Jak si doma změřit účinnost spalovacího zařízení a lze účinnost nějak zvětšit?
Jedním z nejdůležitějších parametrů, který ukazuje na kvalitu jakéhokoliv zařízení, je jeho účinnost. Pokud hovoříme o účinnosti spalovacího zařízení, které používáme pro vytápění domácností, je zřejmé, že s rostoucí účinností bude klesat spotřeba paliva, a tedy také náklady na palivo. Obdobně můžeme konstatovat, že se snižující se účinností musíme do spalovacího zařízení přiložit více paliva, abychom se stejně ohřáli.
Běžný uživatel má minimální představu o tom, s jakou účinností pracuje jeho spalovací zařízení tj. kamna, krb, krbová vložka, sporák či kotel. Víte, že pokud topíte v otevřeném krbu, cca 90 % tepla nevyužijete pro vytápění, ale jednoduše řečeno „vyletí komínem“? Ano, otevřený krb má účinnost přibližně pouze 10 %. Chcete vědět, s jakou účinností doma topíte Vy? Cílem tohoto článku je nabídnout jednoduchý postup, který umožní orientační stanovení účinnosti Vašeho spalovacího zařízení v domácích podmínkách.
Účinnost spalovacího zařízení vyjadřuje míru efektivnosti využití energie obsažené v palivu pro potřeby vytápění. Účinnost lze stanovit buď přímou anebo nepřímou metodou.
Přímá metoda stanovení účinnosti vychází z úvahy, že účinnost spalovacího zařízení pro vytápění vyjadřuje poměr mezi využitou energií (to je množství energie – tepla – co jsme spálením paliva získali a využili pro vytápění) a přivedenou energií (to je množství energie v palivu – výhřevnost a spotřeba paliva). Přímé stanovení je přesná metoda, která je ovšem s ohledem na problematičnost „domácího“ stanovení hodnoty výkonu pro běžného uživatele těžko použitelná.
Nepřímá metoda stanovení účinnosti je založena na následující úvaze: ideální stroj či zařízení pracuje s účinností 100 %, ve skutečnosti však žádné reálné zařízení není Perpetum mobile a jeho účinnost je tedy vždy menší než 100 %. Skutečná účinnost je nižší o různé ztráty, takže můžeme říci, že účinnost je rovna 100 % mínus součet jednotlivých ztrát v %. Jestliže stanovíme hlavní ztráty, můžeme relativně spolehlivě stanovit účinnost i v domácích podmínkách.
Zjednodušeně můžeme u malých spalovacích zařízení hovořit o těchto ztrátách:
- Ztráta způsobená únikem hořlaviny v tuhých zbytcích (v popelu) – černý popel obsahuje ještě hořlavinu, která by mohla shořet, pokud jej vyhodíme do popelnice, již nás nezahřeje. Při spalování koksu někdy dochází ke spékání a nedokonalému vyhoření a tato ztráta může dosáhnout více než 10 %. Pokud na rošt přiložíme palivo, které obsahuje velký podíl jemných částic (netříděné uhlí), může tato část propadnout do popelníku a pokud v něm nedohoří, výrazně se ztráta hořlavinou v popelu navýší. U teplovodních kotlů se tato ztráta většinou pohybuje v rozmezích od 2 do 4 %. Při spalování dřeva u krbových kamen můžeme počítat s hodnotou kolem 0,5 %.
- Ztráta způsobená únikem hořlaviny ve spalinách. Cílem každého uživatele spalovacího zařízení je dokonalé spálení hořlaviny, která je obsažena v palivu (uhlík, vodík). Pokud je spalování dokonalé, uhlík (C) shoří na oxid uhličitý (CO2) a vodík (H) na vodu (H2O). Pokud je spalování nedokonalé, uhlík shoří jen na jedovatý oxid uhelnatý (CO) anebo neshoří vůbec (saze). Typickým produktem nedokonalého spalování jsou také různé uhlovodíky (CXHY). CO a CXHY jsou hořlavé plyny a pokud neshořely, nemohly odevzdat energii, která je v nich obsažená (výhřevnost [J/m3]). Zjednodušeně řečeno, z paliva, které nespálíme, se neohřejeme. U krbových kamen při koncentraci CO do 0,1 % (velmi dobrá kamna) bude tato ztráta přibližně do 1 %, ale v případě horšího spalování při koncentraci CO kolem jednoho procenta (objemové), může tato ztráta dosáhnout hodnot až 6 %. Mimochodem podobná koncentrace CO je ve výfukových plynech starších benzínových motorů.
