Stanovení minimálního objemu akumulační nádrže u kotlů na dřevo podle požadavku NZÚ
Závazné pokyny pro dotační program Nová zelená úsporám umožňují dva způsoby stanovení minimálního objemu akumulační nádrže pro ručně přikládané kotle na dřevo. Výpočet podle ČSN EN 303-5 umožňuje instalaci nádrže o objemu nižším až o 20 %, tedy levnější
Většina ručně přikládaných teplovodních kotlů na pevná paliva, jejichž instalace je dotačně podporována v rámci programu Nová zelená úsporám, musí být napojena na otopnou soustavu s akumulací, protože neplní podmínku pro „bezakumulační“ provoz. To znamená, že není z pohledu povinností pro uvedení kotle na trh certifikována na provoz při sníženém výkonu, který je alespoň 30 % výkonu jmenovitého, a to bez akumulace. Při nízkém výkonu mají nadlimitně sníženou účinnost, produkují více emisí. Proto je s ohledem na ekologické cíle programu Nová zelená úsporám plně oprávněné, že tyto kotle musí být vybaveny dostatečně velkou akumulační nádobou, která umožní jejich provoz při výkonech a s účinností, kterou zaručuje jejich certifikace. Instalace akumulační nádoby má pozitivní ekologické důsledky a pomůže udržet vysokou účinnost kotle, a tedy snížení spotřeby paliva.
Podle závazných pokynů k dotačnímu programu lze pro výpočet minimálního objemu akumulace použít dva postupy.
Je to
- pevně stanovený měrný objem akumulace 55 litrů na 1 kW instalovaného jmenovitého výkonu kotle, nebo
- metodika výpočtu dle ČSN EN 303-5 [1].
Pojďme si provést krátké porovnání těchto metodik.
Pevně stanovený měrný objem akumulace
Metodika stanovení minimálního objemu akumulace za použití měrného objemu akumulace 55 litrů akumulace na 1 kW instalovaného jmenovitého výkonu kotle je v podstatě převzata z německé legislativy (1. BlmSchV) [2], ovšem při stanovení minimálního objemu zde není zohledněna velikost palivové (přikládací) šachty kotle, a také jeho dimenzování. To znamená, že není zohledněna doba hoření paliva v kotli při jmenovitém výkonu na jedno přiložení a vzájemný poměr mezi potřebami vytápěné budovy na dodávku tepla a velikostí kotle.
Na vysvětlení uvedu krátké srovnání. Mohou být dva kotle o jmenovitém výkonu 20 kW, ovšem s rozdílnými objemy palivové šachty. Jeden s objemem 60 litrů bude hořet při jmenovitém výkonu na jedno naplnění násypky 3 hodiny, druhý s objemem šachty 100 litrů bude hořet 5 hodin. Aby byl zajištěn optimální provoz kotle bez nežádoucího omezování (regulace) jeho výkonu mimo optimální rozsah z hlediska účinnosti, je nutné zajistit požadavek na akumulaci energie získané z jednoho cyklu přiložení (vyhoření obsahy palivové šachty). Ten bude ovšem u každého kotle jiný a vypočtených 20 kW × 55 l/kW = 1100 litrů může být pro kotel s menším objemem palivové šachty zbytečný. Jiné by měly být tedy i teoretické požadavky na velikost akumulace.
Pokud bude výkon nového kotle značně předimenzován vůči požadavkům na vytápění budovy, nemusí to být vždy na špatně, ale bude zapotřebí většího objemu akumulace v porovnání s případem, kdy se jmenovitý výkon kotle blíží těmto požadavkům, či je navržen kotel, jehož jmenovitý výkon je dokonce nižší než teoretické požadavky.
