Ocelový nebo litinový kotel a spolehlivý provoz

Autor je nejen projektant s dlouhodobou praxí, ale i soudní znalec, který se často setkává s problematickými návrhy otopných soustav. Na základě svých zkušeností ve svém příspěvku uvádí osvědčená zapojení kotlů do otopných soustav, která zaručují zároveň správnou funkci otopné soustavy i ochranu kotlů před nízkoteplotními korozemi.

Recenzent: Vladimír Jirout

Řada majitelů rodinných domů v oblastech bez zemního plynu je odkázána na elektřinu nebo tuhá paliva. Ti, co se rozhodnou pro tuhá paliva, řeší základní dilema – pořídit si kotel litinový nebo ocelový. Před časem bylo projektování otopných soustav s kotli na pevná paliva běžnou záležitostí a většina projektantů se nedopouštěla chyb. V současnosti zřejmě projektanti s dřívějšími zkušenostmi začínají chybět a mnozí nezkušení se dopouštějí chyb v návrhu hydraulického zapojení.

Většina litinových kotlů je určena pro spalování černého uhlí nebo koksu, zatímco většina ocelových kotlů umožňuje ekonomicky spalovat jen hnědé uhlí a dřevo. Jsou však litinové kotle, které mohou spalovat kromě koksu a černého uhlí i uhlí hnědé.

Při chladných teplosměnných plochách kotle, zejména při zatápění, dochází ke kondenzaci vodních par ze spalin. Pokud palivo obsahuje kyselinotvorné prvky (např. síru), vznikají kyseliny, které při dlouhodobém provozu poškozují materiál stěn kotle. Toto poškození se v nejvyšší míře projevuje u ocelových kotlů, a proto je nutné pro zajištění jejich dlouhodobé životnosti volit vhodná opatření. Projektová řešení, která zajistí, aby teplota vratné vody do kotle neklesla pod 65 °C, se považují za dostačující, kdy přestává hrozit nízkoteplotní koroze.

Litinové kotle jsou mnohem odolnější a tato opatření většinou nevyžadují.

Výrobci ocelových kotlů jsou si vědomi nebezpečí výrazného zkrácení životnosti kotlů vlivem nízkoteplotní koroze, a proto doporučují udržovat teplotu zpátečky trvale na hodnotě minimálně 65 °C. Navrhnout schéma kotelny tak, aby výkon kotle byl přenositelný do otopné soustavy, současně byl regulovatelný a nehrozila kotli nízkoteplotní koroze, je koncepční práce pro projektanta.

Mnozí z výrobců ocelových kotlů uvádí ve svých materiálech schémata zapojení, která naznačují, jak kotel chránit proti korozi a jak ho eventuálně napojit do otopné soustavy. Neměl by to být návod pro topenářskou firmu, jak má v kotelně pospojovat potrubí a obejít se bez projektu.

Ochrana kotle na schématech výrobců kotlů je téměř vždy navrhována pomocí kotlového okruhu s termostatem řízeným trojcestným směšovacím ventilem a čerpadlem. V projekční praxi lze najít několik zapojení, které poskytují kotli obdobnou ochranu i bez tohoto směšovacího okruhu.

Základní metodou jak udržovat teplotu zpátečky na požadované hodnotě 65 °C je vytvoření vlastního kotlového okruhu s trojcestným směšovacím ventilem a oběhovým čerpadlem, které je trvale v chodu. Při dosažení teploty 65 °C na zpátečce (a 85 °C na výstupu z kotle) se přepíná proudění otopné vody do otopné soustavy – viz obr. 1.

Primárním požadavkem při provozu ocelového kotle je teplota zpátečky, nikoliv průtok otopné vody od zdroje tepla. Po dosažení teploty zpátečky 65 °C se začne otevírat trojcestný ventil u kotle. Tím se začne otevírat cesta otopné vodě do otopné soustavy. S měnícím se průtokem od kotle se mění i tlaková diference působící na další zařízení kotelny.

Je-li dalším zařízením kotelny akumulační nádoba, lze očekávat optimální provoz kotle i otopné soustavy. Potřebná hodnota akumulačního prostoru se udává ve výši 25 l na 1 kW výkonu kotle.

Ke snížení teploty otopné vody za akumulační nádrží se obvykle volí směšovací stanice s trojcestným směšovacím ventilem a oběhovým čerpadlem. Takové zapojení je funkční a umožňuje otopné soustavě pracovat s konstantním oběhovým množstvím – viz obrázek 2.

Někteří výrobci ocelových kotlů uvádějí na svých webových stránkách obdobné zapojení s tím, že je v něm akumulační nádoba vynechána.