- Ztráta způsobená únikem tepla z tuhých zbytků. Dochází k ní tehdy, pokud z popelníku dáváme ven horký popel, který při chladnutí postupně odevzdá teplo do okolí. U zařízení s jednorázovou dopravou paliva do kotle a kamen k tomuto běžně nedochází, proto můžeme uvažovat s nulovou hodnotou.
- Ztráta způsobená sdílením tepla do okolí stěnami kotle. Primárním cílem teplovodního kotle je předat teplo spalin topné vodě a ne vytápět kotelnu. Záleží na tepelné izolaci stěn kotle, velikosti a teplotě povrchu kotle. U běžných teplovodních kotlů tato ztráta není větší než 2 %. Čím je tato ztráta větší, tím je v kotelně tepleji. U krbu, krbových a kachlových kamen, krbové vložky a kuchyňských sporáků se nejedná o ztrátu, protože to jsou zařízení, jejichž cílem je ohřívání vzduchu v místnosti, kde jsou instalována. U těchto zařízení se jedná o výkon zařízení a to je to, co chceme a k čemu je zařízení určeno.
- Ztráta způsobená únikem tepla ve spalinách tzv. komínová ztráta (ztráta citelným teplem spalin). Komínová ztráta představuje tu část tepla, které tzv. „vyletí komínem“. Teplo spalin ještě mohlo ohřát topnou vodu pro radiátor anebo vzduch ve vytápěném prostoru, ale z nějakého důvodu se tak nestalo. U dobře pracujících spalovacích zařízení je tato ztráta naprosto dominantní (největší). Proto se budeme v další části tohoto článku zabývat pouze komínovou ztrátou a ostatní ztráty zanedbáme.
Velikost komínové ztráty nejvíce ovlivňují dva parametry:
- teplota spalin
- množství spalin, bez jejichž znalosti nejsme schopni účinnost spalovacího zařízení stanovit.
Obr č. 1 Příklad umístění teploměru za krbovými kamny
Ad 1) Pokud hovoříme o teplotě spalin, tak se jedná o teplotu, kterou mají spaliny za spalovacím zařízením (mezi zařízením a komínem). Bez informace o teplotě spalin, není možné stanovit účinnost zařízení. Zde může nastat komplikace s nalezením vhodného a přístupného místa ke kouřovodu. Největší problém bude u zabudovaných krbových vložek. Teplotu spalin jsme schopni jednoduše změřit vhodným teploměrem. Ve většině obchodů, ve kterých prodávají kamna, si můžete pořídit obyčejný „budíkový“ teploměr (rozsah alespoň do 400 °C). Dle individuální situace optimalizujte natočení ciferníku, délku a tuhost stonku teploměru. Ideální je měřit teplotu uvnitř kouřovodu (vyvrtat otvor a zasunout stonek, viz obr. č. 1). Orientačně si však můžeme vystačit i s měřením povrchové teploty kouřovodu za pomoci dotykových teploměrů.
