Kolik pevného paliva lze ročně ušetřit výměnou zdroje tepla

ekonomika a obchod

kotle a kotelny

tradiční zdroje energie

Autor příspěvku, na základě dlouholetých praktických zkušeností, vysvětluje některé důvody, které vedou k jiné, než teoreticky spočtené, úspoře paliv při výměně starého odhořívacího kotle (ručně přikládaného) za kotel automatický. Dále ve svém článku rozebírá vliv akumulace na účinnost zdroje tepla. Příspěvek by měl být poučný zejména pro ty, kteří se ve výpočtech předpokládaných úspor paliva řídí pouze výsledky měření účinnosti akreditovanými zkušebnami a neuvědomují si, že tato měření jsou prováděna za zcela ideálních podmínek, které jsou však v reálném provozu nedosažitelné.

Recenzent: Zdeněk Číhal

Závislost spotřeby paliva na účinnosti zdroje

Se vzrůstající cenou energií se za posledních 15 let výrazně zvýšily nároky na ekonomii provozu malých teplovodních kotlů na pevná paliva. A to nejen legislativně. Především běžný občan počítá každé kilo paliva, které musí v topné sezóně „vhodit“ do svého kotle. Při rozhodování, jaký nový zdroj tepla si pořídit, vedle ceny kotle stále více rozhoduje také jeho účinnost. Protože logika věci říká, že čím vyšší účinnost, tím nižší by měla být spotřeba paliva, a tedy i roční náklady na vytápění. Že to tak úplně není, se dozvíme v následujících řádcích.

Na téma reálné účinnosti kotle a účinnosti výrobcem deklarované (v propagačních materiálech či na výrobním štítku) by se dal napsat samostatný článek. Nicméně předpokládejme, že starý (ručně přikládaný) odhořívací kotel nahradíme moderním automatickým kotlem. Desítky let starou technologii spalování s reálnou provozní účinností na hranici 60 % nahradíme technologií relativně moderní (první retortový hořák byl například patentován již roku 1838) s provozní účinností vyšší jak 80 %. Předpokládali bychom tedy také více jak 20 % roční úsporu paliva.

Celková roční spotřeba paliva je dána primárně účinností zdroje. Závislost spotřeby paliva na výrobu 1 GJ energie na účinnosti zdroje pro nejrozšířenější pevná paliva je zachycena v přiložených grafech.

Graf 1 • Závislost spotřeby paliva na účinnosti zdroje pro biomasu v běžné kvalitě (výhřevnosti) – pilina, štěpka (12,5 MJ·kg^–1), tvrdé dřevo (14 MJ·kg^–1), měkké dřevo (14,5 MJ·kg^–1), rostlinné pelety (16 MJ·kg^–1), dřevní brikety, pelety (17 MJ·kg^–1)

Graf 2 • Grafická závislost spotřeby paliva na účinnosti zdroje pro nejrozšířenější fosilní pevná paliva běžné kvality (výhřevnosti) – hnědé uhlí (HU), černé uhlí (ČU), koks

V grafech uvedené hodnoty spotřeby paliva jsou vypočítány pro průměrné výhřevnosti uvedených paliv, které se mohou samozřejmě podle kvality konkrétního paliva různě lišit. Pokud známe přesnou výhřevnost paliva Q [MJ·kg^–1], pak jeho spotřebu na výrobu 1 GJ energie m_GJ [kg] při známé účinnosti zdroje h [%] získáme ze vztahu

Z rovnice je zřejmé, že spotřeba paliva je nepřímo úměrná účinnosti zdroje, čehož „důsledek“ je znázorněn v grafu 3, ve kterém je mimo jiné zaznamenán náš modelový příklad, kdy je navýšena účinnost zdroje z původních 60 % na novou účinnost 80 % (červený sloupec). Ač se účinnost zvýšila o 20 %, teoretická spotřeba paliva by se podle grafu měla snížit dokonce o 25,2 %. To vše samozřejmě platí pro stejné množství vyrobeného tepla. Z vlastní praxe však vím, že tomu tak v mnoha případech není. Více jak 15 let se zabývám výměnou starých (ručně přikládaných) kotlů tříd 1 a 2 za moderní automatické kotle. Samozřejmě, díky zpětné vazbě na zákazníky, zjišťuji, jaké úspory ve spotřebě paliva jim výměna zdroje přinesla. A velice často zjišťuji, že reálné úspory jsou mnohdy výrazně nižší, než byl původní předpoklad. Odpověď na tuto zapeklitou otázku může být, zdá se, relativně jednoduchá.

