Vliv obestavby krbové vložky na časový průběh tepelného výkonu
Cílem článku je rozšířit poznatky o chování různých typů lokálních topidel spalujících dřevo z pohledu časového průběhu předávání tepelného výkonu do místnosti. Článek přináší porovnání průběhu výkonu vybraného topeniště – krbové vložky, která byla postupně přestavěna a testována ve formě krbových kamen s/bez akumulačního spalinového výměníku a akumulačního uzavřeného krbu při různém režimu přikládání. V závěru článku jsou naměřené výsledky srovnány s dříve získaným průběhem tepelného výkonu individuálně stavěných kamen.
Úvod
S výstavbou nízkoenergetických domů je spojena problematika správného návrhu tepelného výkonu lokálních topidel spalujících kusové dřevo, které jsou v těchto typech staveb stále velmi oblíbené a představují často doplňkový zdroj tepla. Správnou dimenzí topidla se uživatel může vyvarovat nevhodného provozu, který vede k přetápění místnosti, snížení účinnosti zařízení, dlouhodobému zatěžování topidla a vysokým emisím znečišťujících látek. Článek navazuje na výsledky experimentálních zkoušek individuálně stavěných kamen [1] a přináší porovnání průběhu tepelného výkonu vybraného topeniště – krbové vložky, která byla postupně přestavěna a testována ve formě krbových kamen s/bez akumulačního spalinového výměníku a akumulačního uzavřeného krbu při různém režimu přikládání. Článek je zaměřen na topidla bez teplovodního výměníku.
Zkoušky byly realizovány ve spolupráci s Cechem kamnářů ČR. Spotřebiče byly testovány v kalorimetrické komoře, která se nachází ve zkušebně VŠB – Technické univerzity Ostrava, Výzkumného energetického centra.
Typy lokálních topidel pro spalování dřeva
Nařízení Komise (EU) 2015/1185, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES [2], zavádí místo rozšířeného pojmu „lokální spotřebič na tuhá paliva“ nově pojem „lokální topidlo na tuhá paliva“. V následujícím textu je používán již nový obecný název dle [2] pro tyto typy zdrojů tepla. Lokálním topidlem na tuhá paliva se dle [2] rozumí zařízení pro vytápění prostorů, které vydává teplo přímým přenosem tepla (bez teplovodního výměníku), nebo přímým přenosem tepla v kombinaci s ohřevem tekutiny (s teplovodním výměníkem), aby v uzavřeném prostoru, v němž je zařízení umístěno, bylo dosaženo určité úrovně tepelné pohody osob, případně ve spojení s výdejem tepla v jiných prostorech, a které je vybaveno jedním nebo více zdroji tepla, které přeměňují tuhá paliva přímo na teplo.
Pokud se majitel domu nebo bytu rozhodne pro lokální topidlo v provedení bez teplovodního výměníku, ve kterém bude spalovat dřevo, má na výběr hned z několika základních typů, u nichž jsou zásadní rozdíly nejen v designu, ale i ve funkci. Nejjednodušší cesta vede přes pořízení průmyslově vyráběných lehkých krbových kamen, přesněji nazývaných dle specifikace technické normy ČSN EN 13240:2002 [3] jako „spotřebič na pevná paliva k vytápění obytných prostorů“. Mezi hlavní výhody krbových kamen patří především nízké investiční náklady, snadná instalace, malé nároky na obestavěný prostor, snížený požadavek na nosnost podlahy a rychlý nájezd topidla. K hlavním nevýhodám lze řadit malou akumulační schopnost, zvýšenou četnost přikládání, vyšší povrchové teploty kamen (s tím spojený problém s přepalováním prachových částic na povrchu kamen), vyšší cirkulaci vzduchu v místnosti a vyšší výkon v porovnání s akumulačními topidly, který nemusí odpovídat standardům nízkoenergetického bydlení.
