Plynové kondenzační kotle v nerekonstruovaných otopných soustavách rodinných domů a bytů

Autoři doporučují, na základě vyhodnocení spotřeb plynu, při výměně klasického plynového kotle v rodinném domě či bytové jednotce osadit výhradně kondenzačním kotlem, který vykazuje vyšší účinnost využití spalného tepla obsaženého v plynu. Dodavatel zemního plynu ve svých podkladech uvádí vztah: „spalné teplo = 1,11 x výhřevnost“ (koeficient 1,11 platí přibližně, přesnější hodnoty podle konkrétní šarže dodávky plynu určuje dodavatel). Doporučení se mimo jiné opírá i o zvýšení kvality spalování u nových kotlů vlivem dokonalejší regulace hořáků, která umožňuje minimalizovat přebytek vzduchu, a tím dosahovat vyšších úspor paliva.

Recenzent: Vladimír Galád

Článek se zabývá využitím plynových kondenzačních kotlů s výkonem do cca 30 kW v otopných soustavách vybavených otopnými tělesy, která byla navržena na běžně používaný teplotní spád 75/60 °C v obvyklých rodinných domech nebo bytech. Realizována byla pouze výměna původního plynového kotle za nový plynový kondenzační kotel bez jakýchkoli změn a zásahů do stávající otopné soustavy. Porovnávají se spotřeby, účinnosti, upozorňuje se na slabá místa a směruje k vhodnému řešení s důrazem na vyšší efektivitu provozu kondenzačního kotle v modernizované otopné soustavě.

Úvod

Se změnou v legislativě, přesněji se zavedením předpisů ERP (účinných od 26. 9. 2015), nebude v mnoha případech možné použít při rekonstrukcích otopných soustav, ve kterých se vytápělo plynovými kotli, jiné než plynové kondenzační kotle s vyšší provozní účinností a nižšími emisemi do ovzduší. Zpřísňující se legislativa předurčuje kondenzační techniku i do otopných soustav, ve kterých se před několika lety o ní neuvažovalo. Kondenzační kotle již v dnešním období často nahrazují v rodinných domech (RD) a bytové výstavbě dosluhující plynové kotle, především atmosférické nebo tzv. turbo-kotle, které byly instalovány při plošných plynofikacích z konce minulého a začátku nového tisíciletí. Příspěvek vychází z několika reálných příkladů, v nichž se dlouhodobě sledují spotřeby zemního plynu, ekonomika provozu nového kondenzačního kotle, sezónní stupeň využití, možný dopad na životní prostředí a vliv parametrů budovy a otopné soustavy.

Teorie

Kondenzační kotle jsou teoreticky i prakticky velmi dobře zmapované a bylo o nich napsáno již velmi mnoho. Pouze pro připomenutí – kondenzační kotle umí využívat tzv. latentní teplo, které se uvolňuje za vhodných podmínek kondenzací vodní páry, která je obsažená ve spalinách. Teoreticky se nechá získat při spalování zemního plynu až o 11 % tepelné energie navíc, což je i procentuální rozdíl mezi dříve používanou výhřevností a novodobě zavedeným spalným teplem. Výše tohoto zisku je ovšem závislá především na teplotách otopné vody v soustavě, na teplotě spalin a na technické úrovni kondenzačního kotle. Pro dosažení maximální účinnosti mají moderní kondenzační kotle pečlivé řízení směšovacího poměru spalovacího vzduchu a plynu. Při udržení nízké hodnoty součinitele přebytku vzduchu l totiž neklesá tak významně rosný bod páry obsažené ve spalinách a nezmenšuje se teplotní rozsah pro využití kondenzace (viz obr. 1).

Obr. 1 • Závislost teploty rosného bodu na přebytku vzduchu l ukazuje, jak se stoupajícím přebytkem vzduchu klesá rosný bod, a tím se snižuje možnost dosáhnout kondenzaci vodních par ve spalinách [1]

Moderní kondenzační kotle pro RD a byty pracují obvykle s přebytkem vzduchu l = 1,2 až 1,4; záleží na provedení a způsobu řízení kotle. Čím nižší přebytek vzduchu l bude kondenzační kotel v provozu mít, tím vyšší teplotu rosného bodu si udrží, a tím vyšší bude i provozní účinnost a úspory. Obdobně pro otopné soustavy s kondenzačními kotli platí, že čím nižší teplotní spád v otopné soustavě bude, přesněji čím nižší bude teplota zpětné otopné vody vracející se do příslušné části výměníku kondenzačního kotle, tím nižší bude i teplota odcházejících spalin, a tím vyšší bude využití kondenzace a úspory na spotřebě obvykle používaného zemního plynu. Současné plynové kondenzační kotle mají možnost regulace velkého výkonového rozsahu, elektronické řízení otáček ventilátoru, a tím se velmi dobře přizpůsobují okamžitým potřebám otopné soustavy a zároveň umí udržovat automaticky přebytek-poměr vzduchu l dle potřeby na co nejnižší hodnotě. Tím se minimalizuje snížení teploty rosného bodu od teoretické hodnoty (cca 57 °C) a využití kondenzace zůstává na velmi slušné úrovni v celém výkonovém rozsahu kondenzačního kotle. Nutné je ovšem zmínit, že při výměně klasického kotle za kondenzační kotel je nezbytně nutné, obvykle zcela nově, řešit spalinový systém a svod kondenzátu dle platných norem a předpisů.

