Reálná provozní účinnost peletového kotle

Autor patří k našim předním odborníkům, konstruktérům kotlů na spalování tuhých paliv. Článek úzce navazuje na jeho dvě knihy: Dřevní peleta aneb peleta mýtů zbavená a Dřevní peleta II – spalování v malých zdrojích tepla, které byly oceněny Cenou Dr. Cihelky 2012 jako významné odborné publikace. Podle metody nepřímého výpočtu účinnosti autor rozebírá jednotlivé možné ztráty při spalování pelet v kotlích pro ústřední vytápění a stanoví reálnou dosažitelnou účinnost těchto kotlů. Autor doplnil další údaje oproti předchozím verzím článků na podobné téma.

Recenzent: Vladimír Jirout

Novela zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů, která nabývá účinnosti 1. ledna 2013, je označena jako zákon č. 318/2012 Sb. V § 6 Účinnost užití energie zdrojů a rozvodů energie se v odstavci uvádí: „(3) Dodavatel kotlů a kamen na biomasu, solárních fotovoltaických a solárních tepelných systémů, mělkých geotermálních systémů a tepelných čerpadel (dále jen „vybraná zařízení vyrábějící energii z obnovitelných zdrojů“) je povinen uvést pravdivé, nezkreslené a úplné informace o předpokládaných přínosech a ročních provozních nákladech těchto zařízení a jejich energetickou účinnost v technické dokumentaci nebo návodu na použití.“

Splnění nařízení zákona vyžaduje mnohem podrobněji se zabývat nikoliv jen účinnostmi citovaných zdrojů tepla zjištěnými v jednom nebo dvou pracovních bodech za ideálních podmínek na zkušebně, ale ověřovat je v celém spektru reálných provozních podmínek. Jedině tak může výrobce, potažmo dodavatel, poskytnout zákazníkům relevantní informace. V současné době ještě není obvyklé, aby zákazník žaloval dodavatele za nesplnění slíbené účinnosti, respektive jejího promítnutí do roční spotřeby paliva. Čeští právníci nejsou slepí a novela zákona jim vytváří nové pole pro rozšíření působnosti. Pokud se nezmění současný stav informací, poskytovaných některými dodavateli, je reálné, že se množství sporů rychle zvýší. A nemusí jít jen o spory klasické, kdy jeden zákazník žaluje dodavatele. Stačí, když se to trochu cíleně rozkřikne mezi lidmi a půjde o hromadné žaloby, kde žalující má mnohem větší právní sílu, a které mohou nejednoho dodavatele finančně vyčerpat a přivést k bankrotu.

V tomto příspěvku předkládám základní informace, které by mohli využít nejen dodavatelé peletových kotlů, aby mohli poskytnout pravdivé, nezkreslené a úplné informace o předpokládaných přínosech a ročních provozních nákladech, jak jim to od 1. ledna 2013 ukládá zákon. Problematika je podrobně popsána v publikaci Dřevní peleta II – spalování v malých zdrojích tepla.

Předpokládejme, že při ideálním spalovacím procesu je účinnost přeměny dřevní pelety na teplo h = 100 %. Toto ideální maximum v praxi snižují ztráty:

• q_A – ztráta citelným teplem spalin nebo také komínová ztráta
• q_B – ztráta plynným nedopalem
• q_C – ztráta mechanickým nedopalem
• q_D – ztrátu sdílením tepla z peletového kotle do okolí

Celkovou účinnost kotle, stanovenou nepřímou metodou se zahrnutím jednotlivých ztrát, získáme ze vztahu:

Ve výše uvedené publikaci je uveden detailní rozbor, jak byly získány konkrétní hodnoty jednotlivých ztrát pro běžný kotel, které budou dosazeny do vzorce. Ve stručnosti tedy alespoň shrnutí.