Dalším oblíbeným typem lokálního topidla jsou tzv. kachlová kamna, resp. dle specifikace normy ČSN EN 15544:2013 [4] označená jako „individuálně stavěná kachlová kamna nebo omítnutá kamna“. Kachlová kamna představují určitý protipól ke krbovým kamnům. Stavba těchto kamen představuje nemalou investici v řádech stovek tisíc korun. Jedná se však o investici podpořenou vysokou životností zařízení při profesionálně provedené stavbě a řadou dalších výhod, jako je velká tepelná setrvačnost, snížená četnost přikládání, vysoká účinnost kamen, nízké povrchové teploty a tepelný výkon odpovídající moderním novostavbám. Hlavní nevýhodou je již zmíněná investiční náročnost, vysoké požadavky na obestavěný prostor a nosnost podlahy a nižší tepelná dynamika při nájezdu v porovnání s krbovými kamny.
Třetí možností pro majitele nemovitosti je stavba krbu s otevřeným nebo uzavřeným ohništěm dle technické normy ČSN 73 4230:2014 [5]. Norma definuje mimo krby s otevřeným a uzavřeným topeništěm také krby teplovzdušné a akumulační sálavé. Krby s otevřeným topeništěm jsou pro nízkou účinnost považovány pouze za topidlo s estetickou funkcí. Teplovzdušné krby jsou vzhledem k vysokému okamžitému výkonu pro nízkoenergetické domy méně vhodné. Naopak krby akumulační sálavé tvoří přechod k individuálně navrhovaným kamnům dle [4]. Představují kompromis mezi krbovými kamny a kachlovými kamny jak z pohledu náročnosti na obestavěný prostor a náročnosti stavby jako takové, tak z investičního pohledu. Řada vlastností sálavého akumulačního krbu je obdobná jako u kachlových kamen (např. nízký tepelný výkon, nízké povrchové teploty apod.). Pro stavbu krbů s uzavřeným ohništěm jsou jako topeniště používány průmyslově vyrobené krbové vložky odpovídající technické normě ČSN EN 13229:2002 [6].
U nás méně typickou kategorií lokálních topidel jsou průmyslově vyráběná akumulační kamna. Normou ČSN EN 15250:2007 [7] jsou definována jako kamna s přerušovaným spalováním a ruční dodávkou paliva, která mají takovou kapacitu akumulovaného tepla, že mohou dodávat teplo po stanovený časový úsek po uhasnutí ohně. Ten je v příslušné normě popsán jako časový interval, kdy kamna dosáhnou maximální teploty povrchu a kdy teplota klesne na 50 % této maximální hodnoty na základě rozdílů teplot povrchu oproti teplotě okolního prostředí, a nesmí být kratší než 4 hodiny. Norma platí pro akumulační kamna, která jsou průmyslově vyráběna a dodávána jako celek nebo ve formě prefabrikovaných dílů k sestavení na místě dle pokynů výrobce.
Mezi další typy lokálních topidel na kusové dřevo lze řadit průmyslově vyráběné nebo individuálně stavěné sporáky (ČSN EN 12815:2002 [8], ČSN 73 4232:2014 [9]). Tato zařízení plní primárně funkci pro přípravu pokrmů a vytápění místnosti je chápáno jako druhotná funkce. Lze také zmínit topidla jako moderní automatická kamna na dřevní pelety (ČSN EN 14785:2007 [10]) a saunová kamna (ČSN EN 15821:2011 [11]), která uzavírají okruh základních možností při volbě typu lokálního topidla. Cílem spalovacích zkoušek popsaných v článku je přinést nové poznatky v oblasti chování vybraných typů lokálních topidel z pohledu předávání tepelného výkonu do prostoru a akumulace tepla.
Příprava měření
Příprava topidel pro zkoušky
Pro experimentální část byly ve spolupráci s Cechem kamnářů ČR připraveny následující varianty vybraných lokálních topidel se shodným topeništěm:
- varianta č. 1 – samotná krbová vložka,
- varianta č. 2 – krbová kamna bez akumulačního spalinového výměníku,
- varianta č. 3 – krbová kamna s akumulačním spalinovým výměníkem,
- varianta č. 4 – sálavý akumulační krb.
