Stačí „jen“ vyměnit kotle, aby byl čistší vzduch?
Pilotní měření moderních kotlů na pevná paliva v domácnostech
© Fotolia.com
Byla provedena měření na osmi moderních kotlích na pevná paliva, které splňovaly požadavky na ekodesign v reálném provozu. V této práci jsou uvedeny jejich dosažené emisní a provozní parametry.
Pozn.: Článek byl aktualizován 18.11.2019.
Vzhledem k častým dotazům k tomuto článku byla na úvod článku dodatečně vložena poznámka recenzenta, kterou mnozí čtenáři v závěru článku přehledli.
Poznámka recenzenta
Článek pojednává o bezesporu zajímavém a prospěšném projektu. V závěrečném hodnocení autoři uvádějí, že „reálné provozní hodnoty jsou výsledkem kombinace těchto čtyř faktorů:
- kvalita konstrukce kotle,
- kvalita paliva,
- kvalita obsluhy,
- kvalita údržby.“
Neplatí zaběhlé klišé o tom, že „ekodesign je víc než třída 5“.
Protože poměrně velké množství kotlů třídy 4 plní podmínky ekodesignu, a tudíž budou na trhu pro zákazníky dostupné i v následujících letech. Z tohoto pohledu je nutné pohlížet také na výsledky měření. Dále je nutné si uvědomit, že limity stanovené v normě ČSN EN 303-5:2013 pro zařazení kotlů do tříd jsou limity, kterých lze dosáhnout pouze za ideálních provozních podmínek. Významné je i to, že hodnoty naměřené v tomto projektu jsou v průměru shodné, či dokonce lepší než emisní faktory, které se používají pro dané konstrukce při inventarizaci emisí ze spalování pevných paliv v domácnostech, tedy v souhrnných statistikách za Českou republiku. Velký přínos projektu vidím v tom, že opět nastoluje otázku povinného měření kotlů na pevná paliva při uvádění do provozu a nepřímo také podtrhuje význam zavedených pravidelných kontrol těchto spalovacích zdrojů podle zákona o ochraně ovzduší.
Úvod
Jedním z nejvýznamnějších antropogenních zdrojů znečišťování ovzduší (mimo jiné také aerosolem) je vytápění domácností pevnými palivy. Vláda ČR se prostřednictvím MŽP snaží o zlepšení kvality životního prostředí mimo jiné i ovzduší. Pozitivní aktivitou je dotovaná výměna starých a nevyhovujících kotlů za moderní kotle na pevná paliva (automatické, zplyňovací kotle) nebo přechod na jiné šetrné způsoby vytápění (tepelná čerpadla, plynové kondenzační kotle). Předmětem tohoto příspěvku je prezentace výsledků pilotního projektu měření osmi moderních kotlů pořízených z kotlíkových dotací. Všechny měřené kotle splňují požadavky na Ekodesign pro uvádění výrobků na trh (Nařízení Komise EU č. 2015/1189), jejich skutečně dosahované emisní parametry při reálném provozu v domácnostech jsou prezentovány v tomto příspěvku.
Metody měření
Bylo změřeno osm moderních teplovodních kotlů na pevná paliva, přičemž se nejedná o reprezentativní, náhodný vzorek a prezentované výsledky není možno extrapolovat na celou Českou republiku. Jmenovitý výkon měřených kotlů byl v rozsahu 20 až 30 kW. Jedná se o tři zplyňovací kotle na kusové dříví, dva automatické kotle na hnědé uhlí a dva automatické kotle na dřevní pelety. Kotle byly, mimo dvě výjimky (1A, 2A) okomentované dále v textu, provozovány majitelem dle jeho zvyklostí. Výkon byl u automatických kotlů dán aktuální spotřebou domů, u zplyňovacích kotlů bylo přebytečné teplo ukládáno do vybitých akumulačních nádrží (počáteční teplota cca 20 °C), takže kotle měly být provozovány při jmenovitém výkonu.
