^–1],
• H_u,paliva – výhřevnost paliva [J·jednotka^–1].

Vzorec (1) je upraven tak, že je v energii přivedené do kotle zanedbáno fyzické teplo paliva a teplo přiváděné spalovacím palivem. Tyto hodnoty jsou v porovnání s teplem, které je chemicky vázané v palivu, zanedbatelné a počítá se s nimi pouze v případě ohřevu paliva anebo vzduchu pomocí cizího zdroje (ne ve vlastním kotli). V případě parních kotlů se pracuje ve výpočtu vyrobeného množství tepla s entalpiemi.

U kotlů na tuhá paliva bývá největší problém s dostatečně přesným stanovením spotřeby paliva. Neboť jsou často na kotlích instalovány mezizásobníky paliva apod. U malých kotlů je problém zejména s určením tzv. „základní vrstvy“ hořícího paliva na počátku a na konci měření účinnosti. Díky tomuto faktu je přímá metoda velmi často zatížena značnou chybou měření a výhodnější je pro stanovení účinnosti použít nepřímou metodu měření. Při certifikaci malých teplovodních kotlů (ČSN EN 303-5) je vyžadováno stanovení účinnosti přímou metodou. Další nevýhodou přímé metody je u lokálních zdrojů tepla (krby, kachlová kamna apod.) nemožnost zahrnutí tepelných ztrát z povrchu kotle, které přispívají do tepelné bilance místnosti, do výpočtu celkové účinnosti kotle.

Nepřímá metoda je založena na stanovení jednotlivých ztrát. Vyhláška č. 194/2013 Sb. v příloze č. 1 přímo odkazuje na ČSN 07 0305 – Hodnocení kotlových ztrát. Postup nepřímé metody je založen na analýze jednotlivých ztrát, což může poskytnout informaci o jejich potenciálním snížení (rezervách), a tedy o možnostech zvýšení účinnosti kotle (tuto informaci účinnost stanovená přímou metodou neposkytne).

Princip výpočtu je založen na tom, že teoretická účinnost ideálního kotle je 100 % a pro reálný kotel je pak snížena o jednotlivé ztráty. Matematicky lze vzorec zapsat ve tvaru

kde

• Z_i – poměrná celková ztráta kotle [%],
• Z_c – poměrná ztráta způsobená únikem hořlaviny v tuhých zbytcích [%],
• Z_CO – poměrná ztráta způsobená únikem hořlaviny ve spalinách [%],
• Z_f – poměrná ztráta způsobená únikem tepla v tuhých zbytcích [%],
• Z_k – poměrná ztráta způsobená únikem tepla ve spalinách (komínová ztráta) [%],
• Z_sv – poměrná ztráta způsobená odevzdáním tepla do okolí [%].

Podrobný výpočet tepelných ztrát únikem hořlaviny v tuhých zbytcích, ve spalinách a únikem tepla v tuhých zbytcích lze nalézt v odborné literatuře. Tyto tepelné ztráty se týkají zejména zdrojů na tuhá paliva. U ostatních kotlů spalujících plynná nebo kapalná paliva jsou buď velmi malé ve srovnání s komínovými ztrátami a ztrátou odevzdáním tepla do okolí, nebo se u nich nevyskytují.

Poměrná ztráta odevzdáním tepla do okolí souvisí se sdílením tepla z povrchu kotle. Právě u lokálních topenišť či zdrojů tepla se vlastně nejedná o tepelnou ztrátu, ale tepelný zisk. Přesný výpočet je velmi zdlouhavý a pro praxi se využívají spíše nomogramy uvedené v normě ČSN 07 0305 nebo empirický vztah.

• kde
• P_m – jmenovitý výkon kotle [W],
• P – skutečný výkon kotle [W].

