Větrání nízkotlakých kotelen – 1. část

Autor textu působí bezmála 39 let jako soudní znalec v oboru tepelná technika. Jako pracovník Projektového ústavu hl. města Prahy se již na samém počátku své znalecké kariéry opakovaně setkával s případy otrav oxidem uhelnatým v kotelnách – zejména v těch na tuhá paliva. To jej inspirovalo k vydání příručky pro projektanty ústavu pod názvem „Metodika výpočtu větrání kotelen“.
Později byla příručka rovněž vydána jako příloha ke konferenci Vytápění pod názvem „Větrání nízkotlakých kotelen“. Společně s dalšími projektanty PÚ VHMP jsme pak podle ní v průběhu následujících let úspěšně navrhli stovky kotelen, u kterých nikdy k tragickým otravám CO nedošlo.
I když se v průběhu doby změnily některé normy a vyhlášky, nadčasová hodnota této příručky umožňuje její využití i dnes. Proto se nyní vracíme o několik desetiletí zpět s cílem seznámit generaci mladších projektantů s historií větrání kotelen.

Recenzent: Jiří Rynda

1.0 Obecné požadavky na větrání kotelen

Jsou obsaženy v § 6 vyhl. č. 24/1984 Sb. s odvolávkou na hygienický předpis č. 46/1978. Dostatečným přívodem vzduchu se rozumí vzduch potřebný pro spalování (V_s) a větrání (V_{c, Vt}).

Při výpočtu množství spalovacího vzduchu V_s se vychází ze spotřeby paliva, přebytku vzduchu a minimálního množství vzduchu nutného k dokonalému spálení 1 kg·Nm^–3 paliva (L_min). Výpočet hodnoty L_min vychází z empirických vztahů v závislosti na výhřevnosti paliva. Do výpočtu množství spalovacího vzduchu se zavádí korekce na teplotu a barometrický tlak vzduchu v kotelně.

Větrací vzduch má v kotelně zajistit potřebné mikroklimatické poměry – maximálně přípustnou koncentraci škodlivin a dodržení požadované teploty vzduchu v kotelně.

Za škodliviny v kotelně se považuje prach, kysličník uhelnatý, event. únik plynu. Údaje o množství škodlivin v kotelně však nejsou k dispozici. Jejich produkce má nahodilý charakter a nelze je jednoznačně určit. Závisí na druhu a kvalitě paliva, na správném řešení tahových poměrů topeniště, kvalitě obsluhy a údržby. V odborné literatuře se proto uvádí pouze doporučené hodnoty intenzity výměny vzduchu, orientačně 4 až 10 l·h^–1.

Norma ČSN 07 0703 Plynové kotelny požaduje v čl. 29:

• minimálně 3násobnou výměnu vzduchu, event.
• 6násobnou výměnu vzduchu, pokud je přímo v kotelně umístěno plynové regulační a odběrové zařízení a
• 10násobnou výměnu vzduchu pro havarijní větrání pro kotelny o výkonu větším jak 3,5 MW (čl. 6).

Pro tuhá paliva není výměna vzduchu v kotelně předepsána. Možno proto uvažovat se stejnou hodnotou jako v plynové kotelně (3x), nebo lépe, s ohledem na větší prašnost i s výměnou vyšší. Tuto výměnu vzduchu je nutné zajistit při provozu i klidu kotlů – pokud je v kotelně přítomna obsluha, a to i v letním období.

Požadavek § 6 vyhl. č. 24/1984 Sb. na příčné provětrání prostoru ­kotelny nutno zabezpečit u všech druhů paliv s tím, že u paliva plynného lze tolerovat aerační odvodní otvor i ve stejné stěně (názor ­autora).

2.0 Teplota vzduchu v kotelně

Teplota vzduchu v kotelně není předpisem určena. Nutno ji proto volit s ohledem na dostupné podklady.

Norma ČSN 06 0210 na str. 19, tab. 2 uvádí rozmezí teplot 15 až 20 °C. Pro výpočet komínových průduchů se teplota vzduchu v kotelně volí:

• +10 °C pro spotřebiče paliv používaných pouze v topném období a
• +25 °C pro spotřebiče paliv používaných celoročně (viz čl. 16 ČSN 73 4211 a čl. 17 ČSN 73 4212).