Byly měřeny parametry spalin ve spalinové cestě cca 100 až 500 mm za kotlem a) kontinuální měření teploty termočlánkovým čidlem, b) kontinuální měření tahu elektronickým tlakoměrem, c) kontinuální měření objemového podílu kyslíku v suchých spalinách paramagnetickou metodou, d) kontinuální měření objemového podílu oxidu uhelnatého v suchých spalinách NDIR metodou, e) jednorázový gravimetrický odběr podílu prachu v suchých spalinách, přičemž nebyly striktně dodrženy požadavky izokinetického vzorkování. Dále byly nepřímou metodou vyhodnoceny energetické účinnosti spalovacích zařízení. Byly provedeny rozbory paliv, stanoveny ztráty citelným teplem spalin, ztráty plynným a mechanickým nedopalem, ztráty sdílením tepla do okolí nebyly stanovovány (pro výpočet byla uvažována konstantní hodnota 3,5 %, dle zkušeností s podobnými zařízeními při provozu na snížený výkon). Tepelný výkon kotle byl stanoven na základě měření teplotního spádu (příložná čidla Pt100) a průtoku otopné vody (příložný ultrazvukový průtokoměr).
Stanovené koncentrace CO a prachu (přepočítané na mg.m−3 při 0 °C, 101,3 kPa a referenční obsah O2 = 10 %) a energetické účinnosti (stanovené v % příkonu kotle) byly porovnány s limitními hodnotami pro třídy kotlů dle ČSN EN 303-5 (viz Obr. 1 až 3).
Výsledky a diskuse
Zplyňovací kotle na dřevo s ručním přikládáním
Pro tento typ kotlů je nezbytné, aby byly provozovány na jmenovitý výkon. Proto je použití těchto kotlů, včetně podmínek pro udělení dotace, podmíněno instalací dostatečné kapacity akumulačních nádob. Byli měřeni tři zástupci těchto kotlů.
Obr. 1 Srovnání naměřených hodnot koncentrace CO s limitními hodnotami dle ČSN EN 303-5 (mg.m−3 při 0 °C, 101 kPa, 10 % O2, suchý plyn)
Obr. 2 Srovnání naměřených hodnot koncentrace prachu s limitními hodnotami dle ČSN EN 303-5 (mg.m−3 při 0 °C, 101 kPa, 10 % O2, suchý plyn)
Obr. 3 Srovnání naměřených hodnot účinnosti s limitními hodnotami dle ČSN EN 303-5 (% příkonu)
Kotel s označením 1A byl provozován na jmenovitý výkon přímo výrobcem zařízení, který byl měření přítomen a provozoval kotel optimálním způsobem. Přítomnost výrobce u měření si vyžádal provozovatel kotle. Během provozu bylo do kotle poměrně často zasahováno kvůli zabránění klenbování paliva nad hořákem, což by způsobovalo snížení kvality spalování a částečné snížení výkonu. Správně nastavený zplyňovací kotel, který je provozován téměř při jmenovitém výkonu a bez klenbování, může v reálném provozu běžně dosahovat kvality spalování i emisí prachu na úrovni třídy kotle 5 (CO pod 700, prach pod 60 mg.m−3 při 0 °C, 101,3 kPa a 10 % O2, viz Tab. 1 a Obr. 1, kotel 1A). Tento fakt dokládá kvalitu těchto konstrukcí kotlů, ale chybné nastavení kotle (nevhodně nastavená řídící jednotka, zanedbání údržby) nebo otopné soustavy (nevhodné zapojení, provoz bez akumulačních nádrží nebo při nabitých akumulačních nádržích) způsobí provoz na snížený výkon. V praxi to znamená provoz s nedostatkem vzduchu se sníženými otáčkami nebo dokonce vypnutým odsávacím ventilátorem spalin.
Kotel s označením 2A byl nevhodně nastaven, což způsobovalo trvalý provoz na snížený výkon, kolem 30 % jmenovitého výkonu. Majitel byl s nově pořízeným kotlem nespokojen. Asi měsíc před měřením došlo k nahromadění dehtů za kotlem a v komíně a následnému vyhoření komínu. Sledováním provozu kotle bylo zjištěno, že se po krátké době provozu snižují otáčky spalinového ventilátoru, což způsobuje provoz na snížený výkon i při vybitých akumulačních nádržích. Problém byl identifikován v nastavení maximální teploty spalin za kotlem na nízké úrovni 185 °C, po zvýšení této hodnoty na 250 °C se spalinový ventilátor roztočil na plné otáčky a následně se podstatně zvýšil i výkon kotle. Měření bylo provedeno až po tomto zásahu a kotel byl provozován po většinu doby provozu bez zásahů obsluhy (cca 1× za hodinu odstranění klenbování), přesto kotel dosáhl pouze přibližně poloviny jmenovitého výkonu (viz Tab. 1). Při provozu se projevoval efekt klenbování paliva nad hořákem, což způsobovalo kolísání kvality spalování a také snížení výkonu.
