Problematika návrhů spalinových cest u zdrojů na dřevní pelety – 2. část
© majorosl66 - Fotolia.com
Druhá část článku na téma spalování dřevěných pelet navazuje na část první, jejímž hlavním obsahem byl teoretický rozbor problému a nástin podmínek zatřídění spalinové cesty odvádějící spaliny od peletového spotřebiče dle ČSN EN 1443. V této části je zpracován rozbor výpočtu dle ČSN EN 13 384-1:2016, výpočtu dimenze přívodu vzduchu a návrh konstrukčního provedení.
Tématu jsme se věnovali i v článcích Korozní odolnost komínů a výměny kotlů, Požární bezpečnost komínů se zaměřením na prostup hořlavou konstrukcí.
Budeme rádi, pokud svůj názor na téma vyjádříte v diskusi k tomuto článku, příp. i o zpětnou vazbu, zda by vás téma zajímalo u kulatého stolu na Aquathermu Praha na začátku března v Praze.
2. Výpočet dle ČSN EN 13 384-1:2016
V této normě je popsán postup výpočtu a požadavky na vyhodnocení v rámci ověření funkčnosti spalinové cesty. Požadavek na ověření funkčnosti spalinové cesty je obecně dán zejména ČSN EN 15287-1+A1:2011, jakož i českou legislativou. Standardním, a většinou jediným dostatečně transparentním způsobem ověření funkčnosti je právě normovaný výpočet.
Pro kladné vyhodnocení výpočtu musí být současně splněny tři základní podmínky:
Tlaková podmínka – zajištění dostatečného komínového tahu [Pa]
Výpočtem musí být ověřeno zajištění dostatečného podtlaku (nebo přetlaku) ve spalinové cestě pro zajištění transportu spalin.
Veličinami, které nejvíce ovlivňují komínový tah při atmosférickém (podtlakovém) provozu jsou:
- Účinná výška komínu
- Teplota spalin
- Teplota okolního vzduchu
Disponibilní komínový tah lze teoreticky vypočítat jako násobek účinné výšky [m], tíhového zrychlení 9,81 [m/s2] a rozdílu hustoty spalin a okolního vzduchu [kg/m3]. Od takto stanoveného disponibilního tahu je nutno odečíst jednak ztráty a jednak výrobcem spotřebiče požadovaný skutečný minimální tah.
Předpokládáme-li (zjednodušeně) pro peletové spotřebiče teplotu spalin okolo 150 °C a okolní teplotu 15 °C, vychází rozdíl hustot cca 0,38 kg/m3, a tedy po vynásobení tíhovým zrychlením zjistíme, že disponibilní tah ve variantě atmosférické (podtlakové) je cca 3,7 Pa na 1 m účinné výšky. Od disponibilního tahu ovšem musíme odečíst ztráty, a to – zjednodušeně – paušálem −8 Pa, a dále samozřejmě výrobcem požadovaný minimální tah – např. −12 Pa. Z takto limitně zjednodušeného a zobecněného výpočtu vyplývá, že minimální účinná výška komínu pro spotřebič s požadavkem tahu 12 Pa je cca 5,4 m (pro teplotu spalin 100 °C už cca 7,5 m). Tedy hodnota nikoliv zanedbatelná.
Při použití spalinové cesty v atmosférickém režimu je třeba počítat s faktem, že čím menší bude teplota spalin a čím větší bude požadavek výrobce na zajištění tahu, tím větší výška komínu bude vycházet. Současně může docházet ke kolizi s výpočtem teplotní podmínky při větší výšce komínu mimo budovu.
Tlaková diference (komínový tah) ale nemusí být obecně způsobena pouze komínovým efektem, tedy čistě fyzikálním dějem, ale může být způsobena rovněž mechanicky, a to umělým vytvořením proudění pomocí elektrického větráku.
Toto řešení je v současné době používáno pro, v podstatě všechny, moderní peletové spotřebiče. Sofistikovaný ventilátor nevytváří stálý přetlak, ale je principiálně schopen korigovat nedostatečný podtlak, zejména v době náběhu a vychládání spotřebiče. Výrobce daného zařízení pak může buď zcela eliminovat svůj požadavek na minimální disponibilní tah, nebo použít hodnotu limitně se blížící nule.
V grafu 1 je výsledek měření komínového tahu na reálně provozovaných paletových kamnech při spouštění. Měření probíhalo po dobu pěti minut (300 s), přičemž asi po jedné minutě a čtyřiceti sekundách došlo k zapálení plamene. Z grafu je patrné, že ventilátor ve spotřebiči zajišťoval funkčnost spalinové cesty vytvořením přetlaku v době, kdy teplota spalin nebyla dostatečná pro zajištění tahu přirozeného (podtlaku).
