Plyn ve vytápění (I)

Využití zemního plynu pro vytápění zaznamenalo v polovině minulého desetiletí nevídaný rozvoj. Snaha o zlepšení kvality ovzduší ve městech a obcích,podpořená příznivou cenou zemního plynu a uvolněním 6,1 mld.Kč (z prostředků Fondu národního majetku), byla hlavní hybnou silou rozvoje plynofikace.

Bohužel nepříznivý vývoj ceny zemního plynu, která se odvíjí od cen ropy a ropných produktů, a směnného kurzu koruny, přinesl razantní zvýšení cen zemního plynu pro všechny odběratelské kategorie. To mělo za následek, že řada odběratelů přešla na jiná paliva nebo nezačala zemní plyn vůbec odebírat.

Dnes je zemní plyn prodáván odběratelům za ceny, které v sobě zahrnují jak náklady na jeho pořízení, tak náklady na jeho dodávku jednotlivým odběratelům. Lze říci, že náprava cen zemního plynu má v porovnání s nápravou cen elektřiny náskok. Některé úpravy ceny elektřiny, které budou znamenat stanovení cen podle nákladů jednotlivých dodavatelů a nastavení cen tak, aby v sobě zahrnovaly i charakter a výši odběru (tedy kroky, které již v cenách zemního plynu byly provedeny), bude nutné teprve provést.

Přednosti vytápění zemním plynem v porovnání s ostatními palivy
Zemní plyn zaujímá významné místo v řešení zajištění dodávky energetických zdrojů. Jeho doprava na místo potřeby potrubním systémem nepotřebuje žádnou hnací sílu a je minimálně ztrátová. Spotřeba plynu u odběratelů je individuálně měřitelná a tedy snadno fakturovatelná konkrétnímu odběrateli. Pro širší použití zemního plynu ve vytápění mluví i jeho další výhody:

vysoká energetická účinnost plynových spotřebičů, možnost komplexního využití plynu u odběratele bez zbytečných přeměn, jednoduché ovládání plynových spotřebičů, jejich snadná regulace a automatizace, možnost využívat primární energetický zdroj přímo v místě jeho potřeby, díky jeho vysokému energetickému obsahu, příznivému složení a technicky dořešených způsobů jeho využití příznivý vliv na životní prostředí.

Zemní plyn a životní prostředí
Zemní plyn je palivo, jehož využívání může podstatnou měrou pozitivně ovlivnit životní prostředí. Zkušenosti ze západoevropských měst, kde zemní plyn a nízkosirná kapalná paliva prakticky eliminovaly uhlí z vytápění domácností, jsou nezpochybnitelné. Pověstný londýnský smog, který byl způsoben právě spalováním zejména sirnatého uhlí,je v západoevropských městech již minulostí. Vysoký podíl zejména hnědého uhlí v energetické bilanci neznamená jen emise oxidů síry, dusíku a uhlíku, popílku s obsahem těžkých kovů a uhlovodíků, ale také zásahy do krajiny při těžbě uhlí, znečištění při jeho úpravě a dopravě a v neposlední řadě také problémy při skladování a manipulaci s popelem.

Člověk pro svůj život potřebuje energetické zdroje - bez využívání umělého světla a tepla si dnes těžko dovedeme představit život na Zemi. Tzv. obnovitelné zdroje ale v dnešní době stačí k pokrytí jen nepatrné části energetické potřeby, a tak člověk musí využívat fosilní zdroje energie. V jeho vlastním zájmu však je, aby preferoval takové fosilní zdroje, jejichž využívání v co nejmenší míře negativně ovlivňuje životní prostředí.

Z hlediska ochrany životního prostředí má zemní plyn ve srovnání s ostatními fosilními palivy a energiemi řadu výhod:

výstavba plynovodů a ostatních zařízení je spojena s minimálním záborem půdy, která se ve většině případů vrací původnímu účelu, plynovody jsou uloženy v zemi, takže nikterak nenarušují tvář krajiny.