Kotel s označením 3A byl majitelem provozován obvyklým způsobem, ale byl nevhodně nastaven, to způsobovalo trvalý provoz na snížený výkon. Měření tohoto kotle bylo provedeno při tomto sníženém výkonu. Kotel vykazoval emisní parametry horší než staré prohořívací kotle (viz Tab. 1 a Obr. 1 až 3). Příčinou sníženého výkonu bylo nastavení vysoké teploty vratné otopné vody na 75 °C (pravděpodobně z důvodů zabránění koroze kotle), v kombinaci s nízkou požadovanou teplotou výstupní otopné vody nastavené na 80 °C. Tento stav způsobil, že při daném průtoku otopné vody (cca 1900 dm3/h) bylo možno dosáhnout maximální teplotní diferenci pouze 5 °C a bylo dosaženo výkonu pouze cca 11 kW. Problém byl v chybném požadavku na teplotu výstupní otopné vody, ne v tom, že teplota vratné otopné vody by byla zbytečně vysoko (to opravdu snižuje problémy s korozí).
Automatické kotle na hnědé uhlí
Z hlediska kvality spalování všechny tři měřené automatické kotle na uhlí (kotle označené 4B, 5B a 6B) plnily limity CO pro třídu kotle 4 (1000 mg.m−3 při 0 °C, 101,3 kPa a 10 % O2) viz Tab. 1 a Obr. 1. Dva majitelé uhelných kotlů si stěžovali na kvalitu dodávaného uhlí, která podstatně ovlivňuje množství produkovaného prachu. Kotel s označením 6B byl montážní firmou dodán bez turbulátorů. Pravděpodobně díky tomu a také díky nekvalitnímu palivu (s vyšším podílem jemných frakcí) koncentrace prachu nedosáhla ani na limit třídy 1 (180 mg.m−3 při 0 °C, 101,3 kPa a 10 % O2, viz Tab. 1 a Obr. 2). U dalších dvou kotlů (4B a 5B) koncentrace prachu splňovaly limit pro kotle třídy 3 (150 mg.m−3 při 0 °C, 101,3 kPa a 10 % O2, viz Tab. 1 a Obr. 2).
Automatické kotle na dřevní pelety
Třetí skupinou byly automatické kotle na dřevní pelety. Tyto kotle pracovaly z hlediska kvality spalování (koncentrace CO viz Tab. 1 a Obr. 1, kotle s označením 7C a 8C) nejlépe ze všech měřených kotlů. Oba zástupci plnili limit CO pro třídu kotle 5 (500 mg.m−3 při 0 °C, 101,3 kPa a 10 % O2). U obou měřených kotlů byly shledány drobné potíže se zaneseným výměníkem. Majitel kotle označeného 7C dokonce netušil, že i tato konstrukce kotlů potřebuje jednou za čas vyčistit. Po následném vyčištění výměníku se teplota spalin za výměníkem, dle vyjádření majitele, snížila cca o 50 °C, což znamenalo změnu účinnosti ze stanovených 83,8 % na cca 87,4 %. Tato hodnota účinnosti se již velmi přibližuje k limitu pro třídu 5, která požaduje účinnost minimálně 88,3 % (viz Obr. 3). Během měření dosáhly tyto kotle třídy 3 a 4 (při současném hodnocení limitních hodnot CO, prachu a účinnosti viz Tab. 1 a Obr. 1 až 3).