Zde nastává základní problém. Před trojcestným směšovacím ventilem působí tlaková diference od čerpadla kotlového okruhu. Ta se navíc mění v závislosti na okamžitém nastavení trojcestného ventilu u kotle. Takové zapojení není funkční. Důvodem je tlaková diference před směšovacím ventilem od kotlového čerpadla.

Trojcestný směšovací ventil je ovládán regulátorem v závislosti na venkovní teplotě. Pracuje spolehlivě jen v případě, pokud před ním není tlaková diference, jinými slovy řečeno, pokud před ním není oběhové čerpadlo.

Tlak kotlového čerpadla působí na trojcestný ventil nepříznivě tím způsobem, že při určitém stupni otevření ventilu se obrací průtok ve směšovacím zkratu. Následkem toho:

• Čerpadlo kotlového okruhu a okruhu otopné soustavy se dostanou do sériového chodu. Tím se zvýší tlak a průtok do otopné soustavy, ale o neregulované teplotě 85 °C, než jaká by odpovídala venkovní teplotě.
• Obrácením proudění ve směšovacím zkratu se otopná voda o výstupní teplotě 85 až 90 °C dostane na vstup do kotle. Regulace kotle to vyhodnotí jako přetopení kotle a kotel utlumí. Po vychladnutí čidel teploty v potrubí se celý cyklus opakuje.
• Otočením průtoku ve směšovacím zkratu přestane trojcestný ventil plnit svou funkci, pro kterou byl do otopné soustavy navržen – směšovat otopnou vodu od kotle se zpátečkou z otopné soustavy na teplotu odpovídající venkovní teplotě.

Výrobci kotlů prodávají kotle jako výrobek. Nebývají současně výrobcem, projektantem a ani dodavatelem kotelen. Výrobce tak nenese žádnou zodpovědnost za použití svých schémat zapojení, která nemusí být funkční. Jde zpravidla pouze o ideová schémata, z nichž může projektant vybrat nejvhodnější, a to přizpůsobit konkrétní skutečnosti.

Zachránit funkci kotelny je možné náhradou trojcestného směšovacího ventilu ventilem dvoucestným se směšovacím zkratem a oběhovým čerpadlem – viz obrázek 3.

Toto zapojení je mnohem více odolné k otočení průtoku ve směšovacím zkratu, i když ne stoprocentně. Diferenční tlak od kotlového čerpadla se využívá pro dimenzování regulačního ventilu. Pokud přece jen dojde k otočení průtoku ve směšovacím zkratu, je to vždy v oblasti blízké plnému otevření ventilu a nekomplikuje se tím provoz pro převážnou část topné sezóny. Pokud k problému přistupuje topenář-projektant, má možnost si správnou funkci dvoucestného regulačního ventilu ověřit na volně dostupném programu české armaturky LDM Česká Třebová. Nesprávnou funkci trojcestného směšovacího ventilu, zatíženého tlakovou diferencí na vstupu, si mohou ověřit nejenom projektanti vytápění, ale i někteří výrobci kotlů, kteří taková schémata ve svých podkladech uvádějí.

Použití čtyřcestné klapky či ventilu podle obrázku 4 je možné s tím, že budeme mít čidlo teploty zpátečky jdoucí do kotle (ochrana kotle) a čidlo teploty vody vstupující do soustavy (regulace OS). Pak je nutné mít čerpadlo před i za čtyřcestnou armaturou. Tím je zajištěna dobrá regulační schopnost čtyřcestné armatury.

Pokud je čtyřcestná klapka situována ve výšce cca 1,5 m nad tepelným středem kotle, pak je možné čerpadlo v kotlovém okruhu vynechat. Při takovém zapojení je čtyřcestný ventil řízen především podle požadavků otopné soustavy, ochrana kotle je až druhotná a dochází k prodloužení doby náběhu soustavy. Nicméně je to ochrana vyhovující, zejména pro litinové kotle.

Na obrázku 5 je schéma zapojení s trojcestnou směšovací armaturou a hydraulickým vyrovnávačem dynamických tlaků (HDVT), který je situován rovněž cca 1,5 m nad tepelným středem kotle.

V kotlovém okruhu je samotížný oběh otopné vody, v otopné soustavě je oběh otopné vody nucený. Pokud by to, z výškových poměrů v kotelně nebylo možné, lze do kotlového okruhu navrhnout oběhové čerpadlo. Ani v tomto případě nebude trojcestný ventil zatížen tlakovou diferencí na vstupu a bude mít vytvořen předpoklad pro správnou funkci. Čerpadlo otopné soustavy se spustí do provozu až po dosažení teploty zpátečky 65 °C. Tím je kotel chráněn před nízkoteplotní korozí.