Směrnice o hygienických požadavcích na pracovní prostředí č. 46/ 1978 sv. 39 uvádí pro středně těžkou práci s tepelnou produkcí 95 až 130 W·m^–2 výsledné teploty vzduchu v rozmezí 7,5 až 19,5 °C.

U kotelen na tuhá paliva s tepelnou produkcí 110–135 W·m^–2 lze uvažovat s rozmezím teplot 7,5 až 16 °C. U kotelen na kapalná a plynná paliva s tepelnou produkcí 60–110 W·m^–2 lze uvažovat rozmezí teplot 12–19,5 °C.

Rozdíl tepelných, zisků od zařízení kotelny a tepelných ztrát dává hodnotu tepelné zátěže kotelny. Ze známé tepelné zátěže lze určit potřebný průtok větracího vzduchu V_t, pro dodržení požadované teploty vzduchu v kotelně.

3.0 Ohřev vzduchu v kotelně

Stanovením

• množství spalovacího vzduchu V_s,
• množství větracího vzduchu V_c a
• množství vzduchu k dodržení požadované teploty v kotelně V_t

jsou zadány vstupní údaje pro návrh větrání kotelny.

Je-li alespoň jedna z hodnot V_{s, Vc} nebo jejich součet větší než V_t, nedostačuje tepelná zátěž k udržení zvolené teploty vzduchu v kotelně. Pak nutno kontrolovat teplotu t_i, kterou lze při přirozeném větrání kotelny dosáhnout. Je-li vypočítaná hodnota t_i mimo pásmo dané hygienickým předpisem, je třeba vzduch ohřívat (u plynových kotelen přes 90 % případů!).

Nejběžnějším způsobem ohřevu vzduchu v kotelně je navržení nuceného přívodu vzduchu s ohřívačem. Lze však ponechat přirozené větrání a ohřev vzduchu řešit jednotkou pro ohřev cirkulačního vzduchu.

4.0 Dimenzování otvorů pro přívod a odvod vzduchu

Přirozený přívod vzduchu neuzavíratelným otvorem u podlahy kotelny musí být navržen u každé kotelny. Kromě toho se nucený přívod vzduchu navrhuje v případě, že

1. je požadován nucený odvod vzduchu. Důvodem je zajištění přetlakového větrání. Nucený přívod vzduchu může nebo nemusí být vybaven ohřevem vzduchu,
2. nebo je nutno vzduch ohřívat a k ohřevu se navrhne ohřívač vřazený do jednotky pro nucený přívod vzduchu.

Odvod vzduchu může být přirozený, tj. aeračním otvorem u plynových kotelen nebo větrací šachtou u tuhých a kapalných paliv. Odvod vzduchu u tuhých a kapalných paliv však může být pouze nucený, a to při zachování podmínky přetlakového větrání. Nejběžnějším důvodem je obtížnost dodatečného zřízení větrací šachty u stávajících objektů při rekonstrukci kotelny na tuhá paliva.

Normy DIN v grafických příkladech neuvádějí žádný případ, kdyby se u plynové kotelny použilo šachtové větrání! Podle názoru autora je zde namístě obava, že by při poruše mohl plyn proniknout do odvodné větrací šachty, při vyrovnání venkovní a vnitřní teploty tam setrvat a později – po opravě explodovat.

Správný návrh větracího zařízení závisí na vzájemném poměru hodnot V_{s , Vc , Vt}a na skutečnosti, zda lze prostor kotelny účinně provětrat bez V_{c .}

Účinným provětráním kotelny se rozumí stav, kdy spalovací vzduch V_s (nebo V_t) na cestě ke kotli (hořáku) účinně provětrává oblast pobytu. Příkladem může být plynová kotelna, kdy přívod vzduchu je situován na protilehlé straně hořáku (tj. za kotlem).

Účinné provětrání kotelny není zajištěno např. v případě uhelné kotelny, kdy přívodní otvor je situován před kotli. Pak je nutné přívodní otvor dimenzovat na V_s + V_c a V_t odvádět šachtou.

Mezi těmito dvěma krajními případy lze navrhnout kotelnu tak, kdy k V_s > V_c se bude připočítávat pouze část V_c. Bude to tehdy, když V_s provětrá dostatečně např. 2/3 prostoru kotelny, pro zbývající třetinu kubatury kotelny přivedeme navíc pouze část V_c (v tomto případe 1/3 V_c). Toto se týká dimenzování přívodu vzduchu. Odvod musíme dimenzovat vždy na V_c (>V_t).

