Komfort kotlů na tuhá/pevná paliva – část II.
Jak dlouho vydrží teplo z jednoho přiložení či nabité akumulační nádoby?
© Fotolia.com
Cílem tohoto článku je shrnutí základních parametrů kotlů na tuhá paliva, a prvků k nim zařazených v otopné soustavě, které mohou ovlivňovat chod celého zařízení, pro co možná nejvyšší komfort provozu. Jako přiřazený prvek je myšlena například akumulační nádoba, která zajišťuje prodloužení času vytápění od poslední přikládky paliva do kotle, čímž zvyšuje komfort užívání. Dále se zabývá porovnáním jednotlivých paliv a to jak s ohledem na prašnost paliv, tak s ohledem na činnosti, které je nutné s palivem před spálením provést.
1. část seriálu - Jak dlouho vydrží teplo z jednoho přiložení či nabité akumulační nádoby?
1. Zjednodušený výpočet doby ohřevu a chladnutí akumulační nádrže
Nejprve je nutné stanovit tepelnou ztrátu domu. Pokud je již známá, lze tento výpočet přeskočit a pokračovat následujícím krokem.
[kW]
kde je
- Pztr
- tepelná ztráta domu [kW]
- qztr_1st
- přibližná tepelná ztráta domu na 1 m3 stanovená při teplotě te = −15 °C a tint = 20 °C [W/(m3∙K)]
- S
- plocha domu [m2]
- h
- výška stropu [m]
- tint
- teplota interiéru [°C]
- te
- venkovní výpočtová teplota (lze vyhledat dle lokality na [2])
| Typ domu | qztr_1st | Jednotka |
|---|---|---|
| Starší nezateplený rodinný dům | 1 | W/(m3∙K) |
| Starší zateplený rodinný dům | 0,57 | W/(m3∙K) |
| Novostavby odpovídající tepelně technickým předpisům | 0,43 | W/(m3∙K) |
| Energeticky úsporné domy | 0,29 | W/(m3∙K) |
| Nízkoenergetické domy | 0,17 | W/(m3∙K) |
| Pasivní domy | 0,08 | W/(m3∙K) |
Tepelná ztráta budovy při rozdílu teplot interiéru a exteriéru o 1 °C se vypočte jako:
[kW/K]
kde je
- Pztr_1st
- tepelná ztráta domu při rozdílu teplot interiéru a exteriéru o 1 °C
Tepelná ztráta budovy při aktuálním rozdílu teplot interiéru a exteriéru se vypočte jako:
[kW]
kde je
- Pztr_akt
- tepelná ztráta domu při aktuální teplotě exteriéru [kW]
- text
- aktuální teplota exteriéru [°C]
Výkon nahřívající vodu v nádobě:
[kW]
kde je
- Pnahřívací
- část výkonu kotle použitý pro nahřátí vody v akumulační nádobě [kW]
- Pvody
- výkon kotle předávaný vodě [kW]
Teplo potřebné pro ohřátí vody v akumulační nádobě se vypočte:
[MJ]
kde je
- Qpotřebné
- teplo potřebné pro ohřátí vody v akumulační nádobě [MJ]
- V
- objem akumulační nádoby [m3]
- cp
- měrná tepelná kapacita vody [kJ∙kg−1∙K−1]
- tmax
- maximální teplota v akumulační nádobě [°C]
- tstart
- počáteční teplota v akumulační nádobě [°C]
- ρstř
- střední hustota kapaliny v akumulační nádobě [kg∙m−3]
Pro představu se do akumulační nádoby o objemu V = 1 m3 dá uložit při ohřátí vody z počáteční teploty tstart = 30 °C na koncovou teplotu tmax = 80 °C cca Qpotřebné = 210 MJ (cca 58,3 kWh) tepla. Jedná se přibližně o půlku tepelné energie, která je naložena do zplyňovacího kotle v modelovém příkladu v kapitole 3.1.
Čas potřebný pro ohřátí akumulační nádoby za předpokladu že část výkonu z kotle je využívána pro pokrytí tepelné ztráty domu se vypočte jako:
[hod]
kde je
- tohřátí
- čas potřebný pro ohřátí akumulační nádoby za předpokladu že část výkonu z kotle je využívána pro pokrytí tepelné ztráty domu [hod]
Čas, po který je akumulační nádoba schopna pokrýt tepelnou ztrátu objektu:
[hod]
kde je
- tstop
- minimální teplota otopné vody na vstupu do otopné soustavy [°C]
Pro prezentaci časů ohřevu u různě výkonných kotlů a různých domů myšleno z hlediska jeho tepelné ztráty slouží graf č. 3, graf č. 4 a graf č. 5.