Ztráta citelným teplem spalin nebo také komínová ztráta

Pokud chceme najít hranici špičkového peletového kotle z hlediska ztráty citelným teplem spalin, pak uvažujme limitní hodnotu přebytku vzduchu n = 1,3, tedy pracujeme s koncentrací O₂ » 4,8 %. Dle [1] je mezní teplotou spalin, při které ještě nedochází k jejich kondenzaci v komíně při jmenovitém výkonu, teplota 160 °C nad teplotou prostředí, tedy pro uvažovanou teplotu vzduchu 15 °C je to teplota spalin přibližně 175 °C. Pokud je při certifikaci naměřená při jmenovitém výkonu teplota spalin nižší, musí výrobce dle normy v průvodní dokumentaci: „… uvést doporučení pro instalaci kouřovodu, které zajistí dostatečný tah a zabrání vzniku kondenzátu a sazení v celém komínu“. Pro tyto hodnoty pak lze odvodit mezní hodnotu komínové ztráty z tzv. Siegertova vztahu

kde

• t_s je teplota spalin na výstupu z kotle ve °C
• t_v teplota prostředí (spalovacího vzduchu) ve °C
• O₂ naměřená koncentrace kyslíku ve spalinách v %
• A a B konstanty, které pro dřevo mají hodnoty A = 0,7 a B = 0,01.

Dosazením konkrétních hodnot vychází:

Limitní hodnotou „nekondenzační“ teploty spalin je pro běžný peletový kotel cca 145 °C. Při této teplotě ještě u většiny komínů máme jistotu, že v jeho ústí (výstupu) nedochází ke kondenzaci spalin. Pro tuto teplotu můžeme tedy určit limitní výši „nekondenzační“ komínové ztráty na 7 %.

Ztráta plynným nedopalem

Velikost ztráty plynným nedopalem je závislá na množství nespálené hořlaviny ve spalinách. Zvláště u peletových kotlů je velikost ztrát plynným nedopalem zpravidla zanedbatelná. Dle [2] platí pro ztrátu plynným nedopalem upravený vztah (pokud reálně předpokládáme dokonalé vyhoření)

kde

• V_SS je objem skutečně vzniklých suchých spalin. Pro výhřevnost paliva Q_N = 17,1 MJ/kg, přebytek vzduchu n = 1,7 (CO₂ = 11,8 %) a průměrnou koncentraci CO = 500 ppm (0,05 %) pak získáme s velkou přesností hodnotu plynného nedopalu:

Pro špičkové peletové kotle s n = 1,3 (CO₂ = 15,4 %) a CO = 0,01 % vyjde q_B= 0,04 % a můžeme s rezervou počítat se ztrátou plynným nedopalem do 0,1 %.

Ztráta mechanickým nedopalem

U správně seřízeného peletového kotle je také mechanický nedopal minimální. Lze to ověřit přibližným výpočtem. Dle [2] pro ztrátu mechanickým nedopalem platí upravený vztah:

kde

• C_Z je hmotnostní podíl uhlíku v pevných zbytcích spalování vztažený na jednotku paliva v %.

Stanovit hodnotu C_Z u pelet, ve kterých se podíl popeloviny pohybuje pod 1 %, je pouhým pohledem na popel nemožné. Na základě dlouhodobých zkušeností a mnoha laboratorních rozborů mohu konstatovat, že pokud v popelu převažují zuhelnatělé černé pelety (drží tvar pelet), pohybuje se hodnota C_Z okolo 4 %, u tmavého popele s občasnými kousky černých pelet okolo 1 % a u jemného světlého popílku je to cca 0,1 %.

Vezměme tedy solidní průměr 0,5 %, výhřevnost 17,1 MJ/kg a dosazením do vzorce získáme hodnotu ztráty:

Pro velice špatně spalující kotel (C_z ³ 4 %) je hodnota nedopalu okolo 7 až 8 %. Je nutné si uvědomit, že převážná část hořlaviny pelet je prchavá, kterou zuhelnatělá peleta již „vypustila“. Pro limitní výpočet vezměme hodnotu C_Z = 0,1 % a z ní vychází u špičkového peletového kotle ztráta mechanickým nedopalem do 0,2 %.