Hlavní ekologické výhody zemního plynu se ale projevují až při jeho využívání u odběratelů. Spalováním zemního plynu vzniká ve srovnání s pevnými a kapalnými palivy daleko méně škodlivin - prach a oxid siřičitý (SO₂) jsou ve spalinách obsaženy v zanedbatelných množstvích a také emise oxidu uhelnatého (CO) a uhlovodíků jsou ve srovnání s ostatními palivy výrazně nižší (tab.1).

Jediným vážnějším problémem spalování zemního plynu je vznik oxidů dusíku (NO_x). Směs oxidu dusnatého a oxidu dusičitého vzniká při spalování každého paliva v případě, že pro spalování je využíván vzduch. Zemní plyn má ale ve srovnání s tuhými a kapalnými palivy jednu velkou výhodu - neobsahuje žádné dusíkaté látky, takže oxidy dusíku mohou vznikat právě jen ze vzdušného dusíku. Jejich tvorba je závislá na teplotě spalování - čím je teplota vyšší, tím je vyšší i tvorba NO_x.

Výrobci plynových spotřebičů věnují omezování vzniku NO_x velkou pozornost. Konstrukčními úpravami hořáků a spalovacích komor spotřebičů se podařilo snížit emise NO_x až na 10 %původních hodnot (tab.2).

Zemní plyn je jako každé uhlíkaté palivo také zdrojem oxidu uhličitého (CO₂), který je klimatologickými průzkumy označován za látku, která významnou měrou přispívá ke vzniku tzv. skleníkového efektu. Nebezpečí pozvolného oteplování jsou si dnes vědomy i vlády jednotlivých států. O tom svědčí např. závěry konference v Kyotu. Ve srovnání s ostatními palivy zemní plyn opět nemá konkurenci - na uvolněnou jednotku tepla vzniká při spalování zemního plynu

o 40 až 50 %méně CO2 ve srovnání s tuhými palivy, o 30 až 35 %méně CO2 ve srovnání s kapalnými palivy (tab.3).

	hnědé uhlí	koks	topný olej	zemní plyn
popílek (mg/MJ)	608,4	309,2	50,4	0,6
SO2 (mg/MJ)	1129,4	398,9	426,7	0,3
CO (mg/MJ)	3146,9	1717,6	13,9	9,4
uhlovodíky (mg/MJ)	699,3	381,7	9,7	3,8

Tab.1 - Emise prachu, SO₂, CO a uhlovodíků

složka	hnědé uhlí	koks	topný olej	zemní plyn
NOx (mg/MJ)	209,8	57,3	236,4	47,2

Tab.2 - Porovnání emisí NO_x při použití různých paliv

složka	hnědé uhlí	koks	topný olej	zemní plyn
CO2 (g/MJ)	111	92	75	56

Tab.3 - Porovnání emisí CO₂ z různých paliv

Moderní plynové spotřebiče využívané pro vytápění
Vytápění budov

1. Lokální vytápění

Využívání lokálních topidel je velice oblíbeným způsobem vytápění. Řada odběratelů dává lokálním topidlům přednost před instalací plynového kotle a teplovodního vytápěcího systému. Své rozhodnutí povětšinou zdůvodňují těmito argumenty:

Každá místnost má vlastní nezávislý zdroj tepla. V případě poruchy jednoho z topidel je výkon ostatních dostatečný pro vytápění celého objektu. Při instalaci odpadají starosti s montáží teplovodního systému a vyvložkováním komínu. Provoz není zpravidla závislý na dodávce elektrického proudu.

Instalace a provoz topidel má (ve srovnání s plynovými kotli) i své nevýhody:

Nižší účinnost ve srovnání s plynovým kotlem a teplovodním systémem. Horší regulace teploty vzduchu ve vytápěné místnosti. Možnost vniknutí vzduchu obohaceného spalinami škvírami oken do místnosti (v případě umístění topidla pod oknem).

