Přepočet emisí a účinností teplovodních kotlů na pevná paliva na požadavky podle Ekodesignu

V Úředním věstníku EU L193 bylo 21. července letošního roku zveřejněno dlouho očekávané Nařízení Komise 2015/1189 (dále jen NK), které definuje požadavky na Ekodesign kotlů na pevná paliva (dále jen Ekodesign). Tedy požadavky na emise a minimální účinnosti, které budou muset tyto zdroje tepla splňovat při uvádění na trh. Evropská Komise si je vědoma skutečnosti, že schválené parametry jsou velice přísné, a že je nutné ponechat výrobcům dostatečný čas na jejich splnění. Proto budou požadavky dle NK platné v celé EU až od roku 2020.

Poněkud jiná situace se zaváděním požadavků na Ekodesign však nastává u nás. MŽP již zveřejnilo základní podmínky pro tzv. „nové kotlíkové dotace“. Dle předpokladu ministerstva by mělo být díky těmto dotacím do konce roku 2020 vyměněno až 80 tisíc nevyhovujících kotlů spalujících pevná fosilní paliva za moderní zdroje tepla (kotle na uhlí a biomasu, kondenzační plynové kotle, tepelná čerpadla). Finanční prostředky na dotace poskytla EU s tím, že dotované zdroje tepla musí splňovat technické parametry podle Ekodesignu pro jednotlivé typy zdrojů. U teplovodních kotlů na pevná paliva to znamená, že pro Evropu v současnosti příliš přísné požadavky dle NK, budou v ČR platit již v roce 2015, pokud zájemce bude chtít na jejich pořízení získat dotaci. Je evidentní, že sice levnější kotel horších parametrů bude po započtení dotace na kotel splňující parametry Ekodesignu konkurence neschopným.

Jak jsem již uvedl, NK uvádí požadavky na emise a minimální účinnosti teplovodních kotlů (konkrétní údaje jsme publikovali v č. 2/2015). Nicméně oproti stávající praxi se nejedná o parametry přímo získané při počáteční zkoušce výrobku u autorizované osoby podle EN 303-5:2012. Tedy emise a účinnosti zjištěné při jmenovitém a minimálním výkonu. Ekodesign zavádí tzv. „sezónní hodnoty“, které se z těchto parametrů přepočítávají.

• Sezónní emise – parametry zohledňující emise produkované při jmenovitém i minimálním výkonu zdroje. Regulovanými škodlivinami jsou prach (PM), organicky vázaný uhlík (OGC), oxid uhelnatý CO a oproti EN 303-5:2012 navíc oxidy dusíku NO_x. Emisní limity jsou stanoveny pro referenční obsah kyslíku O₂ = 10 %.
• Sezónní energetická účinnost vytápění – vážený průměr účinnosti zdroje deklarované výrobcem při jmenovitém a minimálním výkonu, snížená o ztráty vzniklé v důsledku regulace teploty teplonosné látky a o ztráty vzniklé započtením použité pomocné elektrické energie. A aby toho nebylo málo, zmíněné účinnosti se nestanoví z výhřevnosti paliva, ale z jeho spalného tepla.

V následujících řádcích si na případu konkrétního automatického kotle na pelety předvedeme, jak lze z parametrů zjištěných při zkoušce dle EN 303-5:2012, tedy z parametrů doposud deklarovaných výrobci v průvodní technické dokumentaci, vypočíst parametry požadované NK.

Parametry ověřené pro referenční kotel dle EN 303-5:2012

Referenčním kotlem je automatický kotel na dřevní pelety LICOTHERM AM 24 BIO, u kterého bylo provedeno, jako u jednoho z prvních kotlů v ČR, autorizovanou osobou (SZÚ Brno) oficiální ověření shody s požadavky podle Ekodesignu (NK). V souladu s metodikou dle EN 303-5:2012 byly nejdříve zjištěny emise škodlivin, účinnosti a elektrické příkony při jmenovitém a sníženém výkonu. Účinnosti byly stanoveny přímou metodou ve vztahu k výhřevnosti paliva. V následující tabulce jsou uvedeny zjištěné hodnoty.