Nejvýznamnější tepelnou ztrátou při spalování je tepelná ztráta způsobená únikem tepla ve spalinách neboli komínová ztráta. Její velikost je přímo úměrná rozdílu teplot mezi přiváděným vzduchem pro spalování a teplotou spalin. Teo­retický výpočet lze provést jako

kde

• V_spalin – objem spalin [m^–3_·kg^–1],
• c_s – střední měrná tepelná kapacita spalin [J·kg^–1·K^–1],
• t_spalin – teplota spalin na výstupu z kotle [°C],
• t_vz – teplota vzduchu na vstupu do kotle [°C],
• H_u,paliva – výhřevnost spalovaného paliva [J·m^–3].

Přesné stanovení objemu spalin a stejně tak jeho chemického složení je velmi složité a pro praxi téměř nepoužitelné (nomogramy, polynomické rovnice apod.) Při standardním provozu kotle je rozhodující pro výslednou účinnost kotle komínová ztráta (je obvykle největší ze všech ztrát). Norma ČSN 07 0305 uvádí zjednodušený výpočet dle Siegerta, který vychází s koncentrace CO₂ ve spalinách. Vztah lze vyjádřit jako

kde

• w_CO2 – obsah CO₂ ve spalinách [%],
• K₁ – konstanta dle druhu paliva (viz tabulka 4) [–].

Příklad stanovení účinnosti klasického plynového kotle

Jaká bude účinnost klasického plynového kotle, který má jmenovitý tepelný výkon 38 kW? Při měření byl zjištěn skutečný výkon 30,5 kW a naměřeny hodnoty teploty spalin 232 °C, teploty spalovacího vzduchu 15 °C a obsah CO₂ ve spalinách 6,8 %.

Dosazením do vztahu (3) lze vypočítat poměrnou ztrátu odevzdáním tepla do okolí jako

Dosazením do vztahu (4) lze vypočítat komínovou ztrátu jako

Ostatní poměrné tepelné ztráty můžeme u tohoto plynového kotle zanedbat. Na základě výpočtů tak lze konstatovat, že byla naměřena účinnost plynového kotle 83,2 %. To odpovídá na otázku týkající se splnění Nařízení č. 813/2013.

Pokud bychom teoreticky dokázali ten samý plynový kotel provozovat jako kondenzační, jak by se změnila hodnota účinnosti? Pokud bychom uvažovali teplotu spalin např. 65 °C, pak by komínová ztráta kotle byla

Celková účinnost plynového kotle v režimu kondenzace by pak byla cca 95 %. To potvrzuje, že přínos kondenzačního kotle, ve srovnání s klasickým nebo nízkoteplotním, nevychází výlučně ze zisku kondenzačního tepla, ale z podstatné části i z nízké tepelné ztráty spalinami.

Je nejlepší navrhovat pouze kondenzační kotel?

Návrh zdroje tepla musí v první fázi respektovat možnosti použitého paliva a požadavky na odběr tepla (centrální zásobování teplem, lokální otopná soustava, příprava teplé vody, technologie apod.). Zejména na základě požadavků na teplotní parametry teplonosné látky lze uvažovat o správném typu kotle. Z obr. 5 je zřejmé, že maximálního stupně využití lze dosáhnout u kondenzačních kotlů v případě provozu kotle na nižších hodnotách vytížení. Proto je vhodné předimenzování kondenzačního kotle tak, aby větší část svého provozu pracoval s největším stupněm využití. Na druhou stranu tuto myšlenku je nutné chápat velmi obezřetně, protože každý kotel má minimální (startovací) výkon. Jeho velikost je závislá na konkrétní konstrukci hořáku a teplosměnné plochy kotle. Standardně se pohybuje mezi 10 až 35 % jmenovitého tepelného výkonu kotle.

Příklad volby zdroje tepla z pohledu dosažení nákladově optimální úrovně

Objekt má tepelnou ztrátu 35 kW a zdroj tepla bude provozován výhradně pro potřeby vytápění objektu. Základním parametrem pro volbu zdroje tepla je samozřejmě hledisko pokrytí potřeby tepla. Nicméně při volbě je vhodné zohlednit další parametry:

a) Průběh potřeby tepla v otopném období

Z obr. 6 je zřejmé, že vypočtená tepelná ztráta objektu 35 kW je stanovena pro venkovní výpočtovou teplotu t_ev = –12 °C. Délka otopného období pro lokalitu Praha je cca 225 dnů.