Ad 2) Stanovení množství spalin představuje ve srovnání se stanovením jejich teploty výrazně složitější úkol. Měření není snadné, ale na druhou stranu je zřejmé, že množství spalin úzce souvisí s tím, kolik spalovacího vzduchu se do spalovacího zařízení přivádí (ve většině případů nasává), tedy s jakým přebytkem spalovacího vzduchu (poměr množství vzduchu skutečného k množství vzduchu teoreticky potřebného) pracujeme. Množství spalin je přibližně stejné jako množství spalovacího vzduchu. Každé spalovací zařízení má oblast s optimálním přebytkem spalovacího vzduchu, kdy dosahuje nejlepších parametrů. Množství spalovacího vzduchu je ovlivněno nejen nastavením všech regulačních prvků pro přívod spalovacího vzduchu (klapky apod.) a parametry komínu, ale je také důležité vědět, jak je naše spalovací zařízení těsné. Pokud uzavřeme všechny regulační prvky přívodu primárního, sekundárního popř. terciárního spalovacího vzduchu (provedu test těsnosti) a plamen hoří dál a viditelně nepohasne (možné otestovat jen u spalovacího zařízení s prosklenými dvířky), je zřejmé, že vzduch je nasáván mimo tyto regulační prvky a nemá smysl je nastavovat, protože nic neregulují. Tyto netěsnosti je potřeba nalézt a odstranit. Jednoduchou metodou hledání netěsností je přiblížení zdroje kouře (např. zapálená cigareta) ke spalovacímu zařízení, ve kterém hoří palivo a vyhledávání místa, v němž je kouř nasáván do kamen či kotle. Ve většině případů bývá největší zdroj netěsností ve dvířkách a pro její odstranění stačí vyměnit těsnící šňůry na přikládacích dvířkách a vyměnit nalepovací těsnění u popelníků a skel. Až budeme mít vzduch pod kontrolou – změna nastavení regulačních prvků se viditelně odrazí na změně velikosti a barvě plamene. Regulačními prvky můžeme potom nastavit a ovlivnit intenzitu a kvalitu. Cílem utěsnění netěsností je omezení přívodu falešného vzduchu, který negativně ovlivňuje provoz zařízení. Cílem však není úplné zamezení přívodu vzduchu do zařízení, ale omezení přívodu falešného vzduchu do nevhodných míst ve spalovací komoře zařízení. Regulační prvky umožní přivést dostatečné množství vzduchu na to správné místo ve spalovacím zařízení. Regulační prvky uzavíráme jen při testu těsnosti, nikdy ne po přiložení paliva.
Orientační stanovení těsnosti spalovacích zařízení, které nemá prosklená dvířka nebo průhledítko (většina teplovodních kotlů) je velmi problematické. Nejlépe bychom zjistili těsnost spalovacího zařízení tak, že změříme koncentraci kyslíku ve spalinách, ale toto bez přenosného kufříkového analyzátoru (mají jej někteří kominíci) nejsme schopni v domácích podmínkách provést. Pro naše potřeby si vystačíme s vizuální kontrolou a odhadem těsnosti (těsná/netěsná).
Informace o teplotě spalin a částečně o tom, jak těsné spalovací zařízení máme, nám postačí k tomu, abychom si mohli orientačně stanovit účinnost našeho spalovacího zařízení. S pomocí obr. č. 2 budeme postupovat takto:
- Dle výsledku testu těsnosti a typu spalovacího zařízení si na obr. č. 2 vybereme jednu z křivek, která nejlépe odpovídá naší situaci. Jestliže máme klasická krbová kamna a při uzavření všech regulačních klapek se plamen nijak nezmenší, naše kamna jsou velmi netěsná a přibližně to odpovídá modré křivce (18 % kyslíku ve spalinách). Znamená to, že množství vzduchu nasávané do kamen se mění jen dle toho, jaký je tah komínu popř. jak máme nastavenu komínovou klapku. Pokud je komín v pořádku, můžeme předpokládat, že množství vzduchu je zbytečně velké a mnoho tepla jde do komína.
- Během doby jednoho přiložení orientačně změříme průměrnou teplotu spalin za kamny. Např. naměříme teplotu 300 °C.
- Na vodorovné ose x nalezneme teplotu spalin 300 °C a jdeme směrem nahoru až k modré křivce, která reprezentuje naše netěsná kamna – bod „A“. Na svislé ose odečteme hodnotu účinnosti přibližně 33 %.
- Výsledek nám tedy říká, že pokud máme netěsná kamna a teplota spalin se pohybuje okolo 300 °C (může to být běžný stav), využíváme teplo obsažené v palivu pouze s účinností 33 % (67 % energie nám „vyletí“ komínem). To jistě stojí za zamyšlení a provedení relativně jednoduchých nápravných opatření, protože účinnost 33 % je dost malá. Na druhou stranu ve srovnání s účinností otevřeného krbu (10 %) to je třikrát více. Neznamená to, že bychom se neohřáli, ale že ve srovnání s kamny o účinnosti např. 50 % spálíme v otevřeném krbu přibližně pětkrát více paliva pro dosažení stejné tepelné pohody.