Teplo vzniklé při spalování je do místnosti předáváno z části konvekcí (cca 75 %) a z části sáláním (cca 25 %). Spaliny opouštějící spalovací komoru mají teplotu cca 200 °C. Povrchová teplota by byla vysoká, proto jsou topidla opatřena vnějším pláštěm. Vzduch z místnosti prochází prostorem mezi oběma plášti, kde se ohřívá a v horní části topidla vystupuje do místnosti.

Typy plynových topidel
V minulých letech byla mezi odběrateli plynu populární plynová topidla v provedení "B". Tato topidla odebírají vzduch potřebný pro provoz z místnosti, proto musí být vybavena přerušovačem tahu, který zabezpečuje udržení stálých tahových podmínek v odtahu spalin přisáváním vzduchu z okolního prostředí. Výkon instalovaného topidla musí odpovídat velikosti místnosti, do které musí být zajištěn přívod dostatečného množství vzduchu.

Díky dovozu topidel Gamat z bývalé NDR bylo instalováno téměř 250 tisíc topidel v provedení "C". Jelikož tato topidla jsou nezávislá na dodávce vzduchu z místnosti, není (na rozdíl od topidel v provedení "B") omezováno ani velikostí místnosti, ani nutností zajistit přívod dostatečného množství vzduchu.

Další typy plynových topidel
Stejně jako plynové kotle prošla i plynová topidla v posledním desetiletí určitým vývojem. Zlepšuje se regulace teploty, takže některá topidla mají stejné možnosti regulace teploty jako plynové kotle. Také pro zlepšení cirkulace vzduchu v místnosti jsou topidla doplňována cirkulačními ventilátory. Klasická plynová topidla předávají teplo do okolí bez přestupu přes přenosové médium. Na trhu jsou i lokální topidla, kde není přímo vyhříván vzduch, ale nejprve topná voda, která pak samotížně cirkuluje v uzavřeném topném okruhu. Topná jednotka je umístěna mezi dvěma radiátory - v případě potřeby lze tedy jedno topidlo využít pro vytápění dvou místností současně.

Další variantou je kombinace topidla a teplovodního okruhu - plynové topidlo s vestavěným výměníkem tepla. Místnost, ve které je takovýto agregát nainstalován, je vytápěna teplovzdušně topidlem (výkon kolem 2 kW je pro vytápění jedné místnosti dostatečný). Výměník tepla je součástí teplovodního okruhu, kterým je možné vytápět ostatní místnosti.

Pro teplovzdušné vytápění místností jsou určena i plynová kachlová kamna. Jejich princip spočívá v ohřevu vzduchu proudícího kolem spalovací komory. Spalovací komora je povětšinou litinová a je obestavěna kachlovým obložením. Mezerou mezi komorou a obložením proudí vzhůru vzduch, který se ohřívá přestupem tepla stěnou spalovací komory a vystupuje v horní části do místnosti. V porovnání s topidly je podíl sálání na vytápění minimální.

Kachlová kamna mohou být využívána nejen pro vytápění jedné místnosti, ale mohou sloužit jako centrální zdroj pro dvě i více místností. To závisí pouze na vnitřním uspořádání objektu a požadavcích uživatele. Podobné uplatnění jako kachlová kamna mají i plynové krby, jejichž doménou je zejména Anglie.

Katalytické zářiče
Mezi nové typy plynových spotřebičů, které jsou využívány pro lokální vytápění, patří plynové katalytické zářiče (obr.1). K oxidaci uhlovodíků dochází i za normálních teplot (např. pozvolná oxidace uhlovodíků v atmosféře). Se stoupající teplotou stoupá i rychlost oxidace uhlovodíků. Významně jí ovlivňuje i přítomnost katalyzátoru. Velkou výhodou tohoto způsobu oxidační přeměny plynu je, že díky nastavení poměru plyn:vzduch a rychlosti proudění této směsi zářičem lze udržet teploty v reakční zóně na úrovni 600 až 700 °C, tedy pod teplotami, při kterých dochází k oxidaci vzdušného dusíku na oxidy dusíku. Díky katalyzátoru při těchto nízkých teplotách nedochází ke vzniku oxidu uhelnatého, takže tyto zářiče je možné používat i v uzavřených prostorách.

