Kotel s průtokovou přípravou vody a byt
Na počátku tohoto článku stál rozhovor, v němž Zdeněk Fučík, obchodní ředitel společnosti Brilon a.s., uvedl, že v případě bytu s malou tepelnou ztrátou a průtokovou přípravou teplé vody bude v podstatě cyklovat každý plynový kondenzační kotel bez ohledu na rozsah jeho regulace. Své tvrzení podložil zkušenostmi se závěsnými plynovými kondenzačními kotli Intergas a Geminox, které společnost dodává na český a slovenský trh. Značka Geminox je vlajkovou lodí s kotli nejširších technických možností přizpůsobení ke konkrétnímu objektu založených na nejvyšších technických parametrech. Její doménou jsou objekty se dvěma a více topnými okruhy s různou provozní teplotou, kombinace se solárními soustavami, tepelnými čerpadly atp. a to od úrovně rodinných domů až po domy bytové, penziony atp., kde se uplatní kaskádové řízení. Značka Intergas představuje závěsné kondenzační kotle s průtokovou přípravou teplé vody určené primárně pro generační výměnu za závěsné kombikotle atmosférické, případně tzv. turbokotle umístěné v bytech, ale rovněž pro vybavení bytů nových. Podle Zdeňka Fučíka uživatelé standardních bytů, vybavených sprchovým koutem nebo jednou koupelnou s běžnou vanou, dávají základní důraz na komfortní přípravu teplé vody, která vyžaduje výkon 24 kW. Potřeba tepla na vytápění je menší a není rozhodující. Chtějí řešení prostorově úsporné, s nízkou cenou kotle, ale takové, které uspokojí požadavek dlouhé životnosti, na kterou jsou zvyklí z minulosti. Pro některé je doplňujícím motivem i to, pokud si mohou hned, nebo i později, jednoduše a za nízkých nákladů rozšířit komfort ovládání až k dálkovému ovládání přes internet. Obecně však platí, že volba kondenzačního kotle dnes nemá alternativu, neboť ji na jedné straně vyžaduje legislativa a na druhé straně všichni chtějí maximálně úsporné kotle.
Každá značka má své určení a tomu odpovídá v neposlední míře i cena. Nelze absolutně říci, že do bytu s malou výpočtovou tepelnou ztrátou není vhodné použít například kotel Geminox. Naopak, kotel Geminox THRS 1-10 s rozsahem regulace výkonu 0,9 kW až 9,5 kW, vybavený zásobníkem pro přípravu teplé vody, je pro takové byty technicky kvalitním řešením zajišťujícím maximální komfort pro vytápění i v dodávce teplé vody, přičemž regulační rozsah výkonu omezí cyklování kotle na technické minimum. Toto lze vztáhnout i na kotle jiných značek s podobnou technickou úrovní. Cena takových kotlů je, vzhledem k technickým parametrům, náročnější konstrukci a nutnému použití zásobníku teplé vody, oproti kotlům Intergas vždy vyšší, instalace při záměně za starý kotel vyžaduje větší objem prací a úprav a musí se pamatovat i na místo pro zásobník. Proto hodně majitelů bytů dává přednost kotlům s průtokovou přípravou vody. V případě typického kotle pro takové použití, například kotle Intergas typu HRE24/18 se jmenovitým výkonem 18,1 kW pro vytápění a 24 kW pro přípravu teplé vody, lze počítat s rozsahem regulace výkonu v oblasti vytápění od 5,4 kW do 18,1 kW, tedy 1 : 3,35 (v režimu 50/30 °C).
