Účinnost plynových kotlů při cyklování

Úvod

Provozovatelé starších plynových nástěnných kotlů s jednostupňovým atmosférickým hořákem, často stojí před rozhodnutím, zda nepořídit kotel nový. Důvodem bývá obava z ukončení životnosti kotle a také z jeho klesající účinnosti oproti účinnostem moderních typů kotlů.

Když starší kotle slouží pro vytápění bytu s malou výpočtovou tepelnou ztrátou, např. 4 kW, a jejich výkony pro vytápění lze nastavit na nejnižší hodnoty 6, 10 nebo 12 kW, musí uvedené typy kotlů pracovat se střídavým provozem zapnuto-vypnuto, čili s tzv. cyklováním. Kotle mají jmenovité tepelné výkony většinou 12, 18 nebo 24 kW. Pro přípravu teplé vody vestavěným průtokovým ohřívačem se hodí pouze kotle se jmenovitými tepelnými výkony 18 nebo 24 kW.

Instalací nových kotlů s plynovým hořákem s předsměšováním, který umožňuje provoz se spojitě proměnným výkonem, by cyklování buď plně odpadlo, nebo by se počet cyklů značně snížil.

Druhy tepelných ztrát plynových kotlů bez ztráty spalinami

Uvedené starší typy kotlů mají z hlediska bezpečnosti provozu konstrukčně omezen počet zapnutí a vypnutí hořáku během 1 hodiny v rozsahu 15 až 25 zapnutí. Přisuzuje se, že při cyklování se opotřebovávají pohyblivé části hořáku a tím se snižuje životnost kotle. Z informací získaných od pracovníků servisů kotlů ale vyplývá, že se u kotlů předních výrobců toto neděje.

Obecně platí, že při každém startu kotle se jednak zhoršuje jeho účinnost, jednak se vytvářejí nežádoucí emise oxidu uhelnatého CO. Proto se má počet startů kotle omezovat, zejména těch zbytečných. Snížení počtu startů kotle lze dosáhnout mj. nastavením větší spínací diference na prostorovém termostatu, kterým je řízen kotel.

Při cyklování kotlů během provozu dochází ke dvěma ztrátám energií, které snižují jejich účinnosti. Prvá ztráta se děje tím, že při startu kotle dojde během 1 až 2 s k úniku nezapálené části plynu. Po provedení výpočtů zjistíme, že snížení účinnosti kotle bude velice malé, přibližně 1 %. Druhá ztráta je způsobována vychlazováním kotle po jeho vypnutí, tj. při jeho klidu, a to prouděním vzduchu vlivem komínového tahu. Pokud kotel není vybaven spalinovou klapkou, je tato ztráta, resp. snížení účinnosti kotle, již znatelná. Postup stanovení snížení účinnosti z důvodů této ztráty je uveden v následující části.

Odvození výpočtových vztahů pro stanovení účinnosti

Během delšího časového intervalu několika hodin v ustáleném teplotním stavu do plynového kotle vstupují a z kotle vystupují následující energie [kWh] (obr. 1):

– vstupní:

E_g

– energie v palivu daná spalným teplem či výhřevností plynu,

E_v

– teplo v přiváděném spalovacím vzduchu; pokud je teplota přiváděného vzduchu blízká teplotě referenční    20 °C, lze toto teplo zanedbat,

– výstupní:

E_a

– užitečné teplo vstupující do tepelné soustavy,

E_s

– ztráta tepla spalinami,

E_z

– ztráta tepla vychlazováním kotle při jeho klidu    prouděním vzduchu vlivem komínového tahu.

Bilance tepelných výkonů kotle během periody provozu (obr. 2), kdy se střídá běh s klidem kotle, je

kde je

Q_p

– skutečný průměrný tepelný výkon dodávaný kotlem do soustavy během periody [kW]

Q_a

– nastavený tepelný výkon kotle pro vytápění [kW]

τ_b

– doba běhu kotle během periody [h]

τ_o

– doba klidu kotle během periody [h].