Obr. č. 2 Orientační závislost účinnosti spalovacího zařízení na teplotě spalin a těsnosti spalovacího zařízení
Co je tedy možné udělat? Pokud chceme snížit spotřebu paliva (tj. zvýšit účinnost), graf na obr. č. 2 nám názorně ukazuje, jaké máme možnosti pro zlepšení. Pokud přijdeme na to, kde máme největší netěsnosti (falešný vzduch) a odstraníme je, můžeme se posunout na oranžovou křivku do bodu „B“. Tím jsme zásadním způsobem zvýšili účinnost z původních cca 30 % na 65 % a spotřeba paliva nám klesne na polovinu, a přesto bude užitek stejný. Jak se to mohlo stát? Nehovoříme o tom, že vzduchové regulační prvky budeme mít uzavřené, právě naopak, nyní regulačními prvky regulujeme potřebné množství vzduchu, ale co se zásadně změnilo, je, že jsme omezili přívod falešného vzduchu. Nyní přes spalovací zařízení prochází podstatně menší množství spalovacího vzduchu, a tedy vzniká menší množství spalin, protože máme vzduch částečně pod kontrolou a účinně regulujeme jeho množství regulačními prvky. Menší množství vzduchu znamená menší množství spalin a tím tedy i dosáhneme menší komínové ztráty.
Graf na obr. č. 2 naznačuje, jaké máme další možnosti zvýšení účinnosti. Pokud snížíme teplotu spalin, které vycházejí z kamen, snížíme množství tepla odcházejícího komínem ven a tím opět zvýšíme účinnost. Teplotu spalin snížíme množstvím spalovaného paliva (musíme méně přikládat), nastavením regulačních prvků přívodu spalovacího vzduchu a intenzitou chlazení kamen. U klasických krbových kamen je chlazení pláště problematické, u teplovodních kamen můžeme zvýšit průtok otopné vody, snížit teplotu vratné vody. U teplovzdušných krbových vložek intenzitu chlazení zvýšíme otevřením všech klapek pro přívod ohřátého vzduchu do místnosti nebo zapnutím ventilátoru ohřívaného vzduchu. Pokud teplotu spalin snížíme na hodnotu 250 °C, dostaneme se do bodu „C“, v němž jsme již na účinnosti kolem 70 %. Při teplotě 200 °C by byla účinnost kolem 77 % (bod „D“).
Teplotu spalin bychom u krbových kamen měli udržovat v rozsahu od 150 do 250 °C. U teplovodních kotlů by to mělo být cca od 150 do 200 °C. Pokud bude teplota příliš vysoká, „vyletí“ nám mnoho tepla komínem a máme velkou komínovou ztrátu. Ale pozor, teplotu spalin nemůžeme snižovat donekonečna, protože pokud budou spaliny příliš chladné (pod 150 °C, záleží na složení spalin – obsah vody a SO3), může dojít ke kondenzaci dehtových látek a vodní páry a při nízké teplotě spalin může dojít i ke snížení komínového tahu. Kondenzace snižuje životnost komínu a spalovacího zařízení. Opět se zde jedná o kompromis, kdy spalinám odebereme co nejvíce tepla pro potřeby vytápění, ale jen do té míry, aby nám nezkorodoval kotel či kamna a komín „přežil“ (koroze, vlhnutí zdiva).
O tom jak lépe topit a co pro to dělat hovoříme v rámci edukativní show: „SMOKEMAN ZASAHUJE“, se kterou jezdíme po městech země České a Moravské, více zde: http://vec.vsb.cz/cz/zkusebna/edukativni-show-smokeman-zasahuje.html. Větší účinnost spalovacího zařízení představuje méně spáleného paliva, a proto se má smysl tímto tématem zabývat.
Poděkování: tento článek vznikl za podpory MPO v rámci řešení projektu FR-TI1/178 Krbová kamna se sníženou produkcí prachu, MŠMT v rámci řešení projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0036 Inovace pro efektivitu a životní prostředí, TAČR v rámci řešení projektu Centra kompetence TE01020036 a projektu Příležitost pro mladé výzkumníky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/30.0016, podpořeného Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Nowadays, everyone would like to certainly know how to efficiently convert a stock of fuel into heat which warms up your home. This article focus on method which measures the efficiency of combustion equipment easily. Based on this information, anyone can optimize his/her combustion device and hereby increase its efficiency. This will reduce fuel consumption, which can result in significant cost savings.