Přizpůsobení výkonu kotle aktuální potřebě tepla je jeden z velmi významných parametrů určujících stupeň využití paliva. Na jeho podporu bylo publikováno mnoho odborných a populárně naučných informací, prodejci tento argument intenzivně používají a budoucí uživatelé kotlů jej, po svém poučení z článků v časopisech, na internetu, z rozhovorů na veletrzích a výstavách, se svým topenářem atp., akceptují. Z povědomí, a někdy i záměrně, se vytrácí fakt, že je-li faktorů ovlivňujících využití zemního plynu více, pak význam každého parametru je relativní. Má-li kotel regulační rozsah výkonu 1 : 3, automaticky to neznamená, že průměrný roční stupeň využití paliva bude tragicky horší než u kotle s rozsahem 1 : 10. Je nutné srovnávat „jablka“ s „jablky“ a nikoliv „jablka“ s „hruškami“. Zkusme si to porovnat na bytě s tepelnou ztrátou 4 kW a s komfortní průtokovou přípravou teplé vody vyžadující výkon 24 kW. Záměrně tomuto bytu přiřadíme kotel Intergas HRE24/18, jehož minimální výkon pro vytápění lze nastavit na 5,4 kW. Jeho soupeřem nechť je kotel libovolné značky, se stejným komfortem průtokové přípravy teplé vody s výkonem 24 kW a regulačním rozsahem 1 : 10, který tomuto kotli umožňuje provoz s minimálním výkonem 2,4 kW.
Jednoznačně platí, že při tepelné ztrátě bytu 4 kW bude kotel Intergas cyklovat vždy. Intenzitu cyklování druhého kotle můžeme posoudit z četností dnů s výskytem teplot venkovního vzduchu během otopného období. Pro posouzení množství cyklů pro vytápění lze využít například práci Parametry otopné soustavy v průběhu otopného období, jejímž autorem je doc. Ing. Vladimír Jelínek, CSc. (viz http://vytapeni.tzb-info. cz/mereni-a- regulace/8177-parametry-otopne-soustavy-v-prubehu- topneho-obdobi). Autor vychází z toho, že vnitřní teplota, na kterou se vytápí, je ti = 20 °C, otopná sezona je dána nejvyšší průměrnou denní teplotou temax = +13 °C a výpočtovou teplotou te = –15 °C a počítá s 250 dny otopné sezony, aneb 6000 hodinami. Z teplot vychází, že vytápění bude zahájeno/ukončeno při měrném výkonu 20 % z výpočtového, tedy 0,8 kW, viz níže:
- Q%B = 100 / (20 + 15)·(20 – 13) = 20 [%]
Aby kotel během vytápění vůbec necykloval, musel by mít minimální výkon regulovatelný v případě daného bytu od 0,8 kW. Takový kotel na trhu ani není.
Jak je to s četností výkonu během roku? Jak často bude určitý výkon kotle využit? Obecně zde neplatí lineární úměra, tedy že každý výkon kotle bude použit po stejnou dobu otopné sezony. Vztah je složitější. Opět si můžeme pomoci údaji z již citované práce doc. Jelínka.
V případě kotle Intergas s minimálním výkonem pro vytápění 5,4 kW se jednoznačně pohybujeme po celou dobu otopné sezony v oblasti cyklování. V případě druhého porovnávaného kotle je nejnižší možný výkon na úrovni 2,4 kW. Tento výkon odpovídá 60 % měrného výkonu a znamená, že kotel bude cyklovat od vnější teploty –1 °C výše. Z údajů v práci doc. Jelínka můžeme určit, že půjde o přibližně 68 % doby výroby tepla pro vytápění. Pokud bychom šli s potřebou tepla bytu ještě níže, například na 3 kW, a takových bytů stále přibývá, pak spodní limit 2,4 kW odpovídá 80 % měrného výkonu, vnější teplotě –9,4 °C a kotel bude cyklovat během více než 91 % doby výroby tepla pro vytápění.
Je cyklování kotle ekonomicky „nezdravé“?
