Stanovení minimálního objemu akumulace u kotlů na pevná paliva
Porovnání výpočtu objemu akumulačního zásobníku ke kotlům s ručním přikládáním dřeva v rodinném domě podle kritérií dotačních programů a normy ČSN EN 303-5 ukazuje na poměrnou shodu, respektive přijatelnost použití obou způsobů. Norma poskytuje minimální hodnotu. V praxi se výsledný objem zpravidla skládá ze dvou zásobníků.
Dotace 80000 Kč z programu NZÚ podporující instalace kotlů na biomasu včetně akumulační nádrže nebo se samočinnou dodávkou paliva budou pokračovat i po září letošního roku 2023, od kdy se podmínky NZÚ mírně mění. Přestože nejde o novinku, v poslední době se množí dotazy k výpočtu objemu akumulační nádrže podle ČSN EN 303-5, který je nutný pro získání dotace.
Většina nově instalovaných ručně přikládaných teplovodních kotlů na pevná paliva musí být napojena na otopnou soustavu s akumulací. Pro výpočet minimálního objemu akumulace „zná“ naše legislativa dva základní postupy.
Je to
- pevně stanovený měrný objem akumulace na 1 kW instalovaného jmenovitého výkonu kotle, jednak
- metodika výpočtu dle ČSN EN 303-5 [1].
Pojďme si provést krátké porovnání těchto metodik.
Pevně stanovený měrný objem akumulace
V rámci dotačních programů Zelená úsporám (a jeho pokračování NZÚ) a Kotlíkových dotacích byla a je využívána metodika, dle které je pro stanovení minimálního objemu akumulace použit parametr 55 litrů akumulace na 1 kW instalovaného jmenovitého výkonu kotle. Tato metodika 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 doba hoření kotle 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, je nutné zajistit požadavek na akumulaci energie získané z jednoho cyklu přiložení (vyhoření obsahy palivové šachty). Ten bude ovšem u každého kotle jiný. Jiné by měly být tedy i teoretické požadavky na velikost akumulace.
Pokud bude nový kotel značně předimenzován vůči požadavkům na vytápění budovy, 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.
Minimální objem akumulace stanovený dle ČSN EN 303-5 výrobcem
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, že kotel musí být vždy připojen k akumulačnímu zásobníku. Tuto povinnost mu v ČR ukládá ČSN EN 303-5 (dále jen „norma“), která je normou určenou k provádění zákona č. 22/1996 Sb., tudíž je pro výrobce normou právně závaznou. Tato norma také výrobci ukládá povinnost uvést v technické dokumentaci minimální objem akumulační nádrže, popřípadě uvést postup, jak tento minimální objem vypočíst.
Zjednodušený výpočet dle ČSN EN 303-5
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 jak 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 není až tak zásadní, i vzhledem k uvažované přesnosti či nepřesnosti vstupních údajů.
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.
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.