Výpočet dle ČSN EN 303-5 pro splnění podmínek NZÚ
Pokud byl ručně přikládaný teplovodní kotel na pevná paliva výrobcem certifikován pouze na provoz při jmenovitém výkonu (nebyly při certifikaci ověřovány emisní a teplotechnické parametry kotle pro snížený výkon), je povinností výrobce v technických podkladech pro instalaci a provoz kotle uvést minimální objem akumulační nádrže, do které může být během provozu kotle na jedno přiložení odvedeno přebytečné teplo, které se nespotřebuje pro vytápění budovy, popřípadě uvést postup, jak tento minimální objem vypočíst. Pro stanovení minimálního objemu akumulačního zásobníku je v normě uveden vztah
(1)
kde je
- VSp
- objem akumulačního zásobníku [l]
- QN
- jmenovitý tepelný výkon kotle [kW]
- TB
- doba hoření [h]
- QH
- tepelné zatížení budovy [kW]
- Qmin
- minimální tepelný výkon kotle [kW]
Stanovení doby hoření TB
Dobou hoření je myšlena doba hoření kotle na jmenovitý výkon na jedno naplnění palivové šachty. Tento údaj by měl výrobce dle normy uvádět v návodu k montáži, ovšem ne vždy je tomu tak.
Pokud tento údaj v návodu nenalezneme, lze jej vypočíst s velkou přesností podle objemu násypné šachty V [litr], což je také „povinný“ parametr a který zpravidla v návodu najdeme vždy. Z deklarovaného objemu palivové šachty lze objektivně využít maximálně 70 % na přiložení nového paliva. Část objemu zabírá základní vrstva paliva, tedy žhnoucí dřevěné uhlíky na roštu zbavené prchavé hořlaviny, které slouží k zapálení nového paliva. Část objemu je nutné „ubrat“ za nevyužitelná „hluchá“ místa násypné šachty. Pro výpočet proto budeme předpokládat využitelný objem násypné šachty rovný 0,7‧V.
Dále budeme vycházet z předpokladu, že je spalováno tvrdé dřevo o obsahu vody maximálně 20 % s výhřevností na hranici 3,9 kWh/kg, jehož prostorový metr (prm) váží přibližně 470 kg.
Měření vlhkosti palivového dřeva – běžným vlhkoměrem surové dřevo nezměříte – TZB-info
Z toho lze vypočíst měrnou objemovou výhřevnost H
Dále je nutné zohlednit účinnost kotle, kterou lze u ručně přikládaných kotlů s velkou přesností stanovit na
(3)
Dobu hoření TB [hod] při jmenovitém výkonu QN [kW] vypočteme ze vztahu
a po přípustném zaokrouhlení:
(4)
[hod]
Je nutné si uvědomit, že doba hoření TB je parametr velice proměnlivý a relativní. Platí za ideálních provozních podmínek (kvalita dřeva, tah komína, dokonale vyplněný přikládací prostor), a zpravidla bývá nutné přikládat v kratších intervalech. Tudíž výpočet dle (4) je pro potřeby stanovení objemu akumulace dostatečně přesný.
Tepelná ztráta budovy
Pokud hovoříme o tepelných ztrátách budovy v souvislosti s výpočtem dle (1), je tím myšlen teoretický (výpočtový) požadavek na výkon zdroje tepla pro vytápění. U starších objektů je velmi často problém stanovit tepelnou ztrátu objektu bez provedení energetického posudku energetickým specialistou. To bývá časově i finančně náročné. A pokud to nevyžaduje investor či legislativa, u rodinných domů se přesný výpočet nepraktikuje. Pro potřeby zjednodušeného výpočtu objemu akumulace by mělo stačit stanovit požadované ztráty ze jmenovitého výkonu doposud provozovaného kotle na pevná paliva.