Každé technické řešení odpovídá na konkrétní požadavky a možnosti zákazníků. Volba druhu bydlení je vždy kompromisem mezi tím, kolik peněz si určil uživatel na pokrytí potřeby bydlet a tím, co by měl rád. Pokud zvážíme, že v nových bytech se pohybuje cena 1 m2 volné podlahové plochy přibližně okolo 30 000 Kč a výše, je ztrátou, pokud by měla být trvale obsazena zásobníkem teplé vody, když by tam mohla stát třeba pračka. Byty nemají technické místnosti jako rodinné domy. Koupelny nadměrným volným prostorem nedisponují a navíc je nutné uvážit, že vzhledem k použitým keramickým obkladům vychází pořizovací cena koupelny, přepočtená na podlahovou plochu, vyšší než je průměr bytu. Volba malého, technicky jednoduššího kotle s průtokovou přípravou vody, je za těchto podmínek oprávněnou volbou. V nejrůznějších diskuzních fórech tvrdí, že plynové kondenzační kotle s průtokovou přípravou vody jsou technicky překonané vzhledem k nutnému cyklování. Pokud si budoucí zákazník udělá průzkum trhu, tak v základních doporučených cenách se bude u tohoto druhu kotlů pohybovat přibližně od 30 tis. Kč u kotle Intergas HRE24/18 do cca 55 tis. Kč u kotlů jiných značek. Pokud by volil variantu se zásobníkem, tedy méně cyklující, tak se bude pohybovat v cenách minimálně o 15 tis. Kč, ale i o 30 a více tis. Kč vyšších. Ušetří kotel se zásobníkem tolik, aby se vyplatil?
Rozbor provozních podmínek
Proveďme si jednoduchý rozbor podmínek provozu. Máme úsporný byt s otopnou soustavou navrženou pro režim vytápění 50/30 °C o výpočtové tepelné ztrátě 4 kW. Porovnejme kotel, který bude cyklovat vždy a kotel, který by měl cyklovat méně. Pokud jde o průtokovou přípravu teplé vody, tak požadavky na provoz různých kotlů jsou identické, vyvolávají podobnou reakci. Skutečné rozdíly lze identifikovat jen na základě praxe, protože chování kotlů ovlivní individuální chování uživatelů a konkrétní řešení rozvodů teplé vody v bytě. Proto dále není rozebírán vliv přípravy teplé vody a předpokládá se, že bude u všech kotlů přibližně stejný.
Ztráty paliva
Ztráty paliva generují zejména komínová ztráta, úniky tepla pláštěm kotle, ztráty vzniklé nuceným profouknutím spalovací komory před otevřením přívodu plynu do hořáku, kvalita spalovacího procesu.
Komínová ztráta
Proces spalování je ve všech případech velmi přesně řízen. Provozní účinnosti kondenzačních kotlů v případě soustavy v režimu 50/30 °C můžeme uvažovat přibližně v rozsahu mezi 90 % až 96 %. Na oba porovnávané kotle jsou kladeny stejné požadavky a rozdíl komínových ztrát bude vyplývat jen z rozdílu v cyklování. Pohybujeme se tedy v intervalu mezi 0 až 6 %, přičemž musíme uvážit, že i kotel s vyšším stupněm modulace výkonu bude cyklovat minimálně 68 % provozní doby. Potrubí přívodu vzduchu, odvodu spalin, konstrukční řešení spalinové komory a ventilátoru svými odpory výrazně omezí samovolné proudění a nežádoucí vychlazení některého z kotlů, které se negativně projevovalo u dříve nejčastějších atmosférických kotlů. Pokud by to uživateli jdoucímu i po úsporách řádu desetin procent nestačilo, lze doinstalovat spalinovou klapku v ceně okolo 300 korun. Někdy povinnost použít klapku již vyplývá z napojení odvodu spalin z kotle v bytě do společného odvodu spalin v domě.
Ztráty pláštěm kotle
Únik tepla z pláště kotle lze rozdělit na ztráty žádoucí, kdy v době potřeby tepla pomáhají vytápět byt a ztráty nežádoucí, kdy vytápět třeba není. Pokud není třeba vytápět, tak kromě přípravy teplé vody, ani jeden z kotlů nebude v provozu. Takže roční rozdíl mezi oběma kotli bude zanedbatelný, respektive může být dán použitím lepší nebo horší tepelné izolace. Konkurent ke kotli Intergas to však bude mít těžké. Izolace tohoto kotle neplní jen funkci ochrany proti úniku tepla, stačila by slabší, ale přednostně ochrany proti úniku hluku do okolí kotle.