Rozborem byla zjištěna výhřevnost zkušebního paliva (dřevní pelety) Q_j= 17,5 MJ·kg^–1 při vlhkostiW = 7 %, spalné teplo Q_S= 18,9 MJ·kg^–1. Elektrický příkon pro STAND BY režim (útlumový režim) byl naměřen 3 W.

Přepočet emisí dle Ekodesignu

Podle NK jsou kotle na pevná paliva rozděleny do dvou základních kategorií, a to z pohledu možnosti regulace výkonu. První kategorii tvoří kotle s automatickým (samočinným) přikládáním paliva, u kterých je výkon regulovatelný v rozsahu 30 až 100 % jmenovitého výkonu a kotle s ručním přikládáním, které mají minimální regulovatelný výkon alespoň 50 % výkonu jmenovitého (regulovatelné). Druhou kategorii tvoří kotle s ručním přikládáním paliva, které nemohou být trvale provozovány na minimální výkon alespoň 50 % výkonu jmenovitého (neregulovatelné).

Obecný vztah pro stanovení sezónních emisí pro regulovatelné kotle je tento:

kde

• E_s,p emise při minimálním výkonu kotle [mg·m^–3]
• E_s,n emise při jmenovitém výkonu kotle [mg·m^–3]

a pro neregulovatelné kotle

Referenční kotel, jako kotel se samočinnou dodávkou paliva, musí být regulovatelný v rozsahu 30 až 100 % jmenovitého výkonu. Proto pro přepočet bylo použito prvního vzorce. Výsledky jsou v následující tabulce.

Přepočet účinností dle Ekodesignu

Sezónní energetická účinnost vytápění dle NK se vypočte ze vztahu

kde

• h_son sezónní energetická účinnost v aktivním režimu [%]
• F(1) = 3 [%] pevně stanovená ztráta v důsledku upravených příspěvků regulace teploty (zohledňuje změny provozních stavů kotle)
• F(2) ztráta ze spotřeby pomocné elektrické energie [%]

Sezónní energetická účinnost v aktivním režimu u regulovatelných kotlů je váženým průměrem účinnosti při minimálním výkonu h_{p ^[%]} a jmenovitém výkonu h_n [%] podle vztahu

 

u neregulovatelných kotlů platí

Všechny účinnosti určené dle EN 303-5:2012, tedy účinnosti vztažené k výhřevnosti paliva, musí být ale přepočteny na účinnosti vztažené ke spalnému teplu. Pokud známe rozbor paliva, lze sezónní energetickou účinnost h_son jednoduše korigovat vynásobením poměrem mezi výhřevností Q_j a spalným teplem Q_S dle vztahu

Pro referenční kotel získáme po dosazení zjištěných hodnot sezónní energetickou účinnost v aktivním režimu vztaženou ke spalnému ­teplu

Výrobci bohužel v průvodní technické dokumentaci neudávají rozbor paliva, se kterým byl kotel zkoušen. Pro orientační výpočet pak lze použít zjednodušených vztahů, které jsou popsány v poslední kapitole tohoto příspěvku.

Ztráta ze spotřeby pomocné elektrické energie pro regulovatelné kotle se vypočte ze vztahu

kde

• 2,5 převodní koeficient CC vyjadřující odhadovanou 40% průměrnou účinnost při výrobě elektrické energie v EU
• el_max elektrický příkon kotle při jmenovitém výkonu [kW]
• el_min elektrický příkon kotle při minimálním výkonu [kW]
• P_SB elektrický příkon kotle v pohotovostním režimu (STAND BY režim)
• P_n jmenovitý výkon kotle [kW]
• P_p minimální výkon kotle [kW]

Pro neregulovatelné kotle

Pro referenční kotel platí

Výsledná sezónní energetická účinnost vytápění pro referenční kotel

V NK je pro kotle se jmenovitým výkonem vyšším jak 20 kW požadována hodnota h_s ³ 77 %, kotel tedy emisně i účinností odpovídá požadavkům na udělení dotací z nové kotlíkové dotace. Pro kotle o jmenovitém výkonu nižším jak 20 kW je požadováno h_s ³ 75 %.

