Kontrola kotlů a rozvodů tepelné energie

Článek si klade za cíl seznámit čtenáře se základními požadavky na kontrolu kotlů a rozvodů tepelné energie v souladu se zákonem č. 406/ 2000 Sb. o hospodaření energií a prováděcí vyhláškou č. 194/2013 Sb. o kontrole kotlů a rozvodů tepelné energie a prováděcí vyhláškou č. 193/2007 Sb. stanovující podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a chladu.

Recenzent: Zdeněk Lyčka

Legislativa

Základním legislativním dokumentem je zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií (poslední novelizace – č. 131/2015 Sb.). Z pohledu § 6a je pro provozované kotle se jmenovitým výkonem nad 20 kW a jejich příslušné rozvody tepelné energie předepsána povinnost jejich kontroly. Povinnost spočívá v zajištění pravidelné kontroly těchto kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie, jejímž výsledkem je písemná zpráva o kontrole provozovaných kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie (podrobnosti dále stanovuje vyhláška č. 194/2013 Sb.). Další povinností je na vyžádání předložení zprávy o kontrole provozovaných kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie ministerstvu nebo Státní energetické inspekci a oznámení ministerstvu provedení kontroly oprávněnou osobou. Kontrolu provozovaných kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie, které nejsou předmětem licence na výrobu tepelné energie a licence na rozvod tepelné energie podle zvláštního právního předpisu, může provádět pouze příslušný energetický specialista, viz zákon č. 318/2012 Sb. dle § 10 odst. 1 písm. c) nebo d).

Dále zákon v § 6 odstavci 4 uvádí, že povinnost provádět kontrolu u kotlů se jmenovitým výkonem nad 20 kW a příslušných tepelných rozvodů se nevztahuje na kotle a vnitřní rozvody tepelné energie umístěné v rodinných domech, bytech a stavbách pro rodinnou rekreaci s výjimkou případů, kdy jsou provozovány výhradně pro podnikatelskou činnost. Na kotle a vnitřní rozvody tepelné energie umístěné v rodinných domech, bytech a stavbách pro rodinnou rekreaci se poskytuje poradenství.

Prováděcí vyhláškou je k tomuto vyhláška č. 194/2013 Sb., která stanovuje jednak jakým způsobem má být kontrola kotlů prováděna (termíny kontrol, vzor zprávy o provedení kontroly atd.), ale také odkazuje na dva další legislativní dokumenty. Jedním je vyhláška č. 193/ 2007 Sb., která se týká rozvodů tepelné energie a chladu a druhým pak norma ČSN 07 0305, která se týká nepřímě metody stanovení kotlových ztrát.

Nejdůležitější otázkou je, jak často se musejí provádět kontroly.

a) V případě, že je kotel a rozvody tepelné energie provozovány na základě licence pro výrobu a dodávku tepelné energie, je nutné kontroly provádět pravidelně jednou ročně.

b) V ostatních případech je nutné postupovat dle tab. 1.

Tab. 1 • Četnost provádění kontroly kotlů a rozvodů tepelné energie. *Za trvalý monitoring je považováno elektronické monitorování kotle a tepelného rozvodu a jeho jednotlivých zařízení s přímou vazbou na možné úpravy provozu kotle.

Při pohledu na tab. 1 se zdá, že např. pro litinový kotel na tuhá paliva o jmenovitém tepelném výkonu 80 kW, by časové kontroly předepsané vyhláškou č. 194/2013 Sb. byly velmi sporadické, protože to znamená, že první kontrola kotle má být dle vyhlášky 10 let po uvedení do provozu a další bez rozdílu monitoringu opět až po 10 letech. V případě životnosti takového kotle v průměru cca 20 let, je za dobu jeho provozu kontrola vyhláškou předepsána pouze dvakrát! Nicméně právě u kotlů na tuhá paliva je nutné pamatovat na součinnost se zákonem č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší. Dle § 17 je povinností provozovatele stacionárního zdroje (dle odstavce 1 g) provozovat spalovací stacionární zdroj na pevná paliva o jmenovitém tepelném příkonu od 10 do 300 kW včetně, který slouží jako zdroj pro teplovodní soustavu ústředního vytápění, v souladu s minimálními požadavky uvedeným v příloze č. 11, která stanovuje minimální emisní požadavky (tab. 2). Dále je v odstavci 1h) uvedena povinnost provádět jednou za dva kalendářní roky kontrolu technického stavu a provozu takového stacionárního zdroje (a to proškolenou osobou výrobcem kotle s uděleným oprávněním – tj. „odborně způsobilou osobou“).