| označení kotle | konstrukce kotle, palivo | CO | prach | účinnost | dosažený výkon | jmenovitý výkon | komínový tah | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| mg/m3* | třída kotle** | mg/m3* | třída kotle** | % | třída kotle** | kW | kW | Pa | ||
| 1A | zplyňovací, kusové dřevo | 449 | 5 | 35 | 5 | 84,9 | 4 | 16,8 | 22 | 34 |
| 2A | 3 347 | 3 | 69 | 4 | 77,7 | 3 | 15,7 | 30 | 34 | |
| 3A | 21 643 | 1 | 558 | – | 76,7 | 3 | 10,9 | 25 | 19 | |
| 4B | automat, hnědé uhlí | 997 | 4 | 107 | 3 | 85,9 | 4 | 10,2 | 25 | 23 |
| 5B | 903 | 4 | 96 | 3 | 78,8 | 3 | 11,2 | 25 | 28 | |
| 6B | 746 | 4 | 196 | – | 84,5 | 4 | 11,4 | 25 | 15 | |
| 7C | automat, dřevní pelety | 62 | 5 | 31 | 5 | 83,8 | 4 | 12,4 | 20 | 21 |
| 8C | 191 | 5 | 63 | 3 | 85,0 | 4 | 17,5 | 30 | 4 | |
| * suchý plyn; 0 °C; 101,3 kPa; O2 = 10 % ** dle ČSN EN 303-5 dosažená pro daný parametr | ||||||||||
Závěr
Prezentované výsledky není možno extrapolovat jako dopad kotlíkových dotací a rozhodně je není možno interpretovat jako selhání kotlíkových dotací. Naopak, pobídka k pořízení nového kotle s pomocí dotace výrazným způsobem urychlila rozšíření moderních kotlů na pevná paliva v České republice. Také je nutné na tomto místě zdůraznit, že prezentované výsledky není možno považovat jako reprezentativní parametry určité konstrukce kotlů. Pro takové zhodnocení je nutné provést větší počet měření na reálně provozovaných zařízeních všech hlavních výrobců kotlů používaných v České republice.
Reálné provozní hodnoty jsou výsledkem kombinace těchto čtyř faktorů: a) kvalita konstrukce kotle, b) kvalita paliva, c) kvalita obsluhy, d) kvalita údržby. Vliv konstrukce konkrétního kotle je tedy pouze jedním ze čtyř faktorů ovlivňujících kvalitu výsledného procesu. V případě, že selže optimalizace jednoho nebo více z dalších tří faktorů, tak dochází ke zhoršení emisních nebo provozních parametrů. U moderních kotlů je selhání téměř vždy vinou lidského faktoru, ať již v podobě servisního technika nebo provozovatele.
Provedená měření je nutno chápat jako pilotní aktivitu pro potvrzení či vyvrácení hypotézy, že reálné moderní kotle mohou být výrazně zatíženy chybami způsobenými nedostatečnou důsledností 1) při instalaci a uvádění kotle do provozu, 2) nekvalitními dodávkami paliva, 3) nedostatečným proškolením uživatelů a 4) také určitými nesprávně vyloženými fakty (vytržení dobrých rad a principů z kontextu) (Horák, 2016). Například případ, kdy byla snížena požadovaná maximální teplota za kotlem, s pravděpodobným cílem zvýšení účinnosti kotle, tímto zásahem však došlo také k nechtěnému omezení výkonu zplyňovacího kotle. Nebo ve druhém případě, kdy někdo nastavil vysokou teplotu vratné vody do kotle, pravděpodobně pro zabránění koroze kotle, kde tímto zásahem v kombinaci s nevhodně malým tepelným spádem došlo taktéž k omezení výkonu zplyňovacího kotle a následnému dramatickému zhoršení emisních parametrů kotle. Problémem nebyla hodnota vratné otopné vody, ale chybně nastavený požadavek na nízkou teplotu výstupní otopné vody (byla zbytečně nízká, takže kotel nemohl jet na jmenovitý výkon). Samostatnou otázkou je zavedení požadavku na realizaci měření při uvedení zařízení do provozu u zákazníka, které má prokázat splnění požadovaných parametrů – v Rakousku je to podmínka pro vyplacení dotace.
Ukazuje se, že citlivou oblastí u automatických uhelných kotlů je granulometrie paliva (zvýšený podíl jemné frakce navyšuje emise prachu). Jako dobrou lze považovat skutečnost, že při správném nastavení automatického kotle je značně omezen vliv obsluhy, neboť je minimalizován „pouze“ na přikládání paliva, vynášení popele a čištění výměníku a spalinových cest. Pro majitele nových zplyňovacích kotlů není vůbec snadné opustit jejich zažité návyky z provozu již zlikvidovaných starých kotlů. Je nutné si uvědomit, že každý typ spalovacího zařízení vyžaduje trochu jiný přístup. Správná edukace těchto uživatelů se jeví jako důležitý faktor pro optimalizaci provozu kotlů.