Varianta č. 1
Obr. 1 Varianta č. 1, 2 a 3, topidla použitá pro zkoušky
Fig. 1 Variants no. 1, 2 and 3, heaters used for testing
Pro zkoušky byla vybrána litinová vložka českého výrobce, která je zobrazena na obr. 1 a). Vložka má šamotovou vyzdívku a umožňuje napojení externího přívodu vzduchu (EPV). Hmotnost krbové vložky je 126 kg. Průměrná spotřeba dřeva je při jmenovitém výkonu dle specifikace výrobce 2,1 kg/h. Tato varianta samostatné vložky může odpovídat z pohledu provozních vlastností také klasickým krbovým kamnům o podobné hmotnosti.
Varianta č. 2
Krbová vložka byla následně přestavěna do podoby krbových kamen se zvýšenou akumulační schopností. K vložce byla přidána obestavba z kachlů o celkové hmotnosti 99 kg. Celková hmotnost této varianty kamen je 225 kg. Varianta č. 2 je zobrazena na obr. 1 b).
Varianta č. 3
V dalším kroku byl přidán ke krbové vložce akumulační spalinový výměník s šamotovou výplní o celkové hmotnosti 90 kg a byla zpět instalována obestavba z keramiky. Celková hmotnost sestavy této varianty je 315 kg. Vnitřní uspořádání varianty č. 3 (bez kachlů) je zobrazeno na obr. 1 c). Zkoušená varianta odpovídá z vnější strany variantě č. 2 – obr. 1 b).
Varianta č. 4
Obr. 2 Akumulační sálavý krb (varianta č. 4)
Fig. 2 Radiant fireplace with accumulation (variant no. 4)
Poslední zkoušenou variantu představuje sálavý akumulační krb, kde akumulační hmotu tvoří plášť krbu, krbová vložka, vnitřní přepážky a akumulační spalinový výměník se stojatým tahem. Pro stavbu krbu byla použita stejná vložka jako v předchozích variantách. Stavba krbu byla realizována individuálně řešenou obestavbou z akumulačních desek 25 mm a vnitřními přepážkami z akumulačních desek 40 mm. Hmotnost krbu a velikost teplosměnných ploch byla dimenzována dle výpočtu v ČSN 73 4230. Celková akumulační hmotnost je vypočítána na 1146 kg. Rozměry krbu jsou 1150 × 1675 × 1100 mm (d × v × š). Na obr. 2 je zobrazen postavený krb včetně vnitřního konstrukční uspořádání.
Kalorimetrická komora
Kalorimetrická komora slouží ke stanovení provozních parametrů lokálních topidel spalujících tuhá paliva (krbová kamna, akumulační krby, sporáky, individuálně stavěná kamna apod.), zejména pak ke stanovení časového průběhu tepelného výkonu zařízení v rozsahu 0 až 20 kW. Princip měření spočívá v přivedení známého množství vzduchu o známé teplotě do komory a zároveň odvedení ohřátého vzduchu z komory. Na základě tepelné bilance je následně vypočítán okamžitý tepelný výkon topidla. Průtok vzduchu komorou je udržován konstantní pomocí PID regulátoru a frekvenčně řízeného ventilátoru. Přívod vzduchu k topidlu je zajištěn nasáváním z prostor mimo komoru. Vnitřní povrch kalorimetrické komory je pokryt odrazivou fólií, která minimalizuje akumulaci tepelné energie do konstrukce komory. Základní schéma kalorimetrické komory, ve které jsou umístěna krbová kamna, je znázorněno na obr. 3. Fotografie kalorimetrické komory je na obr. 4.