Ze vztahu (1) lze odvodit vztah pro poměrný skutečný průměrný tepelný výkon kotle [–]

Ze vztahu (2) lze odvodit vztah pro poměr dob běhu a klidu kotle [h]

Účinnost kotle [–] při výkonu Q_a je dána vztahem

kde je

Q_s

– tepelná ztráta kotle ve spalinách při výkonu Q_a [kW].

Teplo [kWh] vystupující z kotle během určité periody bez vypínání běhu kotle je

Teplo [kWh] vystupující z kotle během stejné periody s vypínáním běhu kotle je

kde je

z_a

– činitel ztrát kotle při jeho klidu = Q_z / Q_a [–]

Q_z

– tepelná ztráta kotle při jeho klidu daná vychlazováním kotle prouděním vzduchu komínovým tahem    [kW].

Protože teplo dané vztahem (5) se vyrábí bez vypínání kotle s účinností η_a a teplo dané vztahem (6) se vyrábí s vypínáním kotle s provozní účinností η_s [–], lze napsat vztah, že

Po dosazení vztahů (3, 4, 5 a 6) a po úpravě obdržíme hledaný vztah pro provozní účinnost při vypínání kotle η_s [–]

Hodnotu činitele ztrát kotle při jeho klidu za je nutno vyžádat přímo od výrobce kotle, neboť v podkladech není běžně uváděna.

Příklad 1

Zadání

Plynový kombinovaný nástěnný kotel o jmenovitém tepelném výkonu Q_n = 24 kW je určen pro vytápění bytu a pro přípravu teplé vody vestavěným průtokovým ohřívačem. Kotel má jednostupňový atmosférický hořák. Výkon kotle pro vytápění lze seřídit na minimální hodnotu Q_min = Q_a = 12 kW, kdy je účinnost η_a = 0,88, přičemž činitel ztrát kotle při jeho klidu je z_a = 0,02.

Výpočtová tepelná ztráta bytu je Q_dn = 4 kW, průměrná tepelná ztráta potom Q_d = 2 kW. Máme určit provozní účinnost kotle při dodávce výkonu odpovídající průměrné tepelné ztrátě bytu.

Řešení

Protože je podle (2) poměrný skutečný tepelný výkon kotle

bude provozní účinnost kotle dána vztahem (8), kdy

Komentář

Pokles účinnosti z hodnoty η_a = 0,88 na hodnotu η_s = 0,81 je již značný. Představuje poměrné zvýšení spotřeby plynu na 0,88 / 0,81 = 1,09násobek, tj. o 9 %. Pokud by činitel ztrát kotle při jeho klidu byl dvojnásobný, tj. z_a = 0,04, lze vypočítat, že provozní účinnost kotle klesne na hodnotu η_s = 0,75.

Příklad 2

Zadání

Plynový nástěnný kotel o jmenovitém tepelném výkonu Q_n = 12 kW je určen pouze pro vytápění bytu. Kotel má jednostupňový atmosférický hořák. Výkon kotle pro vytápění lze seřídit na minimální hodnotu Q_min = Q_a = 6 kW, kdy je účinnost η_a = 0,88 a činitel ztrát kotle při jeho klidu je z_a = 0,02.

Výpočtová tepelná ztráta bytu je Q_dn = 4 kW, průměrná tepelná ztráta potom Q_d = 2 kW. Máme určit provozní účinnost kotle při dodávce výkonu odpovídající průměrné tepelné ztrátě bytu.

Řešení

Protože je podle (2) poměrný skutečný tepelný výkon kotle

bude provozní účinnost kotle dána vztahem (8), kdy

Komentář

Pokles účinnosti v tomto případě je z hodnoty η_a = 0,88 na hodnotu η_s = 0,85, přičemž není velký. Představuje poměrné zvýšení spotřeby plynu na 0,88 / 0,85 = 1,04násobek, tj. o 4 %. Pokud by činitel ztrát kotle při jeho klidu byl dvojnásobný, tj. z_a = 0,04, lze vypočítat, že provozní účinnost kotle klesne na hodnotu η_s = 0,82.

Po diskuzi s Vladimírem Štaifem zpracoval Vladimír Valenta z Cechu topenářů a instalatérů Brno dne 15. 4. 2010.