Ekvitermní regulace
Má v našem případě smysl ekvitermní řízení činnosti kotle? Pro velký rozsah pracovních teplot otopné vody, přecházení z kondenzačního do nekondenzačního provozu a zpět, má ekvitermní řízení zásadní přínos. V našem případě, kdy hovoříme o řešení na spodní úrovni pořizovacích nákladů u otopné soustavy v režimu 50/30 °C, bude význam ekvitermní regulace potlačen. Šlo by o doplňkovou investici do externího čidla a propojovací kabel mezi čidlem a kotlem.
Požadavek zajištění kondenzačního provozu vyplývá z provozního režimu soustavy 50/30 °C. Pokud by nebyla použita ekvitermní regulace, pak lze doporučit například omezení výstupní teploty z kotle na 55 °C, které zaručí nepřekročení horní hranice kondenzace u kondenzačních kotlů (viz např.: Stručná teorie kondenzace u kondenzačních plynových kotlů, Zdeněk Fučík, 2. 4. 2004, TZB-info). Pro řízení provozu kotle a jeho udržení v kondenzačním režimu pak postačí hlídání vnitřní teploty vzduchu termostatem umístěným v referenční místnosti bytu. Požadované snížení teploty v ložnici atp. zajistí termostatické ventily.
Příznivé pro kondenzaci je, že oba porovnávané kotle při vytápění na úrovni minimálních výkonů vždy disponují předimenzovanou teplosměnnou plochu tepelných výměníků.
Vliv cyklování
Dostáváme se k evidentně nejdůležitějšímu bodu rozboru, a to vlivu cyklování. V literatuře (Spínání hořáku kotle a proměnná spínací diference, Ing. Jiří Bašta, Ph.D.) autor dospěl k závěru, že k výraznému snížení četnosti spínání kotle vede například vyšší rozsah spínací diference kotle při co nejmenším přijatelném zvýšení teploty otopné vody při jednom průtoku kotlem. V našem případě máme jednu a tutéž otopnou soustavu, oba kotle mají přibližně stejný vodní objem. Závisí tedy především na tom, jak se podaří optimalizovat vztah střední teploty otopné vody v tělesech aneb výkonu těles, teploty otopné vody na výstupu z kotle a vstupu do něj vzhledem ke spínací diferenci.
Problematikou vlivu regulačních rozsahů na provozní účinnost se zabýval například Ing. Vladimír Valenta (Účinnost plynových kotlů při cyklování, 3. 2. 2014, TZB-info), a to u kotlů atmosférických, nekondenzačních. U nich dospěl k závěru, že pokud má kotel jmenovitý výkon 12 kW a je seřízen na výkon 6 kW, přitom byt má výpočtovou ztrátu 4 kW, pak provozní účinnost kotle poklesne z 0,88 při jmenovitém výkonu na hodnotu 0,85 v provozu s cyklováním. V tomto poklesu je zahrnut i vliv komínové ztráty atmosférického kotle. Mají-li kondenzační kotle Intergas energetickou účinnost 93 %, šlo by ve smyslu rozboru Ing. Valenty předpokládat nejvyšší zhoršení sezonní účinnosti na hodnotu okolo 88 %. To znamená zvýšení roční spotřeby plynu o přibližně (93/88 – 1) » 5,5 %.
S cyklováním souvisí větší rozdíly teplot uvnitř domu a tedy změny aktuální tepelné ztráty. Cyklování znamená, že po určitou dobu cyklu je teplota v bytě mírně vyšší, tehdy může docházet ke zvýšení ztráty tepla, ale po zbytek cyklu je zase mírně nižší, tudíž dochází k úspoře. Obvykle se změny vnitřní teploty připouští v rozsahu až 1 K. Oba procesy sice nejsou zcela rovnocenné, ale nelze jednoduše konstatovat, že z cyklování vyplývá zásadní přetápění a je příčinnou tragického zvýšení nákladů za provoz kotle.