Z výše uvedeného lze učinit závěr, že výrobce by měl zvážit hodnoty požadovaného tahu uváděného ve svých technických listech. Pokud je ve spotřebiči osazen ventilátor, je možné předpokládat nahrazení nutnosti požadovaného tahu provozem tohoto ventilátoru.
Velmi výrazný je vliv na vypočtenou minimální účinnou výšku (ve výše uvedeném příkladu by se výška snížila z 5,4 m (7,5 m) na 2,2 m (2,9 m), což jednak sníží konstrukční i finanční nároky a současně se příznivě promítne do výpočtu teplotní podmínky.
Lze tedy doporučit výpočtové zpracování v přetlakovém režimu.
Průtoková (rychlostní) podmínka – zajištění dostatečné plochy průduchu
Výpočtem musí být ověřeno zajištění dosažení minimální rychlosti proudění spalin 0,5 m/s, tj. optimální dimenze spalinové cesty pro zajištění transportu spalin.
Veličinami, které nejvíce ovlivňují průtok spalin, jsou:
- Plocha průduchu
- Množství paliva
- Přebytek vzduchu
Minimální plochu průduchu lze teoreticky vypočítat jako objem spalin [m3/s] dělený rychlostí jejich proudění [m/s].
Předpokládáme-li (zjednodušeně) pro peletové spotřebiče spotřebu pelet 2 kg/hod a přebytek vzduchu 2, vychází z rovnic hoření dřeva spotřeba vzduchu pro hoření cca 15 m3/hod a objem vzniklých spalin cca 25 m3/hod (tedy hmotnostní průtok cca 6 g/s a objemový 0,007 m3/s). Pokud do výše uvedeného vzorce dosadíme rychlost proudění spalin 0,5 m/s jako legislativně nejnižší přijatelnou, získáme výpočtem maximálně použitelnou dimenzi odtahu spalin – v tomto výrazně zjednodušeném a zobecněném výpočtu to bude cca max. 130 mm. Při použití dimenze 80 mm vyjde poměrně optimální rychlost proudění spalin cca 1,4 m/s (cca 5 km/hod).
Z výše uvedeného je patrný podstatný vliv kvality spalování a tedy účinnosti spotřebiče. Se zvyšováním účinnosti klesá průtok, a to zejména vlivem snížení přebytku vzduchu. Výsledkem je, že optimálních hodnot je dosahováno při použití menších průměrů komínů, obvykle korespondujících s průměrem hrdla odkouření.
Již v této fázi je zřejmé, že bude obtížné navrhnout vyhovující spalinovou cestu v atmosférickém (podtlakovém) režimu, a to vzhledem k taxativnímu požadavku uvedeném v ČSN 73 4201, čl. 6.4.5, kde je pro komíny s přirozeným tahem pro pevná paliva předepsán minimální průměr 140 mm (výjimky pouze dle technické dokumentace).
Lze tedy doporučit preferování menších průměrů, obvykle totožných nebo srovnatelných s rozměrem spalinového hrdla příslušného spotřebiče. Podmínkou je ovšem deklarovaná možnost přetlakového provozu.
Teplotní podmínka – zajištění dostatečné teploty ve spalinové cestě
Výpočtem musí být ověřeno zajištění dosažení a udržení teploty spalin nad jejich rosným bodem a tudíž zabránění kondenzaci.
Veličinami, které nejvíce ovlivňují teplotní poměry spalin, jsou:
- Rosný bod spalin
- Délka komínu (zejména mimo objekt)
- Tepelný odpor konstrukce komínu
Bohužel teplotní výpočet je jednak natolik složitý a jednak primárně vázán na technické provedení konkrétní spalinové cesty, že nelze akceptovat podobná zobecnění, která byla pro názornost použita u předchozích dvou podmínek. Kromě výše uvedených veličin navíc nelze zanedbat ani vliv konkrétního paliva, typu hořáku, ředění vzduchem, nízké rychlosti proudění, a dalších.
Vodní pára obsažená ve spalinách při teplotách nižších nebo rovných rosnému bodu kondenzuje a může způsobit zanášení a korozi spalinových cest i výměníků spotřebičů. Teplota rosného bodu při spalování dřevěných pelet je přibližně 35 °C. Výpočtem se tedy ověřuje, že po celé délce spalinové cesty bude teplota vyšší, a to při plném i částečném provozu. V této souvislosti je třeba opakovaně připomenout, že i v případě, že definujeme spalinovou cestu od peletového spotřebiče jako přetlakovou s odolností vůči kondenzátu, musí být prakticky ověřována v suchém provozu. Tedy i v situaci, kdy je materiálové označení konkrétního produktu W (odolný vůči kondenzátu), je nutné ve výpočtu zadat D (určeno pro suchý provoz).