Z těchto grafů je patrné, že akumulační nádrže provozované v domech s nízkou tepelnou ztrátou (do 8 kW) mohou být například při objemu vody V = 1000 dm3 běžně nabity v čase do 12 hodin i s kotlem o jmenovitém výkonu 15 kW při velice nízkých teplotách okolí text = −20 °C, a to i za situace, kdy kotel zároveň „nabíjí“ akumulační nádrž a zároveň udržuje teplotu v interiéru na hodnotě tint = 20 °C. S rostoucí teplotou exteriéru tento čas rapidně klesá a při běžných zimních teplotách v podmínkách České republiky okolo −10 °C netrvá nabití akumulační nádoby o tomto objemu déle než 9 hodin provozu kotle na jmenovitý výkon. Tento čas musí být vždy navýšen o potřebné prohřátí kotle a náběh na jmenovitý výkon, což většinou netrvá déle než půl hodiny. Snížením interiérové teploty lze rovněž snížit čas nahřátí akumulační nádoby. Tento zásah však může snížit komfort užívání domu.
Při navyšování výkonu kotle se rapidně snižuje potřebný čas k nabití nádrže. Nutno podotknout, že kotel by měl být vybírán do domu individuálně právě podle výpočtové tepelné ztráty domu a objemu akumulační nádoby. Nemělo by docházet k extrémům typu příliš rychlého nabití akumulační nádoby, nebo naopak nemožnost nabití akumulační nádoby při okolních teplotách pod cca text = −5 °C.
Pro prezentaci časů chladnutí akumulační nádoby slouží graf č. 6. Vzhledem k přímé úměře mezi časem chladnutí a celkovým objemem akumulačních nádob ve výpočtu lze velice jednoduše dopočítat časy chladnutí pro odlišné objemy akumulačních nádob, nebo pro jejich větší množství.
Z grafu je patrné, že dům s nízkou tepelnou ztrátou blížící se například 4 kW, který je vybaven podlahovým topením, může být z akumulační nádoby vytápěn při okolní teplotě text = 0 °C až 20 hodin. Do výpočtu nebyly zahrnuty ztráty akumulační nádoby, neboť teplo, které unikne přes izolaci do místnosti, v níž je nádoba umístěna, prakticky rovněž vytápí dům. Množství využitelné energie v akumulační nádobě klesá s nejnižší možnou vstupní teplotou do otopné soustavy. Pro domy vytápěné radiátory, které potřebují vyšší teplotu vstupní vody, bude čas chladnutí výrazně kratší, než pro domy s podlahovým vytápěním, které potřebují nižší teplotu vstupní vody.
Vzhledem k tomu, že pro dosažení dotace (Kotlíkové dotace) je zapotřebí splnit podmínku objemu akumulační nádoby, která musí mít objem alespoň V = 55 ∙ Pjm v dm3 [4], je někdy instalováno více akumulačních nádob. Větší objem akumulační nádrže znamená větší kapacitu pro uložení tepla, větší pohodlí, delší dobu nabití, ale i vybití, vyšší nároky na prostor a vyšší investiční náklady.
Reálnou aktuální tepelnou ztrátu domu při známé výpočtové tepelné ztrátě v závislosti na teplotě okolí text a na skutečné teplotě interiéru tint prezentuje graf č. 7. Z grafu je patrné, že dům s výpočtovou tepelnou ztrátou 5 kW (výpočet pro te = −15 °C a tint = 20 °C) vytápěný na 24 °C nemá při výpočtové teplotě te = −15 °C aktuální tepelnou ztrátu 5 kW, ale 5,6 kW, přičemž stejný dům vytápěný na teplotu 27 °C má aktuální tepelnou ztrátu při stejné teplotě dokonce 6 kW, tedy o 20 % vyšší, než je výpočtem stanovená.