Ztráta sdílením tepla do okolí

Jde o poměr tepla uvolněného povrchem kotle k tepelnému příkonu. Závisí na povrchové teplotě jednotlivých ploch. Povrchová teplota konkrétního kotle se nesnižuje úměrně s jeho výkonem (tedy i příkonem), a proto je, při provozu na snížený výkon s pomalu klesající povrchovou teplotou kotle, ztráta sdílením tepla do okolí vyšší než při výkonu jmenovitém. Zvláště výrazně se to projevuje při přechodu kotle z provozu na vysoký výkon do tzv. útlumového režimu. Povrch kotlového tělesa je provozem na vysoký výkon „nahřát“ a jeho teplota se snižuje poměrně pomalu. Ale příkon v palivu se razantně sníží, tedy ztráta sdílením tepla do okolí se i několikanásobně zvýší. Naproti tomu se výrazně sníží velikost ztráty citelným teplem spalin. Kvalitně tepelně zaizolovaný peletový kotel vykazuje při ustáleném provozu ztrátu sdílením tepla do okolí q_D na hranici 2 % a u špičkově zaizolovaného kotle se tato ztráta pohybuje do 1 %.

Celková účinnost kotle

Nyní výše popsané jednotlivé ztráty dosadíme do vzorce pro celkovou účinnost kotle:

a pro špičkový peletový kotel, pokud předpokládáme, že spaliny z něj odcházející nezkondenzují v komínovém průduchu:

Další zvyšování účinnosti lze provést pouze na úkor snižování teploty spalin pod kritickou hranici. Zde však platí, že snížení „komínové„ teploty o 10 °C znamená zvýšení účinnosti pouze o 0,6 až 0,7 % a takový zásah vyvolá nutnost úpravy komína na kondenzační provoz a především nutnost zajištění nuceného odtahu spalin do komína odtahovým ventilátorem s odpovídajícím zvýšením spotřeby elektrické energie.

Každý kotel má svoji charakteristickou výkonovou křivku, tedy závislost účinnosti na výkonu. U peletových kotlů se nejvyšší účinnost zpravidla pohybuje v rozmezí výkonů 70 až 100 % výkonu jmenovitého. To je jeden z více důvodů, proč by měly být i tyto kotle s relativně velkým regulačním rozsahem výkonu přednostně zapojeny s akumulační ­nádrží.

Uvedené výpočty ztrát platí pro ideálně vyčištěný a seřízený kotel. Při zaneseném výměníku se běžně teplota spalin pro dosažení stejného výkonu kotle navýší o 40 až 60 °C, a tím vzrůstá komínová ztráta o 3 až 4 %. Špatně seřízený hořák nebo nevhodné palivo, za které lze pro většinu technologií spalování považovat i nejběžněji užívané katrové (hnědé) pelety místo bílých, znamená zvýšení ztrát nejen plynným, ale i mechanickým nedopalem, protože větší množství popela, a jeho případné spékání na roštu, postupně omezuje přístup primárního spalovacího vzduchu k palivu.

Vliv spotřeby elektrické energie

Peletový kotel ke svému provozu vyžaduje spotřebu elektrické energie, kterou, s odvoláním na v úvodu citované ustanovení zákona, nemůžeme pominout. Je nutná na pohon dávkovačů paliva, ventilátorů a automatického zapalování (odpopelňování, automatické čištění,…). Spotřeba je závislá na konstrukci kotle. Jako konkrétní příklad jsem zvolil kotel s retortovým hořákem Licotherm AM 24. Jedná se o kotel s jedním šnekovým podavačem paliva o příkonu pohonu 40 W a jedním ventilátorem o příkonu 60 W. Hořák nemá elektrické zapalování. Jmenovitý výkon kotle je 24 kW, ale běžný průměrný výkon 70 % jmenovitého – cca 16 kW. Při tomto výkonu a účinnosti 88 % kotel spálí 3,8 kg pelet za hodinu (výhřevnost 4,8 kWh/kg). Konkrétní podavač je schopen dopravit v nepřetržitém provozu do hořáku 14 kg pelet za hodinu, na dopravu 4 kg potřebuje tedy 16,3 minuty. Průměrný příkon elektrické energie na podání paliva a pohon ventilátoru je