Cílem příspěvku je upozornit odbornou veřejnost na zjištěné chyby při uvádění instalovaných zařízení do provozu a nedostatky v zaškolování obsluhy kotlů. Pokud budou tyto skutečnosti správně pojmenovány, pak je možno najít nástroje pro jejich účinnou eliminaci. Našim společným cílem je totiž to, aby se emise znečišťujících látek snižovaly.
Splnění přísných emisních a provozních parametrů kotle při certifikaci není zárukou, že kotel bude takto pracovat i při skutečném provozu v domácnostech. Pro optimální provoz kotlů je potřeba kromě kvalitního kotle splnit ještě další tři podmínky. Tedy použití vhodného paliva, správná obsluha kotle a pečlivá údržba. Potom je zaručeno, že kotel bude pracovat optimálně s minimálním množstvím produkovaných znečišťujících látek a s vysokou účinností. Samotná výměna kotlů tedy nemusí být zárukou pro výrazné snížení emisí znečišťujících látek, ale je podmínkou první a nezbytnou. Proto autoři považují „kotlíkovou dotaci“ za správný počin, který by ovšem měl být doprovázen dalšími aktivitami.
Poděkování
Tato práce vznikla v rámci projektu „Realizace pilotního kontrolního měření emisí znečišťujících látek na spalovacích zařízeních pořízených v rámci kotlíkových dotací MSK“ podpořeného Moravskoslezským krajem, za podpory projektu reg. č.: CZ.02.1.01/0.0/0.0/18_069/0010049 financovaného z ERDF, v rámci projektu LO1403 za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I a projektu č. FV20623 za finanční podpory MPO v rámci programu TRIO.
Literatura
- ČSN EN 303-5 Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 300 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení.
- Nařízení Komise EU č. 2015/1189, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign kotlů na tuhá paliva.
- Horák, J.: Kotlíkgate Opravdu nové kotle pořízené z dotace budou produkovat méně emisí znečišťujících látek?, TZB-info (2016)
Článek pojednává o bezesporu zajímavém a prospěšném projektu. V závěrečném hodnocení autoři uvádějí, že „reálné provozní hodnoty jsou výsledkem kombinace těchto čtyř faktorů:
- kvalita konstrukce kotle,
- kvalita paliva,
- kvalita obsluhy,
- kvalita údržby.“
Zde bych rád doplnil, že čím modernější je konstrukce kotle na pevná paliva, tím závislejší je jeho optimální provoz také na kvalitní a funkční spalinové cestě a jeho bezproblémové „spolupráci“ s otopnou soustavou, například v článku zmiňovaný problém s nastavením optimálního teplotního spádu. Tento fakt je důležité zohlednit při hodnocení provozu kotle, neboť jej může výrazně ovlivnit.
Měřeny byly kotle instalované v rámci kotlíkových dotací, tedy kotle plnící požadavky na emise a účinnost dle Nařízení Komise EU č.2015/1189 o ekodesignu kotlů na pevná paliva. Zde je nutné zdůraznit, že:
Neplatí zaběhlé klišé o tom, že „ekodesign je víc než třída 5“.
Protože poměrně velké množství kotlů třídy 4 plní podmínky ekodesignu, a tudíž budou na trhu pro zákazníky dostupné i v následujících letech. Z tohoto pohledu je nutné pohlížet také na výsledky měření.
Dále je nutné si uvědomit, že limity stanovené v normě ČSN EN 303-5:2013 pro zařazení kotlů do tříd jsou limity, kterých lze dosáhnout pouze za ideálních provozních podmínek.
Významné je i to, že hodnoty naměřené v tomto projektu jsou v průměru shodné, či dokonce lepší než emisní faktory, které se používají pro dané konstrukce při inventarizaci emisí ze spalování pevných paliv v domácnostech, tedy v souhrnných statistikách za Českou republiku.
Velký přínos projektu vidím v tom, že opět nastoluje otázku povinného měření kotlů na pevná paliva při uvádění do provozu a nepřímo také podtrhuje význam zavedených pravidelných kontrol těchto spalovacích zdrojů podle zákona o ochraně ovzduší.
Measurements were made on eight modern boilers meeting the requirements for Ecodesign in real operation. Their achieved emission and operating parameters are presented in this paper.