Obr. 3 Základní schéma kalorimetrické komory s popisem
Fig. 3 Basic diagram of calorimetric chamber with description
Obr. 4 Fotografie kalorimetrické komory
Fig. 4 Photos of calorimetric chambers
Experimentální část
Obr. 5 Varianta č. 1 – krbová vložka připravená pro zkoušky v kalorimetrické komoře
Fig. 5 Variant no. 1 – fireplace insert ready for testing in a calorimetric chamber
V rámci experimentální části byly provedeny spalovací zkoušky s cílem stanovit křivky tepelného výkonu pro jednotlivé varianty. Topidla připravená pro spalovací zkoušky v komoře jsou zobrazena na obr. 5 až 7. Všechny varianty byly provozovány za shodných podmínek, tzn. pro všechny režimy byla použita stejná dávka bukového dřeva tvořená dvěmi poleny o celkové hmotnosti přibližně 2,1 kg a obsahem vody přibližně 10 %. Při každém režimu bylo přiloženo 7 na sebe navazujících dávek dřeva včetně zátopu. Nová dávka paliva byla vždy přiložena po zhasnutí plamene předchozí dávky, což odpovídalo době, kdy byl obsah oxidu uhličitého ve spalinách přibližně 2 až 3 %. Pro zápal byla u všech režimů použita menší buková polena uložená na bukových třískách. Zapálení bylo provedeno zespod. Při zápalu byl ovládací prvek spalovacího vzduchu dvě minuty otevřen do polohy pro maximální přívod vzduchu. Poté byl přívod spalovacího vzduchu nastaven do polohy pro dosažení jmenovitého tepelného výkonu a topidlo bylo provozováno dále pouze při tomto nastavení přívodu vzduchu. Komínový tah byl u všech zkoušek udržován na konstantní hodnotě 12 Pa pomocí frekvenčně řízeného ventilátoru.
Obr. 6 Varianta č. 2 a 3 – krbová kamna připravená pro zkoušky v kalorimetrické komoře s/bez spalinového akumulačního výměníku
Fig. 6 Variants no. 2 and 3 – fireplace stoves ready for testing in a calorimetric chamber with/without flue gas accumulation heat exchanger
Obr. 7 Varianta č. 4 – sálavý akumulační krb připravený pro zkoušky v kalorimetrické komoře
Fig. 7 Variant no. 4 – radiant fireplace with accumulation ready for testing in a calorimetric chamber
Obr. 8 Naměřené křivky časového průběhu tepelného výkonu pro variantu č. 1 až 4
Fig. 8 Measured curves of heat output course for variants no. 1 to 4
Na obr. 8 jsou shrnuty naměřené průběhy tepelného výkonu pro zkoušené varianty č. 1 až 4. Jednotlivá čísla nad křivkami představují pořadí přiložení. Provozování akumulačního krbu způsobem, při kterém je do ohniště přikládána stejná dávka několikrát za sebou, se ukázalo jako nevhodné, což potvrzují i zkušenosti z praxe. Při posledních dvou přiloženích (6. a 7. přiložení) bylo topeniště a jeho okolí výrazně nahřáto díky okolní akumulační hmotě a ihned po přiložení nové dávky docházelo k velmi intenzivnímu zplynování dřeva a k následnému intenzivnímu hoření doprovázenému výbuchy v ohništi. Z tohoto důvodu lze považovat takový provoz akumulačního krbu za nevhodný, neboť představuje nebezpečí jak pro samotnou konstrukci krbu, tak zejména pro provozovatele krbu.
Obr. 9 Naměřené křivky časového průběhu tepelného výkonu různých provozních režimů akumulačního krbu
Fig. 9 Measured curves of heat output course for different operation regimes of fireplace with accumulation
U předchozích variant se problémy při opakovaném přikládání neprojevily. Topidlo ve variantě č. 4 je z tohoto důvodu doporučováno provozovat v režimu přikládání 1-1-0,5 (tzn. 2× celá jmenovitá dávka a následně ½ jm. dávky – tj. 2,1 kg + 2,1 kg + 1,1 kg). Technická norma pro akumulační krb potom určuje, že tepelný výkon v režimu 1-1-0,5 musí pokrýt tepelnou ztrátu místnosti po dobu 7,5 hodiny a dle toho je akumulační obestavba dimenzována. Na obr. 9 je černou křivkou vykreslen naměřený výkon pro jednu zkoušku v dávkování 1-1-0,5, červená křivka představuje opakované dávkování 1-1-0,5 ve dvou dnech s noční přestávkou (9,5 hodiny) a světle zelená křivka představující výkon u přetížení krbu je zobrazena pro porovnání. Při opakovaném dávkování 1-1-0,5 byl vypočítán průměrný výkon 1,5 kW pro období 0 až 48 hodin.