Pokud bychom například uvažovali s ročním proběhem 2000 provozních hodin, pak by spotřeba dosáhla 2000 x 0,071 = 142 kWh. Tuto spotřebu pomocné elektrické energie můžeme považovat za další ztrátu, a tedy zahrnout do celkové účinnosti. Ta pak vychází:

To znamená, že původní účinnosti h = 88 % se snížila na 87,4 % a že spotřeba elektřiny představuje ztrátu q_E= 0,6 %.

Ztráta vlivem spotřeby pomocné energie je u tohoto kotle vyšší než ztráta například plynným nedopalem. Podobné výsledky získáme u peletových hořáků s automatickým zapalováním při akumulačním provozu (otopná soustava s akumulační nádrží), při kterém se hořák zapaluje jen několikrát denně. Příkon elektrického zapalovače bývá zpravidla vyšší jak 1 kW, ale jeden cyklus zapalování trvá pouze 3 až 5 minut a spotřeba pomocné elektrické energie je zanedbatelná.

Situace se rapidně změní, pokud je kotel zapojený do otopné soustavy bez akumulační nádrže. Vezměme si poměrně běžnou situaci kvalitně zatepleného objektu s vytápěním řízeným špičkovou regulací. V nočních hodinách je snížen nárok na potřebu tepla dodávaného do objektu, kotel pracuje stejně jako plynové kotle v režimu ON/OFF, tedy chvíli vytápí, poté jej pokojový termostat „odstaví“ a opět po několika minutách zase zapne. Každé opětovné uvedení kotle do provozu je spojeno se zapalováním hořáku po průměrnou dobu 4 minuty. Předpokládejme mírnější variantu 2 zapálení za hodinu, příkon zapalovače 1 kW a průměrný hodinový výkon kotle 5 kW. Potom příkon v pomocné energii

s ročním proběhem 2000 provozních hodin představuje spotřebu 2000 x 0,13 = 260 kWh.

a celková účinnost peletového kotle je

Důsledkem zvýšeného počtu zapalování kotle je snížení účinnosti o 2 %. Zapalovače ve formě horkovzdušných „pistolí“ mívají příkon i vyšší, zpravidla 1,5 kW. Při podobném výkonovém regulačním rozsahu vzhledem k dané tepelné ztrátě objektu může počet opětného zapalování hořáku dosáhnout i několik desítek tisíc za rok.

Při ceně pelet 5 Kč/kg a ceně elektřiny 4,7 Kč/kWh (rok 2011) se v tomto modelovém případě podílí pomocná energie 10 % na celkových provozních nákladech kotle.

Závěr

Provozovatele peletových kotlů nezajímá primárně účinnost, ale skutečné náklady na palivo. V projektech otopných soustav a přílohách k nim, kde se zákazníkovi předběžně naznačuje jeho roční spotřeba paliva, by se zásadně mělo pracovat s objektivně stanovenými účinnostmi. Nesprávný postup vede ke klamání zákazníka a neoprávněně kazí pověst kvalitních peletových kotlů.

Literatura

1. ČSN EN 303-5:2000 Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 300 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení. ČNI, Praha, 2000.
2. ČSN 07 0240 Teplovodní a nízkotlaké parní kotle – Základní ustanovení. FÚNM, Praha, 2003.

---

Real efficiency of pellet boilers

The article deals with the efficiency of pellet boilers. Author explains in detail the method of the boiler efficiency calculation. He explain theoretical possibilities of efficiency increasing. He also points to other contexts.

Keywords: pellet boilers, boiler efficiency, efficiency increasing