Pokud by námi vybraný kotel např. kondenzační plynový o jmenovitém tepelném výkonu 60 kW měl minimální výkon cca 21 kW, znamenalo by to sice, že kotel bude pracovat s nižším vytížením a tudíž s lepším stupněm využití (obr. 5), ale také to znamená, že při venkovní teplotě vyšší než +8,5 °C by potřeba tepla na vytápění objektu byla nižší, než je minimální výkon takto navrženého zdroje tepla. To představuje výrazný problém s provozem kotle, protože by podle obr. 6 docházelo cca 50 až 60 dní v otopném období k neustálému cyklování chodu kotle (krátkodobé spínání a vypínání kotle), což by se projevilo jednak na zhoršení stupně využití a emisní zátěži kotle do okolí, ale také na životnosti jednotlivých komponent kotle (hořák, spínací automatika, apod.).

b) Požadavky na teplotu teplonosné látky

Pokud je otopná soustava navržena na teplotní spád např. 75/65 °C (teplota přívodní vody do otopných ploch / teplota vratné vody do kotle), není vhodné navrhovat kondenzační kotel, u kterého je požadavek na co nejnižší teplotu vratné vody do kotle k vytvoření co nejlepších podmínek pro kondenzaci vodních par obsažených ve spalinách. Nicméně i zde je důležité znát průběh potřeby tepla během provozu zdroje tepla. V případě obr. 6 je jasné, že maximálních hodnot tepelných ztrát bude dosahováno pouze ve velmi malém časovém úseku v roce (cca 14 dní). Pokud má navržený kotel ekvitermní regulaci (tzn. regulaci teploty otopné vody v závislosti na geometrické venkovní teplotě), je zřejmé, že požadavek na projektovaný teplotní spád otopné soustavy bude požadován pouze oněch 14 dní v roce. S klesající venkovní teplotou vzduchu budou klesat i tepelné ztráty objektu a zároveň dle ekvitermní křivky bude klesat požadavek na teplotu otopné vody. Otázkou tedy zůstává, kdy bude požadavek na teplotní spád vyhovovat podmínkám pro kondenzační provoz kotle a jaký pak bude výsledný stupeň využití takovéhoto zařízení.

c) Investice do otopné soustavy

S bodem b) přímo souvisí zvážení investičních nároků otopné soustavy. Pokud bude striktně navrhován kondenzační kotel a projekt bude uvažovat tzv. nízkoteplotní otopnou soustavu (např. 55/40 °C, atd.), aby kotel pracoval vždy v kondenzačním režimu, pak důsledkem toho bude potřeba větší velikosti teplosměnné plochy ve srovnání se soustavou navrženou na teplotní spád 75/65 °C. To s sebou přináší vyšší investiční nároky na otopnou soustavu, a tím i také zvážení doby návratnosti investičních a provozních nákladů.

Literatura

1. DLOUHÝ, T.: Výpočty kotlů a spalinových výměníků. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2011. 212 s. ISBN 978-80-01-03757-7.
2. HORÁK, J., HOPAN, F., KRPEC, F., KUBESA, P., KOLONIČNÝ, J., OCHODEK, T.: Stanovení účinnosti kotlů. TZB-Info. [citace 2014-21-04]. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/ kotle-kamna-krby/11107-stanoveni- ucinnosti-kotlu
3. BAŠTA, J.: Od účinnosti ke stupni využití. In: VVI, 1999, roč. 8, č. 1. s. 24–27. ISSN 1210-1389.
4. Vyhláška č. 194/2013 Sb. o kontrole kotlů a rozvodů tepelné energie. 2013.
5. ČSN 07 0305. Hodnocení kotlových ztrát. 1984.

---

Energy labels by source of heat and hot water heater – part. 2

The article shows the consequences of the energy label for technologically older types of heat sources and describes the principle of choice from the viewpoint heat cost- optimal levels.

Keywords: Energy label, hot water, water heater, source of heat