Tab. 2 • Minimální emisní požadavky na spalovací stacionární zdroje na pevná paliva o jmenovitém tepelném příkonu od 10 do 300 kW včetně, který slouží jako zdroj tepla pro teplovodní soustavu ústředního vytápění – hodnoty jsou vztaženy k suchým spalinám a referenčnímu obsahu kyslíku 10 % (resp. 13 % pro tzv. sálavé spalovací zdroje určené pro připojení na teplovodní soustavu ústředního vytápění a k instalaci do obytné místnosti), TOC – celkový organický uhlík, souhrnná koncentrace všech organických látek s výjimkou CH4, TZL – tuhé znečisťující látky. *Nevztahuje se na sálavé stacionární zdroje, určené pro připojení na teplovodní soustavu ústředního vytápění a k instalaci do obytné místnosti

Kontrola zdrojů tepla – energetická bilance zdroje tepla

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. 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 [3]. 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) [3]. 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 např. v [2, 3]. 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 [2].

 

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 [m³_N·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_N].

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 tab. 3) [–].

Tab. 3 • Hodnoty konstanty K₁ pro vztah (5) dle ČSN 07 0305

Tab. 4 • Hodnoty konstanty K₂ dle ČSN 07 0305

Jako příklad výpočtu je uvedeno měření účinnosti plynového kotle, který má jmenovitý tepelný výkon 570 kW? Při měření byl zjištěn skutečný výkon 565 kW a naměřeny hodnoty teploty spalin 185 °C, teploty spalovacího vzduchu 15 °C a obsah CO₂ ve spalinách 9,84 %.

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

Dosazením do vztahu (5) 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 91,2 %.

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 97,1 %. To potvrzuje, že přínos kondenzačního kotle ve srovnání s klasickým nebo nízkoteplotním nevychází výlučně ze zisku kondenzačního tepla, ale z podstatné části z nízké tepelné ztráty spalinami.

Kromě účinnosti je nutné kontrolu kotle provést i s ohledem na správné dimenzování (příloha č. 1 vyhlášky č. 194/2013 Sb.). K hodnocení správnosti dimenzování kotle k požadavkům na odběr tepla vyhláška zavádí bezrozměrný parametr vyjadřující poměr průměrného výkonu kotle k jmenovitému výkonu. Tento poměr lze vyjádřit jako

kde

• L_av – porovnávací parametr [–],
• Q_f – energie paliva spotřebovaného za časový interval t_m [kWh],
• P_n – instalovaný výkon kotle [kW],
• t_m – časový interval [h].

Pokud je kotel správně dimenzován, je hodnota L_av vyšší, než uvádí tab. 5. Výsledek je dále nutné ověřit porovnáním instalovaného tepelného výkonu otopných ploch v otopné soustavě budovy.

Tab. 5 • Referenční hodnoty pro L_av dle vyhlášky č. 194/2013 Sb.

Kontrola rozvodů tepelné energie

Ke kontrolám rozvodů tepelné energie je nutné přistoupit z pohledu vyhlášky č. 193/2007 Sb. Tato vyhláška stanovuje požadavky na účinnost užití energie v nově zřizovaných zařízeních pro rozvod tepelné energie a pro vnitřní rozvod tepelné energie a chladu. Dále se týká vybavení těchto zařízení tepelnou izolací, regulací a řízením u parních, horkovodních a teplovodních sítí a sítí pro rozvod teplé vody a chladu včetně přípojek, s výjimkou chladicí vody z energetických a technologických procesů, která odvádí tepelnou energii do okolního prostředí. Zde je nutné upozornit, že vyhláška č. 193/2007 Sb. je poslední „starší“ vyhláškou, která neprošla v roce 2013 revizí. Dle informací z MPO se její nové znění chystá během roku 2017.

Metody zjišťování tepelných ztrát jsou vyhláškou definovány § 10 resp. přílohou č. 1 až 4. Pro zjišťování tepelných ztrát a zisků v zařízeních pro rozvod tepelné energie, chladu a teplé vody v provozních podmínkách se používá tzv. provozních metod. Provozní metody jsou Schmidtova, termovizní a kalorimetrická. Provozní metody ověřují tepelně izolační vlastnosti především tepelnou vodivostí a tepelnými ztrátami.