Zjednodušený výpočet

Většina výrobců bohužel neuvádí v průvodní technické dokumentaci ke kotlům emise škodlivin zjištěné při počáteční zkoušce výrobku u autorizované osoby. Zde platí pravidlo, že emisní limity pro sezónní emise definované v NK odpovídají limitům definovaným pro kotle třídy 5 dle EN 303-5:2012. I po přepočtu se u kotle, který splnil limity pro třídu 5, nemůžeme dostat nad limity definovanými v NK.

Podle EN se nestanovují emise NO_x, takže i deklarace třídy 5 na výrobním štítku kotle neznamená, že kotel emisně automaticky vyhovuje požadavkům dle Eko­designu.

Zvláště některé kotle na spalování kusového dřeva mohou mít s limity NO_x problém.

Ovšem ještě větší problém může nastat u účinnosti. Zde naopak výrobci účinnosti ověřené při jmenovitém i minimálním výkonu zpravidla uvádějí, nicméně nejsou známy parametry zkušebního paliva, důležité pro přepočet. A zde rozhodně neplatí, že kotel účinností vyhovující třídě 5 dle EN současně vyhovuje také požadavkům na účinnost dle Ekodesignu.

Při známém obsahu vody W [%] a vodíku H [%] v palivu platí vztah mezi výhřevností Q_j a spalným teplem Q_S obecná rovnice

Při počátečních zkouškách, při kterých byly zjišťovány účinnosti, výrobci používají paliva nejvyšší kvality. U dřevních pelet to bývá výhřevnost okolo 17,1 MJ·kg^–1, W » 8 % a H » 6 %, u hnědého uhlí pak výhřevnost cca 20 MJ·kg^–1, W » 22 % a H » 5 %. U automatických kotlů, využívajících tato paliva, lze tedy s relativně velkou přesností stanovit, že rozdíl mezi účinností dle EN (výhřevnost) a dle NK (spalné teplo) je přibližně 7,5 % u uhlí a 8 % u pelet. Ztráta F(1) je konstantní 3 %, a ztráta F(2) závisí na množství elektrických agregátů, potřebných k provozu kotle. U referenčního kotle je k pohonu podavače paliva použito jediné převodovky s extrémně nízkým příkonem elektromotoru 30 W. Běžné jsou spíše příkony 90 W a více. U kotlů s větším příkonem lze tedy počítat se ztrátou F(2) v rozmezí 1,5 až 2 %. Oproti účinnosti deklarované v technické dokumentaci u kotlů se k účinnosti dle NK dopracujeme odečtením velmi významných 12 až 13 %.

Zatímco kotel o jmenovitém výkonu 25 kW potřebuje podle EN 303-5:2012 k dosažení třídy 5 účinnost 88,4 %, podle Ekodesignu je hranice číselně nižší 77 %. Ale stanovení účinnosti podle Ekodesignu je jednoznačně přísnější. Pozor, nejde o identické účinnosti! Proto neplatí, že dosažení třídy 5 znamená automaticky vyhovění parametrům dle Ekodesignu, byť číselně to tak na první pohled vypadá.

U kotlů s ručním přikládáním je orientační výpočet složitější, protože kvalita zkušebního paliva dosti kolísá. Dle mých zkušeností však rozdíl v účinnostech dle EN a dle Ekodesignu může být vyšší jak 13 %. To znamená, že číselně vyjádřená účinnost podle Ekodesignu bude minimálně o 13 % nižší než současně uváděná v technických podkladech výrobců.