Při dimenzování výkonu zdroje tepla pro přerušovaný provoz otopné soustavy byly dle dnes již zrušené ČSN 06 0210 [3] vypočtené základní ztráty prostupem navyšovány o přirážku na zátop, která pro běžný rodinný dům (denní délka vytápění kratší než 16 hodin) činila 20 %. Požadavky na výkon pro přípravu teplé vody se při dimenzování zdroje tepla zpravidla nezohledňovaly, protože se předpokládalo, že po většinu otopné sezóny bude k dispozici nadbytek výkonu kotle. Přechodem na akumulační provoz (tedy nepřerušované vytápění) bez jiných úprav obálky budovy, by tedy bylo možné teoretický požadavek na výkon nového zdroje tepla stanovit snížením jmenovitého výkonu starého kotle o 20 %. I když to není matematicky přesné (přirážka na zátop je jednou ze 3 přirážek k základní ztrátě prostupem, a tvoří tak méně než 20 % celkových požadavků na výkon pro vytápění), snížení požadavku na jmenovitý výkon nového zdroje o 20 % při přechodu na nepřerušovaný provoz dle dlouhodobých zkušeností odpovídá realitě.
V případě realizace základních energeticky úsporných opatření (zateplení obálky, výměna oken) lze pro potřeby výpočtu orientačně počítat se snížením požadavků na teoretický výkon nového zdroje až o 50 %.
Praktický výpočet
Mějme modelový případ výměny starého kotle na uhlí o jmenovitém výkonu 24 kW v rodinném domě z poloviny 20. století, na kterém nebyla doposud provedena žádná energeticky úsporná opatření (varianta 1), popřípadě bylo provedeno základní zateplení obálky a výměna oken (varianta 2). Navržen je nový zplyňovací kotel na dřevo o jmenovitém výkonu QN = 20 kW s objemem násypné šachty (přikládací komory) V = 80 dm3.
Pevně stanovený objem akumulace 55 l/kW jmenovitého výkonu zdroje
(5)
[l]
Zjednodušený výpočet dle ČSN EN 303-5
Pokud není výrobcem uvedena doba hoření při jmenovitém výkonu, lze ji stanovit výpočtem dle (4)
(6)
[hod]
a následně požadovaný minimální objem akumulační nádrže pro variantu 1
(7)
[l]
a požadovaný minimální objem akumulační nádrže pro variantu 2
(8)
[l]
Závěr
Z výsledků (5), (7) a (8) je zřejmé, že rozdíl mezi vypočteným objemem akumulace dle metodiky pevného stanovení objemu a výpočtem dle normy může být víc než 20 %, což může být často rozhodující v případě, kdy je v kotelně málo místa.
Porovnáním výpočtů (7) a (8) navíc zjistíme, že rozdíl mezi požadavky na akumulaci u „nezatepleného“ domu s objemem 854 litrů a domu s provedenými energeticky úspornými opatřeními s objemem 984 litrů také není velmi výrazný, i vzhledem k objemově odstupňované tržní nabídce zásobníků.
To podporuje předpoklad, že pro výpočet minimálního objemu akumulace je zjednodušená metodika dostačující.
Na závěr bych rád zdůraznil, že u objemu akumulace platí pravidlo: „Čím více, tím lépe.“ Nicméně a samozřejmě se to nesmí přehánět i vzhledem k možným tepelným ztrátám z pláště akumulačního zásobníku. Takže minimálního možného objemu akumulace využívat pouze tehdy, pokud není pro větší objem dostatek prostoru, či dostatek finančních prostředků pro instalaci dvou nádrží. A co je ve spojení s provozem soustavy kotel – akumulační nádoba – otopná soustava nesmírně důležité, zvolit osvědčená hydraulická zapojení a regulace.
Literatura
- ČSN EN 303-5:2013 Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční a samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 500 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení
- Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine und mittlere Feuerungsanlagen – 1. BImSchV)
- ČSN 06 0210 Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění (norma zrušena)
A comparison of the calculation of the volume of the storage tank to boilers with manual application of wood in a family house according to the criteria of subsidy programs and the ČSN EN 303-5 standard shows a relative agreement, respectively the acceptability of the use of both methods. The standard provides a minimum value. In practice, the resulting volume usually consists of two tanks.