Kondenzační kotle a praxe

Kondenzační kotel je moderní zdroj tepla, který maximalizuje využití energie obsažené v zemním plynu.

Na trhu jsou dostupné kondenzační kotle různých konstrukcí. Prokazují své výhody, pokud je kotel využit ve shodě s cílem, pro který byl vyvinut. V praxi je přehlížení tohoto faktu časté. Konstatování, že v kotelně bude použit kondenzační kotel, často investorům a budoucím uživatelům stačí. Zapomínají, že podobně jako se liší životnost a užitné vlastnosti osobního dodávkového auta kategorie pro občasné hobby použití, jehož životnost je plánována přibližně na 250 000 km, od technicky nejodolnější kategorie pro těžký provoz v distribuční firmě, kde 250 000 km může být limit pro první zásadní servis, stejně tak odlišné jsou i plynové kondenzační kotle.

Hromadná výroba kondenzačních kotlů pro nejčastější uživatele v rodinných domech umožnila významně snížit cenu. Tyto kotle jsou konstrukčně optimalizovány na provoz v zátěžovém profilu, daném průměrnými klimatickými podmínkami a s využitím pro jednu až dvě domácnosti. Vlivem poklesu jejich cen přestalo platit historií ověřené pravidlo, že jeden velký zdroj tepla je levnější, než stejně výkonný zdroj tepla poskládaný ze zdrojů malých. Pro výrobce produkující závěsné kotle malých výkonů se tím otevřel obrovský tržní segment kotelen středních a velkých výkonů. S podporou kaskádních regulací dnes není problém předat zákazníkovi kotelnu o výkonu 0,5 MW sestavenou i z 20 kotlů po 25 kW.

Kotelny s mnoha malými kotli byly konkurenceschopné, přesto se neprosadily. Odstup si od nich udržel především průmysl, ale významně se neprosadily ani v sektoru vytápění. Počet kotlů nad šest už většinu investorů odrazoval.

Na tuto skutečnost zareagovali výrobci. Vzhledem k dělbě práce při výrobě kotlů začala, u výrobců spalovacích komor a tepelných výměníků kotlů, narůstat poptávka po jednotkách s větším výkonem. Od nejčastějších přibližně 24 kW se postupně propracovali až k současné hranici okolo 130 kW. Zredukovali nutný počet závěsných kotlů na již přijatelný počet 4 kusů pro kotelnu do 0,5 MW a odstranili primární nedůvěru.

Souvislosti

Závěsné kotle jsou řešeny s malým vodním objemem, který stlačil poměr výkonu k vodní náplni i na 0,09 litr/kW. 130 kW kotel má vodní objem okolo 12 litrů. Konstrukčně přípustný teplotní spád na výměníku je obvykle 20 K. Množství vody protékající výměníkem kotle je:

v daných podmínkách

Přibližně 5600 litrů za hodinu a obsah výměníku se proto musí vyměnit každé 1,5 sekundy, protože jinak by došlo k tepelnému a následně i mechanickému přetížení teplosměnné plochy.

Vysoký průtok a intenzivní promíchávání vrstviček proudící vody jsou nutné nejen pro intenzifikaci přestupu tepla z teplosměnné plochy výměníku do otopné vody s cílem tuto plochu, a tedy výměník, vyrobit co nejmenší. Také proto, že maloobjemové výměníky – výměníky s malými délkovými rozměry, potřebují velmi rovnoměrné rozložení teplot působících na konstrukci výměníku po jeho délce. Jinak by jej mechanické pnutí v materiálu, vyvolané tepelnou roztažností a různou úrovní teplot v některém místě, zdeformovalo.

Nutnost splnit obě podmínky zmenšuje průtočný průřez výměníku, nebo jej prodlužuje. Výsledkem je vždy vyšší hydraulický odpor a nutnost instalace výkonnějších oběhových čerpadel s vyšší spotřebou elektrické energie.

V případě výměníků ze spirálovitě stočené oválné trubky může jít o potřebu příkonu čerpadla okolo 300 W na 100 kW výkonu kotle. Pro porovnání, u velkoobjemových kotlů je zapotřebí příkon asi poloviční.

Kondenzace není jediným zdrojem úspor

Moderní kondenzační kotle nedosahují úspor paliva pouze kondenzací vodních par ze spalin. Na úspoře zemního plynu se významně podílí také:

• optimalizace spalovacího procesu,
• široká modulace výkonu,
• řízení výkonu oběhového čerpadla s ohledem na provozní podmínky,
• ekvitermní regulace.

Konstrukční požadavky na kondenzační kotle

Nejvyšší rosný bod

Prvním požadavkem je dosažení co nejvyšší teploty rosného bodu. Čím vyšší je tato teplota, tím se zvětšuje teplotní pásmo, ve kterém vodní pára, vzniklá chemickou reakcí při spalování zemního plynu, může zkondenzovat a předat své teplo do otopné vody k dalšímu využití.

Čím je menší přebytek vzduchu ve spalovacím vzduchu, tím se teplota rosného bodu blíží ke svému maximu. Ke splnění je nutná dokonalá konstrukce hořáku, optimální a stálá hodnota směšovacího poměru plyn – vzduch. Řada výrobců proto řídicí elektroniku kotle doplňuje automatickou regulací spalování s čidlem sledujícím spalovací poměry, tzv. Lambda sondou.