Z pohledu stanovení účinnosti rozvodů tepelné energie dle přílohy č. 1 se stanovují dvě hlediska. První je účinnost dopravy tepelné energie a druhé vychází z pohledu tepelných ztrát rozvodů. Účinnost dopravy tepelné energie je určena vztahem

a zároveň platí

 

kde

• P_N – jmenovitý výkon čerpadla [kW],
• P_SN – příkon čerpadla při nižších než jmenovitých otáčkách [kW],
• k – počet pevně nastavitelných stupňů otáček provozu čerpadla [–],
• v – poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo nepracuje [–],
• m – poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo pracuje se jmenovitými otáčkami [–],
• n – poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo pracuje se sníženými otáčkami, u čerpadel s proměnnými otáčkami je n = 0,5 [–].

Příklad výpočtu např. pro otopnou soustavu bytového domu s vlastní výměníkovou stanicí uvádí následující příklad. Doba provozu otopné soustavy je 228 dní. Jmenovitý výkon čerpadla je 45 W. Příkon čerpadla při nižších otáčkách je 24 W a čerpadlo pracuje s proměnnými otáčkami (tj. n = 0,5). Poměrnou část provozní doby čerpadla, kdy čerpadlo nepracuje, lze zanedbat, protože čerpadlo po dobu otopného období pracuje nepřetržitě, tj. v = 0. Z toho vyplývá, že poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo pracuje se jmenovitými otáčkami, je m = 0,5. Účinnost užití energie z pohledu dopravy tepelné energie pak vyjádříme jako

Potíž je, že ve vyhlášce č. 193/ 2007 Sb. není uvedeno, jakých hodnot by tato účinnost měla dosahovat, nebo chybí uvedena alespoň základní referenční hodnota.

Stanovení účinnosti z hlediska tepelných ztrát je aplikace základní definice energetické účinnosti, a sice podíl energie systémem dodané vůči energii do systému vložené. Matematicky je to pak

 

kde

• Q_OD,i – teplo odebrané i-tým odběrným místem [GJ],
• Q_ZD – teplo dodané zdrojem [GJ].

Stejně jako u předchozího případu i zde chybí další doplnění stran nějakých referenčních hodnot.

Z provozních metod zjišťování tepelných ztrát (nebo naopak tepelných zisků) vyhláška definuje tři způsoby:

1. Schmidtova metoda – jedná se o měření na speciálním gumovém pasu, kde na základě rozdílného tepelného toku, který je vyvolán změnou odporu termočlánků na vnitřním a vnějším povrchu pasu, udává hodnotu měrného tepelného toku (tzv. termotranzitometr). Měření vyžaduje ustálený stav, dodatečnou úpravu měřicího povrchu a zkušenost obsluhy.
2. Termovizní metoda – tato metoda představuje způsob měření, při kterém se termovizní kamerou snímá povrch izolovaného zařízení. Termovizní zobrazení povrchových ploch umožňuje zaznamenat rozložení povrchových teplot zařízení a prokázat případné vady izolace, které se projevují jako tepelné mosty. Tato metoda ale neumožňuje ověření součinitele tepelné vodivosti tepelných izolací. Termovizní metoda je vhodná pro komplexní zhodnocení skutečného stavu tepelně izolovaných rozvodů a energetických zařízeni.
3. Kalorimetrická metoda – metoda vychází z kalorimetrické rovnice a umožňuje stanovit tepelné ztráty či zisky na úseku rozvodu. Měřením se stanoví rozdíl teplot teplonosné látky a průtok. Při vy­užití fakturačních měřidel tepla dodavatele a součtových hodnot fakturačních měřidel na vstupu u odběratelů lze přibližně stanovit tepelné ztráty celé sítě. Naměřený rozdíl však zahrnuje krom tepelné ztráty sítě i veškeré nepřesnosti měřidel, a proto je velmi často tato metoda nepřesná.

Problémem je, že zjišťování tepelných ztrát Schmidtovými pasy a termovizním měřením je možné pouze u volných rozvodů. To je většinou případ vnitřních potrubních sítí v budovách. U podzemního vedení rozvodů (převážně vnější tepelné rozvody) je využitelná pouze kalorimetrická metoda.

V praxi je dnes nejběžněji používaná termovizní metoda, nicméně zde je třeba klást důraz na to, aby měření prováděla dostatečně kvalifikovaná osoba se znalostí okrajových podmínek měření [4]. Např. při kombinaci kalorimetrické a termovizní metody je nutné, aby potrubí bylo ze stejného materiálu a bylo opatřeno stejnou povrchovou úpravou (tzn. má stejné vlastnosti z pohledu vedení tepla a emisivity povrchu). Pak je možné tepelné ztráty daného úseku stanovit měřením povrchových teplot potrubí, neboť teplotní rozdíl teplonosné látky lze považovat za shodný s teplotním rozdílem povrchových teplot trubky (zejména u kovových materiálů s vyšším součinitelem tepelné vodivosti). Na druhou stranu je nutné si uvědomit, že toto zjednodušení platí v případě, že posuzovaný úsek potrubí vede v prostředí se stejnou okolní teplotou vzduchu samozřejmě nutností je také dostatečný přístup k posuzované části potrubí.