Diskuze výsledků
Obr. 10 Naměřené křivky tepelného výkonu pro variantu č. 1 až 4, v časovém rozsahu 5 až 10 h od zahájení zátopu
Fig. 10 Measured curves of heat output course for variants no. 1 to 4, in the time range 5 to 10 hrs from light-up of the fire
Na obr. 8 jsou jasně patrné rozdíly v průběhu tepelného výkonu jednotlivých variant topidla. Obecně platí, že čím je vyšší hmotnost obestavby, tím má topidlo jako celek nižší tepelnou dynamiku a větší akumulační kapacitu. Výsledky měření krbové vložky a akumulačního krbu představují z pohledu tepelné dynamiky mezní stavy. Zatímco úkolem krbové vložky je předat v krátkém časovém intervalu vyrobenou tepelnou energii do akumulační obestavby a do vytápěného prostoru přes sklo přikládacích dvířek, úkolem akumulačního krbu je tuto energii rozložit do co nejdelšího časového úseku s ohledem na potřeby tepla místnosti pro vytápění. Nájezd topidla je z pohledu tepelného výkonu utlumen přidáváním akumulační masy do okolí topeniště. Jak je patrné z obr. 8, byl nejrychlejší nájezd dle předpokladu naměřen u samotné krbové vložky, následovala krbová kamna a až poté kamna s přídavným spalinovým výměníkem. Nájezd akumulačního krbu byl velmi pozvolný. K ustálení tepelného výkonu u variant č. 1 a 2 došlo přibližně od třetího přiložení. U varianty kamen se spalinovým výměníkem došlo k ustálení přibližně od šestého přiložení. U akumulačního krbu při opakovaném přikládání jmenovité dávky (režim přetížení) nedošlo ani při sedmém přiložení k ustálení tepelného výkonu a s ohledem na výše uvedené provozní problémy bylo přikládání ukončeno, aby nedošlo k poškození topidla. Na obr. 10 je znázorněno chladnutí jednotlivých variant topidla v časovém rozsahu 5 až 10 h od zahájení zátopu, které koreluje dle předpokladu s hmotností topidla, a to tak, že čím je hmotnost obestavby vyšší, tím topidlo dokáže déle předávat tepelnou energii do prostoru. Např. přibližně 3 hodiny po přiložení poslední dávky paliva (7) byl měřen podobný výkon kolem 1 kW u varianty č. 1 a 2, výkon 2 kW u varianty č. 3 a výkon 3,5 kW u varianty č. 4.
Nabízí se srovnání naměřených výkonových křivek se získanými výsledky uvedenými v článku [1] pro individuálně stavěná kamna s hmotností 1500 kg a dimenzovaná dle [4] v režimu přikládání 12 hodin (obr. 11). Na obr. 12 jsou znázorněny typické průběhy vybraných lokálních topidel při doporučovaném způsobu provozování. U krbových kamen jde o opakované přikládání jmenovité dávky dřeva k dosažení ustálení výkonu (v tomto případě 2,1 kg), u individuálně stavěných kamen se jedná o jednu dávku za stanovené období dle výpočtu kamen (křivka v grafu je pro vypočítanou dávku dřeva 11,1 kg a periodu přikládání 12 h) a pro akumulační krb jde o opakované přikládání dávky 2,1 kg, resp. 1,1 kg v režimu 1-1-0,5.