Obecně během proudění spalin spalinovou cestou dochází k prostupu tepla konstrukcí komínu, a to jednak do okolního vzduchu, jednak do přilehlých konstrukcí, přičemž odváděné teplo způsobuje pokles teploty uvnitř komínu.
Prostup tepla (tepelný tok) je tím větší, čím menší je tepelný odpor komínu a čím nižší je teplota okolí. Teplota ve spalinové cestě se nejčastěji snižuje od sopouchu směrem k ústí, a to nerovnoměrně. Nejnižší teplota a tedy „testovací místo“ je na vnitřní straně ústí komínu.
Při stejné teplotě v sopouchu a stejné konstrukci spalinové cesty, roste teplota v ústí komínu při snižování účinné výšky. Z toho vyplývá, že čím lépe je splněna podmínka tlaková, tím hůře je obvykle splněna podmínka teplotní (a samozřejmě i naopak).
Lze tedy doporučit striktní optimalizaci kombinace tlakové a teplotní podmínky, které lze dosáhnout nejlépe při použití spalinových cest s vysokým tepelným odporem, případně s přídavnou tepelnou izolací.
3. Výpočet dimenze přívodu vzduchu
Způsob přívodu vzduchu, respektive jeho tlakové ztráty jsou obecně zahrnuty mezi ztráty na spalinové cestě a jsou tudíž jednou z položek, které snižují disponibilní komínový tah. Ztráta na přívodu vzduchu může být při nesprávném provedení ztrátou klíčovou. Tato obecná pravda se projevuje i v praxi, kde provozní problémy spotřebičů bývají velmi často způsobeny podceněním návrhu a realizace přívodu vzduchu pro hoření.
U peletových spotřebičů, které jsou vybaveny ventilátorem, je obvykle hrdlo přívodu vzduchu dimenzováno na rozměr 40–100 mm. To ovšem v žádném případě neznamená, že totožnou dimenzi lze použít na celé vedení přívodu vzduchu, tím méně v případě, že je vzduch veden vertikálně shora dolů (např. z půdy nebo z nadstřešní oblasti – tzv. ventilační šachta). Vertikální šachta vytváří při rozdílu teplot negativní tah (spočítat lze stejným postupem jako tah komínový), který může být reálně kolem 1 Pa/vertikální metr.
Samozřejmě každé vedení vzduchu představuje tlakovou ztrátu. Pro její omezení je třeba především preferovat co nejkratší horizontální vedení s minimem kolen a volit podstatně větší dimenzi (snížení rychlosti proudění a tudíž i ztráty).
Pro limitně krátký přívod vzduchu do spotřebiče lze akceptovat i průměr 100 mm, obecně vhodnější je ale průměr minimálně 125 mm vedený horizontálně. Takové řešení zajistí v přívodu vzduchu jednak dostatečné množství vzduchu a jednak stabilně v podstatě atmosférický tlak, což spotřebiči dovolí optimální regulaci hoření a tím i výkonu a dalších provozních parametrů. Na rozdíl od odvodu spalin, by rychlost proudění v přívodu vzduchu měla být hluboko pod 0,5 m/s (pro shora definovaný provoz s potřebou vzduchu 15 m3/hod vychází minimální průměr cca 100 mm).
Lze proto doporučit horizontální vedení přívodu vzduchu obvykle násobně průměrově větší než spalinové hrdlo.
4. Konstrukční provedení
Z dosud uvedených skutečností, a současně z absence řešení spalinových cest peletových spotřebičů v ČSN 73 4201 (mimo jedné věty), lze dovozovat, že pro konstrukci spalinových cest peletových spotřebičů musí být stanovena speciální individuální pravidla, která zcela neodpovídají zatříděným standardům dle uvedené ČSN.
Přestože tedy definujeme spalinovou cestu peletových spotřebičů jako v principu přetlakovou a dokonce daný materiál může splňovat podmínku odolnosti proti kondenzaci, je nutné v principu vycházet z konstrukčních pravidel pro pevná paliva. To se týká několika základních konstrukčních řešení:
- odvod spalin musí být řešen nad střechu objektu, a to tak, aby splňoval podmínku 0,65 m nad hřebenem stavby nebo nad větrným úhlem, případně 1 m nad atiku nebo rovinu rovné střechy (do 20°). Nelze akceptovat pravidla pro vyústění přetlakových komínů – pro snížení nadstřešní části není splněna podmínka přetlaku 25 Pa v ústí a pro vyústění na fasádu není k dispozici žádná relevantní legislativa.