Graf č. 3 Závislost času potřebného k nahřátí akumulační nádrže na venkovní teplotě, v případě, že část tepla je využita na vytápění (udržení teploty v interiéru tint = 20 °C) a přebytky na nabíjení akumulační nádoby o objemu V = 1000 dm3; k vytápění slouží kotel provozovaný na výkon P = 15 kW; počáteční teplota v nádobě je 20 °C; koncová teplota v nádobě je 80 °C
Graf č. 4 Závislost času potřebného k nahřátí akumulační nádrže na venkovní teplotě, v případě, že část tepla je využita na vytápění (udržení teploty v interiéru tint = 20 °C) a přebytky na nabíjení akumulační nádoby o objemu V = 1000 dm3; k vytápění slouží kotel provozovaný na výkon P = 20 kW; počáteční teplota v nádobě je 20 °C; koncová teplota v nádobě je 80 °C
Graf č. 5 Závislost času potřebného k nahřátí akumulační nádrže na venkovní teplotě, v případě, že část tepla je využita na vytápění (udržení teploty v interiéru tint = 20 °C) a přebytky na nabíjení akumulační nádoby o objemu V = 1000 dm3; k vytápění slouží kotel provozovaný na výkon P = 25 kW; počáteční teplota v nádobě je 20 °C; koncová teplota v nádobě je 80 °C
Graf č. 6 Závislost času chladnutí akumulační nádoby o objemu V = 1000 dm3 dle tepelných ztrát domu v závislosti na okolní teplotě (chladnutí z teploty tmax = 80 °C na teplotu tstop = 30 °C)
Graf č. 7 Závislost aktuální tepelné ztráty domu v závislosti na teplotě okolí a teplotě interiéru pro dva modelové objekty s tepelnými ztrátami Pztr = 5 a 10 kW (při tint = 20 °C a text = −15 °C)
2. Závěr
Domácnosti jsou vytápěny proto, aby v nich byla zajištěna tepelná pohoda a byla k dispozici teplá voda na mytí. Pokud jsou jako zdroj primární energie použita tuhá paliva, je mimo náklady na topnou sezónu, jedním z důležitých parametrů, také otázka zajištění komfortu vytápění. Mimo zajištění zásoby vhodného paliva v blízkosti kotle (příprava, řezání, štípání, skladování, sušení dřeva, přesun uhlí/biomasy do skladu paliva ke kotli apod.) se jedná hlavně o časovou náročnost obsluhy kotle (četnost zátopů, přikládání, odpopelnění apod.) a této oblasti se věnoval tento článek (čistota kotelny je samostatnou kapitolou a souvisí spíše s volbou paliva, biomasa je čistší než uhlí). Každý si cení svého času a práce jinak, takže pro každého má komfort vytápění tuhými palivy jinou hodnotu.
Jednou z cest pro zvýšení komfortu je výměna starého kotle s ručním přikládáním za nový, automatický kotel, který pro svůj plynulý chod vyžaduje dosypávání paliva (do zásobníku paliva) v rozmezí jednotek dnů, až jednotek měsíců, v případě celosezónního zásobníku plněného cisternou až jednou za topnou sezónu. Perioda odpopelnění je stejná anebo delší než perioda přikládání. V hořáku kotle hoří pouze malé množství paliva, které je periodicky doplňováno podavačem ze zásobníku paliva.
Dalším vhodným řešením je instalace akumulační nádoby („baterka“ pro dočasné uskladnění tepla) ke kotli s ruční přikládkou paliva. Akumulační nádoba prodlužuje dobu, kdy kotel pracuje na jmenovitý výkon, při kterém dosahuje optimálních provozních parametrů (účinnost a emise znečišťujících látek). Akumulační nádrž může teplem zásobovat objekt i po dobu několika desítek hodin dle skutečné potřeby tepla a objemu akumulační nádoby.
Pokud z jakéhokoliv důvodu nemůže dojít k výměně starého kotle za nový, nabízí se jako řešení zvýšení komfortu u prohořívacích kotlů jejich přestavba na automatický kotel. Je však otázkou, jak bude z pohledu požadavků „Zákona o ochraně ovzduší“ [8] po 10/2022 na tyto zdroje tepla nahlíženo (existují různé výklady).
Z hlediska skladovacích prostorů jsou vhodnější fosilní paliva s vyšší výhřevností vztaženou na jednotku objemu (palivo zaujímá menší prostor), z hlediska vzniklého prachu při manipulaci s palivem a popelem (čistota v kotelně) je vhodnější spalovat biomasu (pelety, dřevo).
Zvýšení komfortu vytápění tuhými palivy má mnoho variant, které souvisí s různými okolnostmi, které byly nastíněny v tomto článku. Závěrem se nabízí představit modelovou situaci, kterou prezentuje graf č. 8, porovnávající délku bezobslužného provozu po naložení poslední dávky paliva při nahřátých akumulačních nádobách na teplotu tmax = 80 °C (pokud jsou v soustavě zařazeny). Teplo z akumulačních nádob je využíváno až do teploty tstop = 30 °C. Modelový dům má výpočtovou tepelnou ztrátu Pztr = 8 kW (při text = −15 °C). Aktuální venkovní teplota okolí je text = 0 °C (aktuální tepelná ztráta objektu je Pztr_akt = 4,6 kW). K vytápění je používán kotel o jmenovitém výkonu 20 kW. Interiér je vytápěn na teplotu tint = 20 °C. Poslední graf č. 8 vypovídá o faktu, že spalování tuhých paliv s ruční přikládkou je, co se týče komfortu, podobné u všech druhů kotlů (rozdíl je v účinnostech jednotlivých kotlů). Dále je patrné, že akumulační nádoba může čas po posledním přiložení značně prodloužit, ale výrazně je to ovlivněno jejím objemem. Z pohledu komfortu je vítězem automatický kotel s nejdelší dobou bezobslužného provozu od posledního zásahu.