Počet cyklů
Jak často budou oba kotle v bytě se ztrátou 4 kW cyklovat? Předpokládá se splnění podmínky, že průtok otopné vody kotlem, její teplotní diference a výkon otopných těles budou v souladu a i při omezení výstupní teploty z kotle na 55 °C bude možné byt během aktivní části cyklu vytopit na dostatečnou teplotu tak, aby v následující pasivní fázi cyklu teplota poklesla jen v přípustné míře.
Kotel Intergas, při omezení jeho výkonu pro vytápění ze jmenovitých 18 kW na minimálních 5,4 kW dodá každou minutu 5,4/60 = 0,09 kWh tepla. Během hodiny má dodat 4 kWh, takže kotel musí každou hodinu pracovat 4/0,09 » 45 minut. Pokud bychom využili v kotli přednastavenou ochranu proti nadměrnému cyklování s blokováním činnosti hořáku po dobu 5 minut po jeho vypnutí, vyjdou přibližně 3 cykly každou hodinu obsahující cca 15 minut činnosti hořáku a 5 minut vypnutí. Na hranici 13 °C, kdy začíná nebo končí otopná sezona, s potřebou výkonu 0,8 kW stačí na dodání tepla během jedné hodiny 0,8 / 0,09 » 8,9 minuty. O něco málo víc než 10 cyklů za hodinu. Roční počet cyklů kotle Intergas pro vytápění můžeme odhadnout za celou otopnou sezonu (6 000 hodin) přibližně mezi 18 tis. až 60 tis. cykly.
Kotel s maximálním současným regulačním rozsahem 1 : 10, tedy minimálním nastavitelným výkonem 2,4 kW, bude po více než 68 % doby otopné sezony cyklovat. Tento kotel za jednu minutu dodá 2,4 / 60 = 0,04 kWh. Pro dodání 0,8 kWh během jedné hodiny bude v činnosti 20 minut. Ze stejného nastavení ochrany proti cyklování vyplyne 8 cyklů složených z 2,5 minuty činnosti hořáku a následné pauzy 5 minut. Roční počet cyklů tohoto kotle pro vytápění má horní hranici (uvažujme 68 % z 6 000 hodin otopné sezony) přibližně 32 600.
Realita je taková, že roční počty cyklů kotlů s průtokovou přípravou teplé vody v bytech s malou tepelnou ztrátou se pohybují na úrovni mezi 30 až 40 tisíci.
Regulace on-off a délka cyklu
Část veřejnosti zastává názor, že požadavky bytů s malými tepelnými ztrátami je ideální řešit elektrickými přímotopy. Pokud je dostatek elektřiny, dostatečně dimenzovaná přípojka, není řešena otázka, co se stane, pokud elektřina delší dobu nepůjde, neboť napájení z baterií je hudbou budoucnosti, a připojí se i otázka přípravy teplé vody, pak je takové řešení variantou k zamyšlení. Elektrické přímotopy jsou v podstatě výkonově předimenzované zdroje tepla řízené on-off, tedy také cyklující. U nich je nejen běžně tolerované, ale dodavatelem elektřiny vnucené přerušení dodávky elektřiny, tedy tepla, na 1 hodinu spínáním hromadného dálkového ovládání HDO. Doba 1 hodiny se opírá o normativně dané hodnoty stavebních konstrukcí, které zaručují u staveb pro bydlení dostatečnou tepelně akumulační schopnost eliminující krátkodobé výkyvy v dodávce tepla. Prakticky identicky s výpadkem dodávky tepla na 1 hodinu se však mohou chovat i oba zvažované kondenzační kotle.
Pro výpočet cyklů s pauzou v provozu hořáku po dobu 1 hodiny přejdeme k intervalu jeden den, tedy 24 hodin. Na jeden den potřebujeme dodat 4 kWh x 24 hodin = 96 kWh tepla, které kotlem Intergas výkonu 5,4 kW vyrobíme za 1067 minut, tj. asi 17,8 hodiny. Takže přibližně půjde o 6 cyklů denně.
