Zapojení kondenzačních kotlů s termohydraulickým rozdělovačem

Efektivní využití kondenzačních kotlů napojených přes termohydraulický rozdělovač (THR) je bez příslušných opatření nevhodné, neboť THR zvyšuje teplotu vratné vody proudící do kotle. Je tak třeba přistoupit jak k opatřením stran regulace, tak stran hydraulického připojení.

U kondenzačních kotlů spalujících zemní plyn je možné, v porovnání s nízkoteplotními moderními kotli, získat vyšší stupeň využití až o 14 %. Zde působí část zpětně získané entalpie ze spalin v podobě kondenzačního tepla vodní páry obsažené ve spalinách v poměru spalné teplo/výhřevnost cca 10 %. U hořáku s přebytkem vzduchu 1,2 se pohybuje teplota rosného bodu spalin při spalování zemního plynu okolo 57 °C. U kondenzační techniky to znamená, že teplota vratné vody vstupující do kotle a proudící do kondenzačního výměníku spaliny - otopná voda se musí trvale pohybovat pod výše uvedenou teplotou rosného bodu. Abychom dosáhli optimální účinnosti, je třeba zajistit co možná nejnižší teplotu vratné vody (t_ZKK) na vstupu do kondenzačního výměníku spaliny - otopná voda. Typický průběh účinnosti kondenzačního kotle v závislosti na teplotě vratné vody ukazuje obr. 1.

Obr. 1 Účinnost kondenzačního kotle v závislosti na teplotě vratné vody

U zařízení s jedním kotlem či bez THR mezi kotlovým a spotřebitelským okruhem je toto kritérium většinou spolehlivě splněno. Zejména při částečném výkonu (přechodné období) je pak teplota vratné vody pod teplotou rosného bodu spalin.

Na druhou stranu se dnes někdy využívá THR i u zařízení s více kondenzačními kotli k propojení kotlového a spotřebitelského okruhu (obr. 2). Z důvodu správného hydraulického fungování spotřebitelských okruhů a optimálního průběhu regulačních zásahů je jmenovitý průtok na straně kotlového okruhu navrhován vždy větší (viz příspěvky o THR) jak jmenovitý průtok spotřebitelskými okruhy. Bez zvláštních opatření to vede k tomu, že přebytečné množství přívodní vody z kotlového okruhu se vrací přes THR a způsobuje nežádoucí zvyšování teploty vratné vody t_ZKK (obr. 3).

V mnoha praktických aplikacích však lze THR přesto zachovat a vratné potrubí napojit ještě přímo na kondenzační výměník spaliny - otopná voda (obr. 4). Umožňuje to poměrně obvyklý způsob provedení stacionárních kondenzačních kotlů, které mají dva vstupy pro připojení vratného potrubí. Většinou níže umístěný z nich je přiveden k poslednímu tahu a je tak určen pro přívod nejchladnější vody. V tomto případě lze využít vratnou větev od nejchladnějšího spotřebitelského okruhu (obr. 5). Zde však musíme posoudit průtoky a energetické bilance i při částečných výkonech, abychom měli celou soustavu v hydraulické rovnováze i v přechodném období.

Obr. 2 Více kondenzačních kotlů napojených přes THR a možné dosahované teploty


Obr. 3 Provoz bez využívání kondenzačního tepla spalin s vytížením 2x32 % = 3840 kW

Nedomnívejme se však, že zajistíme kondenzační režim při použití standardního napojení přes THR pouze vhodnou volbou teplotního spádu. Ukažme si to na příkladu podle obr. 3, kde máme projektované parametry:

Obr. 4 Provoz využívající kondenzačního tepla spalin díky zvláštnímu napojení vratné větve


Obr. 5 Provoz využívající kondenzačního tepla spalin se samostatným
napojením vratné větve nejchladnějšího spotřebitelského okruhu

Obecné chování v přechodném období pak popisují hodnoty v tab. 1, kde poměr V_KO/V_SO představuje poměr průtoku kotlovým okruhem a spotřebitelskými okruhy.

Pro posouzení je důležitý předpoklad, že se průtok spotřebitelskými okruhy plynule mění v závislosti na potřebném výkonu, přičemž průtok kotlovým okruhem se mění při zapnutí či vypnutí kotle náhle. V reálném provozu to vede ke změnám v poměru V_KO/V_SO, resp. k neúměrnému zvyšování poměrového čísla a tím i ke zvyšování teploty vratné vody t_ZKK. Tab. 1 nás upozorňuje na skutečnost, že přestože jsme projektovali teplotu vratné vody kotlového okruhu 50 °C, bude v praxi vždy vyšší a bude se pohybovat mezi 55,1 a 75,6 °C.

Obr. 6 Provoz využívající kondenzačního tepla spalin
díky využití trojcestné směšovací armatury a sledované teplotní diference

Zdánlivě bychom si mohli pomoci změnou otáček kotlového čerpadla ve vazbě na průtok spotřebitelskými okruhy, tak bychom ale nezajistili potřebný průtok kotlem. Možným řešením snad může být využití obtoku kotle (obr. 6). Zde pracující trojcestná směšovací armatura zajistí jako minimální potřebnou teplotu vody v "klasické" části kotle a do kondenzační části kotle stále proudí voda o teplotě nižší než je teplota rosného bodu spalin. Nastavení armatury se řídí teplotní diferencí (TD) mezi vratnou vodou ze soustavy t_ZS a vratnou vodou proudící do kotle t_ZKK, která by se měla pohybovat mezi 3 až 5 K. Díky obtoku kotlů se tak sníží i množství přiváděné vody do THR a tudíž i přepouštění v THR. Takovéto zapojení však vyžaduje další rozšíření a sladění regulace zařízení a použití k tomu vhodného kondenzačního kotle. Správné navržení hydrauliky, tj. určení průtoků, dimenzí a pracovních bodů vyhovujících všem provozním stavům je rovněž složitější.

Obecně tak lze konstatovat, že pokud chceme, aby více kondenzačních kotlů tvořících jeden zdroj tepla spolehlivě a bez komplikací pracovalo v kondenzačním režimu, není příliš vhodné používat hydraulické napojení kondenzačního zdroje tepla na spotřebitelské okruhy (otopnou soustavu) přes THR.

Literatura:
1) Bašta, J.: Hydraulika a řízení otopných soustav. ČVUT v Praze, Praha 2003.
2) Hanewald, R.: Brennwertnutzung bei Mehrkesselanlagen mit hydraulischer Weiche. HLH 54/2003, č. 5.