Nabízí se řada možností jak snížit nutný počet navštívení kotelny (jeden z parametrů komfortu) a je zřejmé, že každá z těchto cest je jinak finančně a časově náročná. Samostatnou otázkou zůstává, jak si ceníme svého času a své práce. Kterou z možných variant zvýšení komfortu si vyberete Vy, záleží jen na Vás a na Vašich prioritách a možnostech.
Graf č. 8 Porovnání délky bezobslužného provozu pro vstupní parametry: kotel o jmenovitém výkonu Pjm = 20 kW, výpočtová tepelná ztráta domu Pztr = 8 kW (při text = −15 °C), aktuální teplota okolí je text = 0 °C (aktuální tepelná ztráta objektu je Pztr_akt = 4,6 kW), teplota interiéru tint = 20 °C; akumulační nádoba chladne z teploty tmax = 80 °C na tstop = 30 °C)
3. Poděkování
Tato práce byla podpořena v rámci projektu MŠMT „Inovace pro efektivitu a životní prostředí – Growth“ (LO1403).
4. Zdroje
- Instalace kotlů: Základní podmínky pro dobrou funkci a vysokou životnost kotlů ATMOS. ATMOS [online]. Bělá pod Bezdězem: Atmos, 2017 [cit. 2017-10-26]. Dostupné z: http://www.atmos.eu/instalace-kotlu/
- Výpočet tepelné ztráty domu. 2K Energy [online]. Praha, 2017 [cit. 2017-07-14]. Dostupné z:
https://www.2kenergy.cz/novinky/vypocet-tepelne-ztraty-domu-22.html - Venkovní výpočtové teploty a otopná období dle lokalit. TZB info [online]. Praha 6: TZB info, 2017 [cit. 2017-10-26]. Dostupné z: https://www.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/25-venkovni-vypoctove-teploty-a-otopna-obdobi-dle-lokalit
- NZÚ-akumulační nádrže ke kotlům. IQ energy: Inteligentní úspory energie [online]. Praha: IQ energy, 2017 [cit. 2017-10-26]. Dostupné z: http://www.iqenergy.cz/nova-zelena-usporam/nzu-akumulacni-nadrze-ke-kotlum/#.WfFzz1u0OJB
- Proces hoření kusového dřeva. TZB info [online]. Praha 6: TZB info, 2017 [cit. 2017-10-26]. Dostupné z:
https://energetika.tzb-info.cz/8716-proces-horeni-kusoveho-dreva - Ověření funkce a vlivu regulace teploty vratné vody u kotle na tuhá paliva v zapojení s akumulační nádobou. TZB-info [online]. Praha 6: TZB-info, 2017 [cit. 2017-10-26]. Dostupné z: https://vytapeni.tzb-info.cz/potrubi-a-armatury/15927-overeni-funkce-a-vlivu-regulace-teploty-vratne-vody-u-kotle-na-tuha-paliva-v-zapojeni-s-akumulacni-nadobou
- Jak si doma stanovit vlhkost a výhřevnost dřeva? TZB info [online]. Praha 6: TZB-info, 2017 [cit. 2017-10-26]. Dostupné z:
https://vytapeni.tzb-info.cz/9300-jak-si-doma-stanovit-vlhkost-a-vyhrevnost-dreva,
https://vytapeni.tzb-info.cz/vytapime-tuhymi-palivy/15804-slozeni-paliva-a-stanoveni-vlhkosti-dreva-podomacku - Sbírka zákonů č. 201/2012 Sb. – o ochraně ovzduší ze dne 2. května 2012 ve znění zákona č. 64/2014 Sb., zákona č. 87/2014 Sb., zákona č. 382/2015 Sb., zákona č. 369/2016 Sb.
The aim of this article is the summary of basic solid fuel boiler parameters, and elements included in heating system, which can influence operation of whole device, for maximum user comfort. As an associated element is menat e.g. for example accumulator tank, which ensures the extension of the heating time from the last fuel feed to boiler, thus increasing the convenience of use. It also deals with the comparison of individual solid fuel from the point of view of comfort of use, both with respect to the dustiness of the fuels, and with respect to the preparation of the fuels before their burning.