Před zapálením katalytického zářiče je nejprve nutné zahřát katalytickou vrstvu na provozní teplotu. K tomuto účelu má zářič vestavěnou odporovou spirálu. Určitou překážkou omezující rozšíření těchto spotřebičů je katalyzátor. Nejlepší výsledky byly dosaženy s platinou, jako vhodné se jeví i další platinové kovy. Určité parametry musí splňovat i nosič katalyzátoru - musí mít co největší povrch a při vysokých teplotách nesmí docházet ke spékání částic.

Obr.1 - Řez katalytickým zářičem
1 - přívod plynu, 2 - ventilátor, 3 - přívod vzduchu pro spalování, 4 - přívod vzduchu, 5 - katalytické lože

2. Centrální vytápění
a) Nízkoteplotní technika
Základní podmínkou konstrukce plynových kotlů v minulosti bylo, aby se zamezilo kondenzaci vodní páry. Proto musela být konstrukce řešena tak, aby teplota vody neklesla pod 65 °C, čemuž odpovídala teplota spalin cca 150 až 170 °C. Kotle pracovaly i při sníženém výkonu s konstantní teplotou vody. Konstrukce nízkoteplotních kotlů dovoluje při dílčím zatížení vychladit spaliny i pod 100 °C bez nebezpečí kondenzace. Významnou změnou oproti standardním kotlům je, že tyto kotle nepracují s konstantní teplotou vody. Ihned po zapálení proudí voda do systému. Zejména při dílčím zatížení tak dochází k lepšímu vychlazení spalin, což má za následek snížení jak komínové ztráty, tak ztráty sáláním.

b) Kondenzační technika
Při spalování zemního plynu vzniká vedle oxidu uhličitého také určité množství vody, která odchází ve formě vodní páry s ostatními složkami spalin do okolní atmosféry. Vodní pára ve spalinách s sebou odnáší i určité množství energie. Vodík, ze kterého vzniká při spalování voda, je obsažen nejen v uhlovodíkových plynech využívaných pro vytápění (zemní plyn, propan apod.), ale také v kapalných a tuhých palivech. Přesto se u těchto paliv kondenzační technika neuplatňuje. Důvodů je několik:

Zemní plyn (a ostatní uhlovodíkové plyny) mají vyšší obsah vodíku než kapalná a tuhá paliva a tím i vyšší obsah vodní páry ve spalinách. Lze z nich tedy teoreticky zpětně získat větší množství kondenzačního tepla. Teplota rosného bodu spalin u zemního plynu je přibližně o 10 °C vyšší než u spalin pocházejících ze spalování kapalných a tuhých paliv, takže využití kondenzace je možné při daleko větší části topné sezóny. Teplotu rosného bodu ((kromě množství vody vznikající při spalování) ovlivňuje také přebytek vzduchu při spalování. Čím je přebytek vzduchu větší, tím je nižší rosný bod spalin a možnost využití kondenzace. Spotřebiče na zemní plyn pracují ve srovnání se spotřebiči na kapalná nebo tuhá paliva s nejnižším přebytkem vzduchu. Zemní plyn neobsahuje prakticky žádnou síru, takže při jeho spalování nevznikají oxidy síry (SO2 a SO3), které by mohly s kondenzující vodou vytvářet agresivní kyseliny.

Vysoký energetický zisk kondenzačních spotřebičů není zapříčiněn pouze kondenzací vznikající vodní páry, ale svou roli hraje úroveň vychlazení spalin:

Při teplotě odcházejících spalin 160 °C je komínová ztráta přibližně 10 % a ztráta sáláním 2 %. Vzhledem k vysoké teplotě spalin nedochází ke kondenzaci vodní páry a účinnost spotřebiče vztažená na výhřevnost je cca 88 % (to odpovídá hodnotě účinnosti 79,3 % vztažené na spalné teplo). Ochlazením spalin na 90 °C poklesne komínová ztráta na 6 % a ztráta sáláním na 1,5 %, ale ke kondenzaci vodní páry ještě nedochází. Účinnost kotle je cca 92,5 % (t.j. 83,3 % vztaženo na spalné teplo). Ochlazením spalin 45 °C klesne komínová ztráta zhruba na 2 % a ztráta sáláním na 1 %. Jelikož teplota spalin poklesla pod rosný bod, dochází k částečné kondenzaci vznikající vodní páry, která předává kondenzační teplo do topného systému. V tomto případě je využito 97 % citelného tepla spalin a 50 % kondenzačního tepla. Účinnost tedy je 102,5 % (t.j. 92,3 % vztaženo na spalné teplo).