Závěr

Velmi často je odbornou veřejností opomíjena kontrola rozvodů tepelné energie. Většina projektantů nebo montážních firem se nejvíce zaměřuje na zdroj tepla, ale kvalita tepelné izolace a hydraulického vyvážení napojené tepelné sítě se opomíjí. Příspěvek je sestaven tak, aby poskytl čtenáři základní přehled legislativních požadavků a jejich provázanosti ve vazbě na kontroly kotlů a rozvodů tepelných sítí. Je třeba zdůraznit, že cílem příspěvku není popisovat, jak má vypadat protokol kontroly zdroje tepla, nebo jaký je postup kontroly tepelné izolace potrubní sítě. Hlavním cílem je přinést přehled a základní informace, ze kterých lze dále vycházet pro hlubší pochopení problematiky výroby a distribuce tepelné energie.

Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.

Literatura

1. LAIN, M., VAVŘIČKA, R.: Kontrola klimatizačních systémů, Kontrola kotlů a rozvodů tepelné energie – Metodické pokyny 2014. Společnost pro techniku prostředí 2014. 112 s. ISBN 978-80-02-02576-4.
2. DLOUHÝ, T.: Výpočty kotlů a spalinových výměníků. Vydavatelství ČVUT, 2011. 212 s. ISBN 978-80-01-03757-7.
3. HORÁK, J., HOPAN, F., KRPEC, F., KUBESA, P., KOLONIČNÝ, J., OCHODEK, T.: Stanovení účinnosti kotlů. TZB-Info. [online] 15. 01. 2017 [citace 2014-21-04]. Dostupné z: http:// vytapeni.tzb-info.cz/kotle-kamna-krby/ 11107-stanoveni-ucinnosti-kotlu.
4. VAVŘIČKA, R.: Bezkontaktní způsoby měření teploty. Sešit projektanta č. 11. Praha: STP, 2014. 65 s. ISBN 978-80-02-02515-3.
5. Zákon č. 406/ 2000 Sb. o hospodaření energií (v platném znění zákon č. 131/ 2015 Sb.). 2015.
6. Zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší. 2012.
7. Vyhláška č. 194/2013 Sb. o kontrole kotlů a rozvodů tepelné energie. 2013.
8. Vyhláška č. 193/2007 Sb. stanovuje podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu. 2007.

Poznámka recenzenta

Co se týče měření účinnosti teplovodních kotlů (malé zdroje do 300 kW), je pravda, že v běžném provozu lze reálně zjistit účinnost pouze měřením komínové ztráty. Vyhláška č. 194/2013 ale neumožňuje započíst jenom tuto ztrátu, příloha 2 vyhlášky říká jasně, že se mají započíst všechny ztráty. U plynových kotlů to problém není, protože ostatní ztráty jsou opravdu zanedbatelné. Ale u kotlů na pevná paliva tomu tak není. Třeba moderní uhelné automatické kotle mohou mít komínovou ztrátu nižší než 7 %, ale ztráta nedopalem v palivu bývá mezi 2 až 5 %, ztráta sáláním 1 až 2 %, takže samotná komínová ztráta může tvořit pouze 50 až 60 % z celkových ztrát, což už zanedbatelné není. Takže dle mého názoru zjistit účinnost v reálných podmínkách podle vyhlášky nelze. Ideální by bylo, pokud by přímo ve vyhlášce bylo uvedeno, že se ověřuje pouze komínová ztráta a byly by stanoveny limity této ztráty. Ostatně tak se to praktikuje pro plynové kotle a kotle na LTO v Německu již mnoho let. Samotná ČSN 07 0305 byla vypracovaná v roce 1983 pro určování ztrát velkých zdrojů a pro moderní malé zdroje je prakticky nepoužitelná (a celkově zastaralá).

---

Checking of boilers and heat distribution systems

The article describes the inspection method of boilers and heat distribution systems in accordance with the legal requirements of the Czech Republic. The text presents examples with various calculations.

Keywords: boilers, heat distribution system, checking, efficiency