Na hranici otopné sezony se ztrátou 0,8 kW a potřebou tepla 19,2 kWh na den bude muset hořák pracovat 213 minut, asi 3,56 hodiny a půjde o necelých 21 cyklů za den. Za stejné podmínky hranice otopné sezony druhý kotel se spodní výkonovou hranicí 2,4 kW vyrobí 19,2 kWh za 480 minut, tedy 6 hodin a cyklů za den bude 18.
Uvažujeme otopnou sezonu o délce 250 dnů. V prvním případě založeném na přerušování vytápění na dobu 5 minut se u kotle Intergas pohybujeme řádově mezi 18 000 až 60 000 cykly ročně. V druhém případě s nečinností hořáku po dobu 1 hodiny se pohybujeme řádově mezi 6 x 250 = 1 500 až 21 x 250 = 5 250 cykly za rok. Pokud dokážeme vhodně upravit provozní podmínky tohoto kotle regulovaného pro vytápění systémem on-off tak, aby délka cyklu byla někde mezi 5 až 60 minutami pauzy hořáku, nalezneme zajímavý kompromis jak z pohledu snížení počtu cyklů, tak z pohledu minimalizace kolísání teplot v bytě.
Ztráta z cyklování
K odhadu ztráty z cyklování můžeme použít další z pramenů: „Je třeba zdůraznit, že účinnost kotle i kotelny není parametr fixní nýbrž proměnný závislý na celé řadě konkrétních podmínek. Účinnost bude ovlivňovat např. výkon kotle, kvalita paliva, konkrétní přebytek spalovacího vzduchu, teplota zpětné a výstupní vody, teplota nasávaného vzduchu, čistota výhřevných ploch kotle ap. Proto je třeba ke každé z hodnot určených účinností připojit informaci o podmínkách, pro které platí. Pokud se účinnost používá v ročních bilancích, např. spotřeby paliva nebo produkce emisí, je třeba použít průměrnou roční účinnost, do níž se promítají nestacionární provozní režimy jako je výkonová regulace, najíždění a odstavování kotle ap. Průměrná roční účinnost pak obvykle vychází o 1 až 5 % horší než je účinnost určená při optimalizovaném ustáleném jmenovitém režimu.“ (Zjišťování tepelné účinnosti plynových kotlů a kotelen – III. díl, doc. Ing. Tomáš Dlouhý, CSc., Ing. Vladimír Valenta, 28. 4. 2008, TZB-info).
Pokud by šlo o statisticky průměrný byt podle údajů Teplárenského sdružení ČR s celkovou spotřebou tepla i pro přípravu teplé vody 8,3 MWh za rok, lze odhadnout, že při odečtení podílu teplé vody cca 40 % zbyde 5 MWh tepla na vytápění bytu za rok. Bude-li provozní účinnost hrubě odhadnuta 88 %, pak bychom na vytápění spotřebovali 9,09 MWh zemního plynu. Například s využitím kalkulátoru cen na TZB-info lze odvodit, že tomu v současnosti odpovídá roční platba za plyn okolo 9 000 Kč, přičemž se pohybujeme mezi extrémy 6 000 až 13 000 Kč podle dodavatele. S velkou rezervou odhadnutá ztráta z cyklování 5 % znamená zvýšení provozních nákladů o 450 Kč za rok, ale připusťme i dvojnásobek. I za těchto extrémních poměrů se pořízení závěsného plynového kondenzačního kotle s průtokovou přípravou teplé vody, například Intergas HRE 18/24 do bytu s tepelnou ztrátou pod spodním limitem regulace výkonu, jeví jako ekonomicky a technicky podložená varianta. V rozhovoru, o kterém byla zmínka v úvodu, Zdeněk Fučík na závěr uvedl: „Nezáleží na tom, zda si tuto variantu zákazník vybral na základě svého uvědomělého rozhodnutí nebo ji volí pod nátlakem svých omezených finančních prostředků. Důležité je to, že má smysl.“