- založení komínu a napojení kouřovodu musí být řešeno T-kusem a dílem s vybíracími dvířky. Napojení kouřovodu nemůže být řešeno patním kolenem a celá spalinová cesta musí být reálně kontrolovatelná a standardním způsobem čistitelná (včetně možnosti vybírání nečistot). Musí být osazena příslušná vybírací nebo vymetací dvířka (přetlaková).
- musí být zajištěn přístup k ústí dle požadavků ČSN 73 4201 a dalších. Pro kontrolu a čištění spalinových cest peletových spotřebičů jsou předepsány termíny dle Vyhl. 34/2016 Sb., tedy 3× ročně (z toho 1× oprávněnou osobou – kominíkem).
- komín peletových spotřebičů může být uhnut pod úhlem max. 15° (výjimečně 30°) při dodržení podmínek čistitelnosti a kontrolovatelnosti. Použití většího odklonu je nepřípustné.
- do návrhu musí být zapracován případný vliv okolních staveb a konstrukcí, jakož i dalších možných překážek.
- pokud není spotřebič výrobcem jasně definován jako tlakově uzavřený, je třeba posuzovat obecný vliv dalších interiérových spotřebičů vzduchu a přijímat případná preventivní opatření pro ochranu osob a zvířat.
- spalinová cesta musí být principiálně hodnocena i z pohledu požární bezpečnosti, tedy dodržení bezpečné vzdálenosti volného povrchu od hořlavých konstrukcí a systémového řešení prostupů vodorovnými a svislými konstrukcemi (vč. obálky budovy).
Toto je druhá část článku děleného do tří částí.
Obsahem závěrečné části bude provedení ilustrativních praktických výpočtů demonstrovaných na praktických spotřebičích a spalinových cestách.
V této části článku je popsáno hodnocení výpočtu komína z hlediska tahu, rychlosti proudění dle národního předpisu (ČSN 734201:2016) a teplotní podmínky.
V části zabývající se tahovou podmínkou je velmi zjednodušeně prezentován výpočet u podtlakového (přirozeného) provozu, kdy účinný tah komína musí být vyšší než tlakové ztráty kouřovodu, spotřebiče a přívodu spalovacího vzduchu.
Především je třeba pro laickou veřejnost (i autora článku) zopakovat zásadu, na čem je komínový tah závislý. Jsou to – účinná výška komína a teplota spalin. Dalšími prvky, které tah vytvořený uvedenými dvěma veličinami dále ovlivňují, jsou: tepelný odpor konstrukce komína, drsnost vnitřního povrchu, teplota okolí, ale třeba i nadmořská výška. Ke zmínce o umělém tahu, je třeba podotknout, že tah je tvořen ventilátorem v ústí komína, nikoliv ve spotřebiči, jak mylně deklarují někteří prodejci kamen.
V grafu znázorňujícím průběh hodnot tlaku od řízeného zátopu – nedostatek tahu, až do vytvoření stabilního podtlaku je vytvořena domněnka, že bezpečný odvod spalin a jejich rozptyl do volného ovzduší by mohl zajistit ventilátor ve spotřebiči.
Prezentovaný závěr s požadavkem na přehodnocení potřeby tahu u současných konstrukčních provedení peletových kamen nelze akceptovat s odkazem na nestabilitu udržení kvality spalování a hodnot emisí, zejména u malých topenišť s modulací výkonu.
V části zabývající se hodnocením rychlostí proudění spalin je konstatován častý rozkol mezi požadavkem na limit nejnižší rychlosti a nutností minimální světlosti komína pro odvod spalin ze spotřebičů na pevná paliva.
Na základě měření bylo zjištěno že, dochází k přenosu tepla spalin do konstrukce komína, snížení objemu spalin a nestabilitě proudění. Z provedených zkoušek a matematickým modelováním při nízkých teplotách a rychlostech proudění spalin pod kritickou mez dochází k pulzaci tahu a pak dokonce obrácení toku spalin.
Uvedený příklad dodržení požadavku na vypočtenou rychlost proudění a vypočtená nižší světlost pod 140 mm je běžnou realitou, řešitelnou vícero způsoby za podmínky dodržení provozní a požární bezpečnosti při všech provozních podmínkách připojeného spotřebiče paliv tak, aby byly spaliny bezpečně odvedeny a rozptýleny do volného ovzduší.