Graf 3 •

Jak jsem již napsal, celková roční spotřeba paliva je primárně dána účinností zdroje, ale sekundárně hraje velkou roli, vedle technologie spalování, také „technologie vytápění“. Kotle s ručním přikládáním jsou provozovány v cyklech, které jsou dány spíše než energetickými potřebami vytápěného objektu časovými možnostmi obsluhy. U běžné pracující rodiny začíná zatápění po příchodu z práce (zpravidla po 15. hodině) a poslední přiložení proběhne před ulehnutím ke spánku. Řádově tak na obsluhu kotle připadá 7 až 9 hodin, za které se stihne přibližně 3× přiložit „doplna“. Násypná šachta běžného 24kW odhořívacího kotle má „tabulkový“ objem do 50 litrů, v praxi využitelných je okolo 40 (nelze přiložit až po dvířka). Z toho řádově 15 litrů při dohořívání paliva tvoří základní vrstva (žhavý základ), takže na jedno přiložení lze reálně do násypné šachty přidat 25 litrů nového paliva, což odpovídá u hnědého uhlí váze 14 až 16 kg. Denně tak lze reálně spálit v odhořívacím kotli v popsaném obslužném režimu okolo 50 kg uhlí (pokud extrémní mrazy nenutí přikládat i v průběhu noci).

Kotle se samočinnou dodávkou paliva jsou schopny topit 24 hodin denně v ustáleném provozním režimu. Pokud vezmeme běžný den v topné sezóně s celodenním průměrným požadavkem na výkon zdroje 8 kW, pak u automatického kotle s účinností 80 % to představuje hodinovou spotřebu na hranici 2 kg (hnědé uhlí), což je 48 kg za den. Takže v průběhu pracovního dne se spotřeby odhořívacího a automatického kotle reálně až tak moc lišit nemusí. Nesrovnatelný je ovšem rozdíl v tepelné pohodě ve vytápěném objektu. Ve dnech volna, kdy se provozní hodiny odhořívacího kolte prodlužují, se sice ­vyrovnává tepelná pohoda, ale na­opak roste zase rozdíl ve spotřebě. Nicméně u kotlů s ručním přikládáním lze celkovou spotřebu nakupovaného paliva snížit občasným mixem s „neevidovanými“ palivy. Jednak se pro zátop používá jistého množství dřeva, kterého je relativně málo a často se na něj v bilančních výpočtech zapomíná. Díky možnosti ručního přikládání však také v násypce kotle skončí spousta spalitelných „produktů“ chodu domácnosti.

Z mé osobní zkušenosti se ve výše popsaném případě výměny starého prohořívacího kotle za kotel automatický na hnědé uhlí pohybuje roční úspora paliva v průměru do 15 %, ač by se teoreticky měla pohybovat spíše k 25 %. Současně jsem naznačil jednu z příčin tohoto jevu. Čím více se blíží provozní doby srovnávaných kotlů, tím více se blíží úspora paliva teoretické hodnotě.

Vliv akumulace tepla

Velice diskutovaným problémem je vliv akumulace tepla na účinnost zdroje, a tím i na spotřebu paliva. Nebudu se pouštět do velkého teoretizování, ale problém popíši opět na výše popsaném modelovém případě.

Teoretická účinnost (uváděná výrobcem) běžného odhořívacího kotle se pohybuje na hranici 75 %. Dosaženo je jí při certifikaci v laboratorních podmínkách – v ideálně roztopeném kotli, s ideálním palivem, při několikahodinovém ustáleném provozu bez nutnosti regulace výkonu jednoduchou regulací přívodu spalovacího vzduchu, při optimálně nastaveném komínovém tahu, a tedy i za vhodného přebytku vzduchu. Těchto podmínek nelze v běžném provozu dlouhodobě dosáhnout. Proto je průměrná provozní účinnost podstatně nižší (cca 60 %) – jenom na komínové ztrátě lze bez problémů účinnost srazit o 10 až 15 % (vysoká teplota spalin, velký přebytek vzduchu). Napojením takovéhoto kotle na akumulační nádrž lze vyloučit nutnost regulace výkonu nedokonalým škrcením přívodu spalovacího vzduchu, ke kterému v běžném provozu dochází v okamžiku, kdy roztopený kotel „dorovnal“ deficit tepla ve vychladlém objektu. V ideálním případě může být rozdíl v účinnosti takto provozovaných zdrojů okolo 10 %, což při pohledu na graf 3 odpovídá teoretické úspoře paliva 14 %.