Obr. 11 Individuálně stavěná kamna dle ČSN EN 15544:2013 při zkouškách v kalorimetrické komoře
Fig. 11 Individually built stoves according to the ČSN EN 15544:2013 during tests in a calorimeter chamber
Obr. 12 Naměřené křivky tepelného výkonu pro krbová kamna, individuálně stavěná kamna a a kumulační krb
Fig. 12 Measured curves of heat output for fireplace stove, individually built stove and radiant fireplace with accumulation
Závěr
Článek popisuje výsledky zkoušek, které byly realizovány ve spolupráci s Cechem kamnářů ČR a jejichž cílem bylo stanovení průběhu tepelného výkonu samotné krbové vložky, krbových kamen s/bez akumulačního výměníku a akumulačního krbu. S ohledem na nízké dosažené výkony u akumulačního krbu v režimu přikládání 1-1-0,5 a komfort topení z pohledu četnosti přikládání lze říct, že je tento typ topidla vhodný pro použití do trvale obývaných místností s celodenním vytápěním. Naopak není vhodný jako hlavní zdroj tepla v objektech, které jsou obývány jen občas (chaty a chalupy). Akumulační krb a individuálně stavěná kamna jsou vhodná do moderních novostaveb s nízkými nároky na tepelnou energii díky nižšímu dosaženému výkonu. Při správné dimenzi lokálních topidel o vyšší hmotnosti nemusí docházet k přetápění místnosti, a navíc je tepelná energie předávána do místnosti podstatně déle od ukončení přikládání při porovnání např. s krbovými kamny. Určitým řešením pro tyto stavby může být také přidání spalinového výměníku ke krbovým kamnům a snížení počtu přiložení (např. 2–3 přiložení), které vede ke snížení úrovně výkonu a prodloužení doby předávání tepla do místnosti. Klasická krbová kamna jsou pak především vhodná pro příležitostné vytápění místnosti a víkendové vytápění rekreačních objektů, kdy je žádoucí rychlý nájezd topidla a okamžité předávání tepla do místnosti při příchodu. Zkušenosti z přetížení akumulačního krbu ukazují, že i topidlo o vyšší hmotnosti může dosáhnout vyššího výkonu, ale tento provoz může být doprovázen v článku popsanými nebezpečnými stavy, a proto nelze tento způsob provozu krbu doporučit.
V rámci spolupráce s kamnáři byla spalovacím zkouškám podrobena řada lokálních topidel v různém režimu provozování a výsledky z těchto zkoušek byly vzájemně porovnány. Nyní probíhají v kalorimetrické komoře spalovací zkoušky s individuálně stavěným sporákem se třemi variantami topeniště. Získané poznatky umožňují lépe pochopit chování jednotlivých lokálních topidel z pohledu předávání tepelného výkonu do místnosti a mohou pomoci při výběru vhodného typu topidla.
Poděkování
Tento článek byl vypracován v rámci projektu „Inovace pro efektivitu a životní prostředí – Growth“, identifikační kód LO1403, za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I a projektu specifického výzkumu SGS SP2016/152.
Použité zdroje
- KUBESA, P., HORÁK, J., MARTINÍK, L., HOLEŠÍNSKÝ, B. BARTOŠ, I. Stanovení průběhu tepelného výkonu individuálně stavěných kamen. Vytápění, větrání, instalace. 2015, roč. 24, č. 3, s. 98–101. ISSN 1210-1389.
- Nařízení Komise (EU) 2015/1185 ze dne 24. dubna 2015, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign lokálních topidel na tuhá paliva.
- ČSN EN 13240:2002. Spotřebiče na pevná paliva k vytápění obytných prostorů – Požadavky a zkušební metody.
- ČSN EN 15544:2013. Individuálně stavěná kachlová kamna/omítnutá kamna – Dimenzování.
- ČSN 73 4230:2014. Krby s otevřeným a uzavíratelným ohništěm.
- ČSN EN 13229:2002. Vestavné spotřebiče k vytápění a krbové vložky na pevná paliva – Požadavky a zkušební metody.
- ČSN EN 15250:2007. Akumulační kamna na pevná paliva – Požadavky a zkušební metody.
- ČSN EN 12815:2002. Varné spotřebiče pro domácnost na pevná paliva.
- ČSN 73 4232:2014. Sporáky – Individuálně stavěné sporáky.
- ČSN EN 14785:2007. Spotřebiče spalující dřevěné pelety k vytápění obytných prostorů – Požadavky a zkušební metody.
- ČSN EN 15821:2011. Saunová kamna na pevná paliva (dřevěná polena) se spalováním periodických dávek – Požadavky a metody zkoušení.
This article aims to broaden knowledge about behaviour of different types of local wood-burning heaters in term of time course of heat delivery into the room. The article presents a comparison of performance of the selected heater – fireplace insert, which was gradually rebuilt and tested as stove with/without accumulation heat exchanger and closed fireplace with accumulation in different stoking regimes. In the end of the article, the measured results are compared with previously obtained hea t output course of individually built stoves.