Pro ocelové kotle je možné učinit následující doporučení:

1. Nejlepším řešením je řešení podle schématu zapojení na obrázku 2, tj. s akumulační nádobou. Provozování kotle je nejméně náročné, lze tzv. topit „do zásoby“ a provozovat kotel v oblasti nejvyšší účinnosti, tj. s nižší spotřebou paliva. Nevýhodou řešení je vyšší investiční náročnost a větší nárok na plochu kotelny.
2. Pokud vymezený prostor kotelny neumožňuje použít akumulační nádrž, musíme se smířit s náročnější obsluhou kotle, nižší provozní účinností kotelny a vyšší spotřebou paliva oproti kotelně stejného výkonu s akumulační nádrží. V těchto případech je potřeba vyhnout se schématu zapojení s termostatickou trojcestnou směšovací armaturou u zpátečky kotle a s čerpadlem v kotlovém okruhu. Z hydraulických důvodů takové zapojení neumožňuje kotelně spolehlivě fungovat.
3. Schéma zapojení podle obrázku 3 je funkční, ale jen jako záchrana chybného zapojení s trojcestným směšovacím ventilem. Dimenzování dvoucestného regulačního ventilu je závislé na vstupní tlakové diferenci, která by měla být konstantní, to ale není splněno.
4. Schéma zapojení podle obrázků 4 a 5 je osvědčené a funkční. Pokud se do kotlového okruhu podle schémat 4 a 5 navrhuje oběhové čerpadlo, je potřeba mít vyvážené průtoky v obou okruzích, jinak nemusí být tepelný výkon kotle přenositelný do otopné soustavy.

Závěr

Jednoznačná odpověď na otázku, zda zvolit ocelový nebo litinový kotel ne­existuje. Výběr se musí podřídit uvažovanému palivu a s tímto rozhodnutím souvisí volba vhodného hydraulického zapojení kotelny a otopné soustavy.

Poznámka redaktora:

Z pohledu vztahu k životnímu prostředí a maximálnímu využití tepelné energie v palivu, o které jde provozovateli především, se vyplatí instalovat dostatečně velkou akumulační nádobu nebo zvážit instalaci automaticky provozovaného kotle na pevná paliva, přestože je dražší. Nemusí jít ani tak o komfort, který je s automatickým kotlem spojen, i když je jistě příjemný, ale především o optimalizaci řízení procesu spalování paliva, odstranění stavů, kdy kotel má zbytečně velký přebytek vzduchu, nebo naopak nedostatek spalovacího vzduchu a ve spalinách se ztrácí část nespálených prchavých složek. Je nutné mít na paměti, že procesy ručního přikládání paliva svou nahodilostí skoro vždy negativně narušují proces spalování. Ti, co si pořizují nejlevnější kotle na pevná paliva s ručním přikládáním, aniž by instalovali akumulační nádobu, ve většině případů netuší, a nebo také nevěří, že se tím připravují o každoroční úspory, jejichž výše začíná na cca 10 % paliva, ale v konkrétním případě může být i 30 %. Při stále rostoucích cenách pevných paliv již nejde o nevýznamnou částku a návratnost investice do sice dražšího, ale úspornějšího kotle může být i 5 let.

Je škoda, že stát v současnosti, kdy je program Zelená úsporám prakticky uzavřen, významně nepreferuje podporu drobných projektů. Stát zde není pro lidi, ale pro velké podnikatele. Z pohledu ušetřených kilogramů emisí CO₂ by stálo za to zvážit úhradu bankovních úroků, které by vynaložil investor, majitel rodinného domu, pokud by si musel na rozdíl mezi cenou manuálního kotle a automatického půjčit. Vyřizování půjčky by mohly řešit hromadně topenářské firmy, a těm by úroky byly hrazeny. Podobný způsob byl realizován například při pořizování solárních zařízení z programu Zelená úsporám, tedy je s ním již konkrétní zkušenost.

Konec nově uváděných kotlů na trh s manuálním přikládáním pevného paliva se blíží, rok 2013 není daleko. Byla by škoda, pokud by došlo pouze k té změně, že nové manuální kotle sice nebudou na trhu ke koupi, ale budou náhradní díly. Takže si provozovatelé nechají ze starého kotle třeba jen plechový plášť a do něj zabudují sice nové, ale technologicky překonané kotlové těleso. I o tom se veřejně mluví.

Josef Hodboď

---

Steel or cast iron solid fuel boiler for reliable operation

Author deals with optimal operation and design of heating system with solid fuel boiler. The difference between the steel and cast iron boilers are explained. Pointed out are the advantages of the system with storage tank.

Keywords: boiler operation, heating system, storage tank