Na kotel provozovaný v akumulačním režimu můžeme, z pohledu distribuce tepla do vytápěného objektu, pohlížet jako na automatický kotel, protože teplo akumulované v zásobníku, je při správně nadimenzované otopné soustavě distribuováno dle potřeby po celých 24 hodin. Nesporně je tak při přerušovaném provozu zdroje, díky akumulaci, dosaženo nesrovnatelně vyššího tepelného komfortu. Ovšem v případě shodné provozní doby kotlů v průběhu pracovního dne k výrazným úsporám spotřeby paliva z již výše popsaných důvodů dojít nemůže. Úspory se začnou projevovat v případě, kdy se prodloužením provozní doby začne srovnávat i tepelná pohoda ve vytápěném objektu. Celkově tak akumulačním provozem můžeme reálně uspořit 5 až 10 % paliva. Zdůrazňuji, že se jedná o srovnání stejných technologií spalování. Záměnou ručně přikládaného odhořívacího kotle za ručně přikládaný zplyňovací kotel, který je provozovaný navíc v akumulaci, lze docílit samozřejmě větších úspor díky rozdílné provozní účinnosti rozdílných technologií spalování.

Co se týče automatických kotlů, tady je situace poněkud složitější. Jedná se o zdroje tepla s regulovatelným výkonem v rozmezí 30 až 100 % výkonu jmenovitého, přičemž v celém výkonovém rozsahu rozdíl v účinnosti kotle nepřesahuje zpravidla hranici 5 %. Pokud je kotel napojen na otopnou soustavu bez akumulace, může se jeho výkon podle potřeby v jistém rozmezí modulovat, nicméně dochází k jeho občasnému odstavení do útlumového režimu, podobně jako je tomu v případě provozu plynových kotlů. Během odstávky částečně vychladne spalovací komora (vyzdívka), u speciálních peletových kotlů většinou dojde k vyhoření základní vrstvy paliva na roštu, takže při novém náběhu kotle je nutné zapálit palivo pomocí pomocného elektrického zdroje. Každý přechod do útlumového stavu a nový náběh do provozu je tak spojen s několikaminutovými přechodovými fázemi v provozu, kdy dochází nesporně k vyšší produkci škodlivých emisí (které jsou ovšem nesrovnatelné s emisemi obyčejných kotlů).

V případě zapalování paliva pomocnými zdroji je navíc, po dobu několika minut, značně zvýšen celkový elektrický příkon kotle (příkon „zapalovače“ bývá 500 až 1500 W). V běžném prozním režimu může kotel pracující bez akumulace „absolvovat“ i 20 až 30 útlumových stavů v průběhu 24 hodin. V případě zapojení do otopné soustavy s akumulací se počet odstávek redukuje až desetinásobně. Co se týče úspory paliva, rozdíl může být maximálně v řádu procent, tedy zanedbatelný. U těchto zdrojů tepla je ovšem, dle mého názoru, požadován až ­extrémně „nízkoemisní“ provoz. V tomto případě akumulační provoz nesporně redukuje emisně nepříznivé přechodové stavy. Význam akumulace se zvyšuje u peletových kotlů s pomocnými zapalovači. Při náběhu hořáku je nová základní vrstva paliva zapalována i několik minut, což při 20 cyklech za den znamená více jak hodinový provoz přídavného elektrického zdroje. Jednak to reálně snižuje celkovou energetickou účinnost zdroje, ale má to svoji nevýhodu i z provozního hlediska. Časté spouštění zapalovače (nahřívání topného tělesa) značně snižuje jeho životnost.

How much solid fuel can be saved annually in exchange heat source

The author explains some of the reasons that lead to other than the theoretically calculated fuel savings when replacing old manually applied boilers for automatic boiler. Furthermore analyzes the impact of the accumulation of heat on efficiency.