Pokud je účinné provětrání kotelny dispozičně zajistitelné, stanoví se V_p jako max. z hodnot V_{s , Vc , Vt} . V opačném případě je nutné V_p dimenzovat na součet V_c + maximum ze zbývajících hodnot V_{s , Vt .}

Odvod vzduchu V_o se obecně dimenzuje na větší z hodnot V_{c , Vt} . Je-li vzduch ohříván, pak na hodnotu V_c (většina případů).

V kapitole 6.6 výpočtové části je uvedena tabulka, ze které lze množství V_p a V_o přímo určit.

Podle § 3 vyhl. č. 24/1984 Sb. je součástí dokumentace kotelny výpočet potřebného množství vzduchu pro spalování a výpočet účinného větrání, prostoru kotelny a prostorů souvisejících s prostorem kotelny. Jde tedy o hodnoty V_{s , Vc , Vt , Vo} a plochy otvorů pro přirozené větrání kotelny.

5.0 Výpočtová část

5.1 Tepelný zisk od kotlů

kde je

• a – 10 součinitel přestupu tepla [W·m^–2·K^–1],
• S – plocha kotlů [m²],
• t_po – povrchová teplota kotlů, podle § 9 vyhl. č. 24/1984 max. 60 °C,
• t_i – teplota v kotelně 7,5 ÷ 16,0 °C tuhá paliva, 12 ÷ 19,5 kapalná a plynná paliva.

Obvykle Q_zisk = 1,2 až 1,5 % z Q kotlů u tuhých paliv a cca 0,6 % z Q kotlů u kapalných a plynných paliv. S ohledem na zisky od potrubí a neizolovaných armatur lze uvažovat s celkovým tepelným ziskem až dvojnásobným.

Závěr

Tuhá paliva

Kapalná a plynná paliva

 

kde je

• Q_k – tepelný výkon kotelny [W].

5.2 Tepelná ztráta kotelny Qztr [W]

se určí podle ČSE 06 0210 nebo odhadem (20 ÷ 25) W·m^–3 kotelny

Na tomto místě doporučuji tepelnou ztrátu kotelny odhadovat. Je to proto, že tepelný zisk rovněž odhadujeme a rozdíl tepelných ztrát a zisků nám pak následně (kapitola 5.7) napovídá, zda máme vzduch ohřívat (většina případů), či nikoliv.

5.3 Množství vzduchu pro odvedení přebytečného tepla V_t [m³·s^–1]

kde je

• t_p – teplota přívodního vzduchu [°C]; u přirozeného přívodu je t_p = t_e = –12 °C (Praha)
• r – měrná hmotnost přívodního vzduchu [kg·m^–3]. Určí se ze vztahu r = 98100 : 287 (273 + t)
• r_e – měrná hmotnost přívodního vzduchu [kg·m^–3]. Pro t_e = –12 °C je r_e = 1,308 kg·m^–3
• C_e – měrná tepelná kapacita přívodního vzduchu pro rozmezí teplot –12 °C až +20 °C [J·kg^–1·K^–1];
  C_e = 1010 J·kg^–1·K^–1

Součin C_e · r_e pro t_e = –12 je: C_e · r_e = 1321

5.4 Množství vzduchu pro zajištění čistoty ovzduší V_c [m³·m^–1]

Norma ČSN 07 0703 Plynové kotelny požaduje v čl. 29 dostatečný přívod vzduchu na celkový instalovaný výkon hořáků, přičemž musí být zaručena trojnásobná výměna vzduchu v prostoru kotelny za hodinu za všech provozních režimů kromě odstávky, kdy je uzavřen hlavní uzávěr plynu kotelny.

Za provozní režim nutno považovat i letní přípravu TV, kdy je přirozené větrání kotelny neúčinné a nutno mimo něj navrhnout i větrání nucené.

Pokud je regulační a odběrné měřicí zařízení plynu umístěno v kotelně, musí být zajištěna nejméně šestinásobná výměna vzduchu za ho­dinu.