Analýza provozu a výsledky měření

Na několika RD ve středních Čechách probíhalo cca 7leté měření skutečných spotřeb zemního plynu (ZP) nejprve s klasickým plynovým kotlem a následně po výměně s novým kondenzačním kotlem. Byl vybrán jeden ze sledovaných rodinných domů – RD(1).

Z porovnání v tab. 1 a z grafu na obr. 2 je patrný nezanedbatelný přínos kondenzačního kotle s ekvitermním regulátorem v otopné soustavě RD(1), kde byly tepelné ztráty cca 15 kW. Otopná soustava byla po výměně kotle bez zásahu a pracovala se shodným teplotním spádem 75/60 °C jako s původním klasickým plynovým kotlem, který byl řízený pokojovým termostatem. V absolutních číslech a v tomto RD(1) představovala úspora na spotřebě ZP překvapivých cca 22 %. V jiných RD byly zaznamenány úspory obvyklé pro podobné soustavy v rozsahu 14 až 18 %. Záleží samozřejmě na dané otopné soustavě, ale i na chování uživatelů v RD. Dále nutno zdůraznit, že celá zaznamenaná úspora nevznikla jen využitím kondenzace, ale i použitím vyspělejší úrovně tepelné plynové techniky jako takové.

Je možné namítat, že nebylo zohledněno i teplejší zimní období v posledních letech. Toto zohlednění nebylo provedeno záměrně, aby k dispozici zůstaly původní, nijak neovlivněné exaktní údaje. V každém případě je to pro uživatele zajímavá úspora. A nejen pro uživatele, ale i pro životní prostředí, a tím pro nás všechny, je tento trend velmi příznivý. Starší klasický kotel z předcházející doby býval s ohledem na emise ve spalinách obvykle ve 2. nebo 3. třídě NOx, tzn. do 200 nebo do 150 mg·kWh^–1. Současné kondenzační kotle obvyklých výkonů pro RD a byty se pohybují s hodnotami NOx do cca 40 mg·kWh^–1, případně i méně. I v tomto ohledu je přínos kondenzační techniky i ve starších otopných soustavách s nezměněným teplotním spádem 75/60 °C jednoznačný, ačkoliv oponenti přechodu na kondenzační techniku často tvrdí pravý opak.

Pro představu bylo provedeno vyhodnocení sezónního stupně vy­užití v otopné soustavě s kondenzačním kotlem a teplotním spádem 75/60 °C. Zvolena byla metodika popsaná v [2] s použitím upřesňujících výpočtů pro stanovení entalpie spalin a účinnosti plynových kotlů podle Ing. Valenty [1].

Vysvětlivky: T_z [°C] – interval teploty zpětné vody; T_D [%] – procentuální délka trvání intervalu, určená z obr. 3; H_Tz [kJ/kgss] – entalpie spalin pro daný interval teplot zpětné vody; DSV_D [%] – dílčí stupeň využití odpovídající intervalu teplot zpětné vody; SSV_m [%] – sezónní stupeň využití (stanovený ze spalného tepla); * – shodná hodnota entalpie spalin uvedená v předchozím sloupci

Opatření směrující ke zvýšení efektivity

V již realizovaných otopných soustavách s otopnými tělesy a návrhovým teplotním spádem 75/60 °C, kde se mění starší dosluhující plynový kotel za kondenzační, je možné vylepšit úspory kondenzačního kotle zvětšením otopné plochy. Na tuto investici provozovatelé přistoupí jedině tehdy, pokud je jejich záměrem celková modernizace nebo změna designu těles a podmínkou jsou i vyhovující stavební poměry. Pokud kondenzační kotel již neobsahuje, tak je možnost vyměnit obvyklý prostorový termostat za ekvitermní regulátor s venkovním čidlem, který by měl hlavně v přechodném období řízením teploty otopné vody na co nejnižší možnou úroveň zajistit větší četnost kondenzačního provozu, a tím i vyšší stupeň využití.

Mimo radikálnějších zásahů do otopné soustavy, mohou opatření směrovat i do způsobu přípravy TV. Např. výměna nepřímo vytápěného zásobníku TV za zásobník s tzv. vrstveným ohřevem, kdy se voda ohřívá přes deskový výměník, který zajistí po delší dobu nabíjení zásobníku lepší vychlazení „zpátečky“ a prodloužení chodu kondenzačního kotle v efektivnějším kondenzačním režimu. Případně je možné doplnit solární systém přípravy TV, anebo i doplnit kondenzační kotel o technickou novinku poslední doby, velmi efektivní tepelné čerpadlo propojené se zásobníkem na přípravu TV.