Poznámka: Osobně např. řeším dodržení normových požadavků u spotřebičů na pelety s teplovodním výměníkem návrhem výkonnějšího spotřebiče a instalací vyrovnávací nebo akumulační nádrže, čímž se eliminuje počet nepříznivých provozní ch stavů z hlediska emisí, spotřeby energie a snižuje opotřebení díky méně častým startům. Ostatně výhody vyrovnávací nebo akumulační nádrže propaguje a dlouhodobě deklaruje při provozu spotřebičů firma Jaroslav Cankař a syn – Atmos. Analogií je například provoz automobilu se spalovacím motorem, kdy z hlediska provozních nákladů a opotřebení je mnohem výhodnější ujet po startu 50 km naráz než 10krát 5 km po prodlevách.
U peletových kamen je podkročení světlosti spojeno s možností enormního nárůstu vrstvy sazí za současného snížení světlosti spalinové cesty a rapidním navýšením tahových ztrát spalinové cesty. Například při vrstvě sazí 4 mm v průduchu světlosti 140 mm, stejné množství sazí znamená u světlosti 80 mm vrstvu cca 7 mm, což je považováno při provozu spalinové cesty za provoz s vysokým nebezpečím. Pominu-li, že jde již o nebezpečnou vrstvu, je u výše popsaného příkladu průřez komína u světlosti 140 mm snížen nánosem sazí tloušťky 4 mm o 11 %, u světlosti 80 mm omezí nános 7 mm sazí už o 36 %!
Poznámka: Tuto záležitost považuji jako výrazné zvýšení požárního nebezpečí, které zohledňuji při požadavku na zvýšení četnosti kontrol a čištění, tak jak je uvedeno v §4 odst. 1 vyhlášky 34/2016 Sb. o čištění, kontrole a revizi spalinové cesty. Ostatně tento požadavek je velmi často uveden i v původní průvodní technické dokumentaci některých peletových kamen, kde se uvádí perioda čištění části spotřebiče a kouřovodu po spálení např. 500 kg pelet nebo po určitých dnech provozu. Toto může v reálu znamenat, že celou tunou pelet topíte v jižnějších nebo přímořských oblastech celý rok a spalinovou cestu čistíte 1× nebo 2× ročně, což při celoročním provozu na Českomoravské vysočině znamená při spotřebě 3 tun pelet čištění minimálně 3× až 6× ročně.
Někteří prodejci doporučují při tzv. alarmových stavech signalizujících nedostatečný odvod spalin zvýšit na řídící jednotce výkon odtahového ventilátoru, čímž eliminují zanesení spalinové cesty, současně však zvyšují přetlak ve spalinové cestě a mění přebytek spalovacího vzduchu za cenu zhoršeného spalování, dalšího zvýšení tvorby sazí a úniku spalin do obytných prostor.
Část zabývající se teplotní podmínkou upozorňuje na možnost kondenzace spalin a zmiňuje hodnotu rosného bodu i nejproblematičtější místo z hlediska teploty vnitřního povrchu spalinové cesty – ústí komína a venkovní část.
V části výpočet dimenze vzduchu je konstatováno, že většina moderních spotřebičů je zpravidla připravena pro provoz nezávislý na přívodu vzduchu z prostor, v nichž je instalován – zjednodušeně má vzduchovou přírubu nebo hrdlo.
Bohužel z praxe vyplývá, že průměr vzduchového hrdla 40 mm svádí neznalé problematiky, k napojení na potrubí stejné světlosti nebo nejblíže vyšší dostupnější. Takové řešení má ztrátu přes 50 Pa, zejména když je ze strany exteriéru opatřeno žaluziemi se síťkou proti hmyzu. Rovněž nečistoty a zanesení prachem i u větších světlosti bývá obecně velmi častou překážkou bezproblémového provozu.
Norma požaduje, aby ztráta navrhovaného přívodu spalovacího vzduchu u pevných paliv obecně nepřesahovala 8 Pa.
Proto bych obecně nesouhlasil s výrokem o vysoké ztrátě přívodu vzduchu komínovou šachtou nebo pláštěm komína. Osobně jsem přesvědčen, že dostatečná dimenze šachty u příslušných typů systémových komínů je výborným řešením.
V části „konstrukční provedení“ jsou zmíněny další normové hodnoty, k nimž se odvolává prováděcí předpis Stavebního zákona v §24 Vyhlášky 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby.
Second part of the article about designing chimneys for wood pellet appliances describes the evaluation of the chimney calculation in terms of draft, flow velocity according to national regulation (ČSN 734201: 2016) and temperature conditions.