Kotelny o výkonu nad 3,5 MW musí mít havarijní větrání s výměnou desetinásobnou. V tomto případě musí být havarijní ventilátor v nevýbušném provedení ČSN 73 5120/ 1986.

Podle ČSN 33 2320 čl. 1.4.2. se za vnitřní větraný prostor považuje obestavěný prostor, ve kterém je postaráno o trvalou výměnu vzduchu. Za větraný se považuje bez dalšího průkazu prostor s výměnou vzduchu alespoň 6x za hodinu. Menší výměnu vzduchu lze připustit jen tehdy, lze-li prokázat (např. výpočtem), že i při neobvyklých provozních stavech nemůže vzniknout ve vnitřním prostoru jako celku nebezpečná koncentrace.

Protože norma ČSN 07 0703 Plynové kotelny nabyla účinnosti později než ČSN 33 2320 (prostředí), považujeme i nadále požadavek na trojnásobnou výměnu za dostatečný průkaz pro větraný prostor podle ČSN. Kubaturu kotelny označíme V [m³].

S hodnotou V_c se uvažuje jednak při stanovení plochy neuzavíratelných otvorů, jednak při návrhu koncepce nuceného větrání.

Vzhledem k proměnlivosti venkovních i vnitřních teplot vzduchu, lze podmínku trojnásobné výměny vzduchu za každého provozního stavu 100% zaručit jen při současném nuceném větrání!

Teoreticky lze nucený přívod V_c vypnout pouze v topné sezoně a to jen tehdy, když přívodní množství spalovacího vzduchu V_s převýší požadovanou trojnásobnou výměnu.

pro plynové kotelny

pro kotelny na tuhá paliva

5.5 Množství spalovacího vzduchu V_s [m³·h^–1]

Spotřeba paliva B [kg·h^–1 – Nm³·h^–1]

[kg·h^–1 – Nm³·h^–1]

kde je

• h – účinnost kotle:
  – tuhá paliva (0,65 – 0,75)
  – kapalná a plynná paliva (0,75 – 0,8)
• Q_k – tepelný výkon kotelny [W],
• H – výhřevnost paliva [MJ·kg^–1, MJ·Nm^–3].

Teoretická měrná potřeba vzduchu pro dokonalé spálení 1kg/1 Nm³ paliva při přebytku vzduchu n = 1 se vypočte z empirických vztahů:

tuhá paliva:

 

kapalná paliva:

plynná paliva:

kde je

• H_u – výhřevnost paliva [kcal·kg^–1, kcal·Nm³].

Dosazujeme-li do těchto empirických vztahů v jednotkách SI [MJ·kg^–1 – MJ·Nm^–3), musíme upravit konstantou 4187:

tuhá paliva:

kapalná paliva:

plynná paliva:

Obvyklý přebytek vzduchu pro spalování tuhých paliv je n = 1,5, kapalných a plynných je n = 1,3.

Množství spalovacího vzduchu V_s [m·h^–1]:

kde člen v závorce představuje korekci na teplotu a barometrický tlak v kotelně. Přibližně je hodnota závorky rovna 1,1 a výsledný vztah pro V_s bude:

Orientační hodnoty H (H_u) a L_min jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1 • H – výhřevnost paliva [MJ·kg^–1, MJ·Nm^–3];
H_u – výhřevnost paliva [kcal·kg^–1, kcal·Nm^–3];
L_min – spec. množství spal. vzduchu min. [Nm³·kg^–1, Nm3·Nm^–3];
n – přebytek vzduchu [–]

---

Ventilation of Low Pressure Boiler Rooms – Part 1

At the very beginning of his expert career in the Design Institute of The City of Prague the author repeatedly witnessed cases of carbon monoxide poisoning in the boiler rooms - especially in solid fuel boiler rooms.

This inspired him to publish a handbook for designers of the Institute under the title „Methodology of boiler ventilation calculation“.

Later, the manual was also published as an annex to the Heating Conference under the title „Ventilation of Low Pressure Boiler Rooms“.

Although some technical standards and decrees have changed over time, the timeless value of this handbook makes it possible to use it even nowadays. That´s why we are turning back in time to familiarize the generation of young designers with the history of boiler rooms ventilation.

Keywords: history, ventilation, low-pressure boiler room, solid fuels, carbon monoxide, poisoning

DOKONČENÍ PŘÍŠTĚ