Další opatření spočívá alespoň v částečném zateplení vytápěného objektu.

Podívejme se na porovnání spotřeb dalšího sledovaného rodinného domu – RD(2) s tepelnými ztrátami okolo 13 kW. V prvém období byl v domě provozován klasický plynový závěsný kotel s regulovaným výkonem v rozsahu cca 10 až 24 kW s klasickým, nepřímo ohřívaným, 120litrovým zásobníkem na TV a prostorovým regulátorem. Po té byl klasický kotel vyměněn za kondenzační jednotku s výkonem 7 až 22 kW vybavenou integrovaným 210litrovým zásobníkem s vrstveným nabíjením a solárním předehřevem TV se dvěma deskovými kolektory, které byly umístěny na vhodně nasměrované jihozápadní sedlové střeše. Po roce provozu pak byl objekt zateplen.

Z tab. 3 jsou patrné úspory vzniklé po modernizaci otopné soustavy a v oranžových sloupcích jsou spotřeby ZP po následném částečném zateplení RD(2). V absolutních číslech a po výměně topného zdroje a po zateplení RD(2) byly vyčíslené úspory ve spotřebě ZP na cca 38 %. Z ročních hodnot ve žlutě podbarveném sloupci jsou vidět v letním období zajímavé úspory díky solárnímu předehřevu. V grafu na obr. 4 vidíme přínos kondenzační techniky s ekvitermním regulátorem a ve spojení s uvedeným zásobníkem se solárním předehřevem TV (viz prostřední modře zbarvená křivka, která je ovlivněna nízkou průměrnou teplotou v únoru 2012 a velmi krátkým sledovacím obdobím). Následně cca po 1 roce se investor rozhodnul pro částečné zateplení domu. Graficky znázorňuje finální výsledek, po výměně kotle a po ­zateplení, spodní (zelená) křivka spotřeb.

V bytech, které mají obvykle tepelné ztráty na menších (cca polovičních) hodnotách, než uvedené sledované RD(1,2), se úspory zemního plynu při vytápění přibližují procentuálním hodnotám dosažených v RD. Je nutné ovšem mít na paměti, že absolutní čísla úspor pak vychází z nižších spotřeb etážového vytápění bytů, které jsou vytápěny samostatným plynovým kotlem, a proto budou mnohem nižší, než v RD. Přesto i v bytech s etážovým vytápěním se často starší klasické plynové kotle za nové kondenzační mění. Jejich hlavní přínos je pak především pro životní prostředí a čistější ovzduší, dále jsou to samozřejmě úspory na spotřebě plynu. Významným faktorem hovořícím ve prospěch výměny je zvýšení provozní bezpečnosti nově nainstalovaných kondenzačních kotlů dle aktuálně platných předpisů.

Závěr

Příspěvek upozorňuje na oblast použití plynových kondenzačních kotlů v RD a bytech, kde se vyměňují stará plynová zařízení za nová. Tato problematika není často publikována, přitom se s ní nyní bude setkávat, možná dennodenně, řada profesionálů pracující v oboru vytápění. Umíme velmi dobře navrhnout novou otopnou soustavu, v níž bude kondenzační kotel pracovat s maximálním využitím. V příspěvku je ukázáno, že i pouhá výměna plynového kotle předchozí generace za moderní kondenzační kotel, má rozumný přínos i v reálných rekonstrukcích otopných soustav RD a bytů, kde bývají v současnosti většinou otopná tělesa navržená na teplotní spád 75/60 °C.

Literatura

1. VALENTA V. Tepelné soustavy – podmínky pro účinné spalování paliv. GAS, 2001.
2. JELÍNEK V. Kondenzační technika u plynových spotřebičů. GAS, 2010.
3. Přednášky Kotelny a komínová technika, aktualizováno 04.2013. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra TZB, Dostupné z:
   http://www.fsv.cvut.cz
4. Kondenzační kotel pro každého, aktualizováno 01.2013. TZB info. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz

Poděkování

Autoři děkují za konzultace doc. V. Jelínkovi a Ing. V. Valentovi, autoři dále chtějí poděkovat společnosti Bosch Termotechnika za propůjčení měřicích přístrojů a vzorků kondenzační techniky.

---

Gas condensing boilers in unreconstructed heating systems in residential buildings

The article describes condensing boilers with output power up to 30 kW in heating systems with temperature gradient 75/60 °C in residential buildings, compares gas consumption between traditional and condensing boilers in real installations, recommends measures to improve energy efficiency and reduce gas consumption.

Keywords: Gas condensing boiler, heating system, gas consumption, energy saving