Nejnižší teplota spalin

Druhým požadavkem je ochlazení spalin na co nejnižší teplotu. Základním předpokladem je protiproudý výměník s velkou teplosměnnou plochou. Při nižším tepelném zatížení kotle, tedy i výměníku, pak dochází k vychlazení spalin téměř na teplotu zpátečky kotle.

Kromě konstrukce výměníku ovlivňuje teplotu spalin i teplota zpátečky. Výměníky kondenzačních kotlů s malým vodním objemem mají jeden vstup pro zpátečku. Pokud se v otopné soustavě vyskytuje více okruhů, jsou jejich zpátečky smíchávány na jednu společnou teplotu.

Využití nižší teploty zpátečky z určitého okruhu umožňují některé kotle s velkým objemem. Mají dva oddělené přívody vratné vody. Zpátečky z okruhu přípravy teplé vody, vytápění, vzduchotechniky atp. jsou zaústěny do výměníku kotle tak, aby vždy spodní část výměníku zůstala v teplotách vhodných pro kondenzaci spalin. Tuto problematiku popisují obrázky 1, 2 a 3.

Obr .1 • Provoz kotle v teplotním spádu 80/60 °C, relativní účinnost 96 % (vztaženo k výhřevnosti). Voda ze zpátečky do výměníku vstupuje s teplotou 60 °C, která je vyšší než rosný bod. Proto vlhkost ve spalinách nekondenzuje a jde o nekondenzační režim.

Obr. 2 • Provoz kotle v teplotním spádu 50/30 °C (kondenzační režim), relativní účinnost 106 % (vztaženo k výhřevnosti). Voda do výměníku vstupuje s teplotou 30 °C a vystupuje s teplotou 50 °C. Při optimálním řízení procesu spalování leží obě teploty pod rosným bodem, vlhkost ve spalinách kondenzuje a jde o kondenzační režim.

Obr. 3 • Provoz kotle s dvojicí zpáteček. 90% průtok se nachází v teplotním spádu 80/60 °C a je veden do teplejší zpátečky HT. 10% průtok s teplotou zpátečky 30 °C je veden do chladnější zpátečky NT. Relativní účinnost 104 % (vztaženo k výhřevnosti). Velkoobjemové kotle se dvěma zpátečkami umožňují zvětšit rozsah kondenzace tím, že všechny zpátečky nesmíchávají na jednu společnou teplotu, ale využívají přínosu chladnějších.

Příklad a porovnání z praxe

Podívejme se na různá řešení kotelen ve velmi podobných čtyřech panelových domech v Táboritské ul. v Třeboni. Jedná se o osmipodlažní panelové domy s pěti bytovými jednotkami na podlaží. Domy byly komplexně zatepleny a vyměněna okna. Instalovaný výkon otopných těles je 201 kW na dům. Kotelny s kondenzačními kotli jsou umístěné v 1. NP, zajišťují vytápění a přípravu TV. Ve třech objektech jsou kotelny se třemi nástěnnými kondenzačními kotli po 49 kW (obr. 4), v kotelně zbývajícího domu jsou dva stacionární kondenzační kotle po 80 kW (obr. 5). Přípravu teplé vody zajišťuje nepřímotopený zásobníkový ohřívač o objemu 1000 litrů s topnou vložkou o ploše 9,15 m².

Obr. 4 • Ekvitermně řízená kaskáda 3 kotlů po 49 kW. Vložený HVDT pro zajištění minimálního průtoku přes výměník kotle. Směšovaný okruh přípravy teplé vody s tzv. klouzavou předností. Příprava TV i cirkulace TV má svůj časový program.

Obr. 5 • Hydraulické zapojení zahrnující dva stacionární kotle s využitím dvojice zpáteček. Ekvitermně řízená kaskáda 2 kotlů po 80 kW. Zpátečka z přípravy TV je připojena na HT vstup, tzv. teplejší zpátečka. Zpátečka topného okruhu je zapojena na NT, tzv. chladnější zpátečka. Na výstupu kotle je osazen uzavírací ventil, který kotel hydraulicky odpojí. Zabraňuje se nežádoucímu proudění a ochlazování otopné vody v kotli, pokud není hořák v provozu. Ostatní parametry jsou totožné s kotelnami osazenými třemi kotli.

Porovnání provozních parametrů jednoznačně hovoří ve prospěch kotelny s velkoobjemovými kotli se dvěma zpátečkami (tab. 1). Roční úspora řádově 3000 m³ zemního plynu dokumentuje výhodu dvou zpáteček, které umožňují využít kondenzační potenciál teplotně nejnižší zpátečky, pokud není smíchávána s ostatními do jedné, společné.

Ceny uvedené v tabulce jsou historické a neodpovídají současné situaci. Uvedeny jsou jen pro dokumentaci situace, ve které se majitelé objektu č. 1101 rozhodli pro řešení o přibližně jednu pětinu dražší, ale provozně výhodnější a s větší zárukou dlouhé životnosti. Po mnoho dalších let mají jistotu, že využívají kvalitní a špičkovou techniku, neboť další zásadní zlepšení v technice kondenzačních kotlů již není reálné.