Kromě lepšího využití citelného a kondenzačního tepla spalin vykazují kondenzační kotle i menší ztráty vlivem ochlazování tělesa kotle při provozních přestávkách. I to se projevuje na celkově lepším ročním využití.

Kotle s modulovaným výkonem
Výsledkem snahy o maximální prodloužení doby provozu spotřebiče a tím omezení ztrát tepla, jsou plynové kotle s modulovaným výkonem. Výkon lze měnit v závislosti na venkovní teplotě a potřebě tepla na vytápění. Zároveň s výkonem hořáku je regulován i průtok vzduchu spalovací komorou. Díky tomu dochází v celém rozsahu modulovaného výkonu ke spalování směsi s optimálním poměrem vzduch:plyn. Pro hospodárný provoz kotlů s modulovaným výkonem je rozhodující, od jaké venkovní teploty se modulace projevuje. Tyto kotle až do výkonu odpovídajícímu spodní hranici modulace pracují systémem vypnuto-zapnuto.

Vytápění velkých objektů
Zemního plynu lze efektivně využít i pro vytápění výrobních hal a skladovacích prostorů, které lze charakterizovat jako objekty s velkou výměnou vzduchu nebo s velkými tepelnými ztrátami. V těchto objektech je mnohdy postačující zajistit vytápění pouze příležitostně nebo lokálně. Pro vytápění těchto objektů je vhodné využít teplovzdušné agregáty nebo infračervené zářiče.

Teplovzdušné vytápění
Základním principem teplovzdušného vytápění je ohřev vzduchu (venkovního, z místnosti nebo smíšeného v určitém poměru) a jeho vedení do vytápěného prostoru. Společným využitím několika agregátů o různých výkonech a jejich vhodným uspořádáním lze zajistit vytápění na optimální teplotu. Agregáty lze rozdělit do dvou základních skupin - na nepřímo a přímo vyhřívané (obr.2).

a) přímo vyhřívaný 1 - ventilátor, 2 - přívod plynu, 3 - hořák, 4 - výměník, 5 - usměrňovací žaluzie, 6 - odvod spalin

b) nepřímo vyhřívaný 1 - ventilátor, 2 - výstup topného média, 3 - vstup topného média, 4 - žaluzie, 5 - výměník

Obr.2 - Princip přímo a nepřímo vyhřívaného agregátu

Ohřev vzduchu v nepřímo vyhřívaných agregátech je zajišťován ve výměníku teplem dodaným z centrálního zdroje. Jako teplonosného média je využívána zejména teplá voda nebo nízkotlaká pára, ale mohou být použita i jiná média. Součástí přímo vyhřívaných agregátů je nejen výměník tepla, ale také plynový hořák. Pro menší výkony jsou využívány atmosférické hořáky, pro větší výkony hořáky s nuceným přívodem spalovacího vzduchu.

V konstrukci teplovzdušných agregátů lze s úspěchem využít některé racionalizační prvky - v prvé řadě je to zpětné získávání tepla ze vzduchu odcházejícího z objektu. Druhou možností je zařazení druhého výměníku, kterým lze odcházející spaliny ochladit až pod rosný bod spalin. Oproti běžným agregátům lze dosáhnout úspory 5 až 10 % paliva při zachování stejné tepelné pohody.

Teplovzdušné agregáty nelze využít ve všech případech - pro prostory, ve kterých by byla na závadu cirkulace vzduchu a s ní spojený pohyb prachových částic, je výhodnější pro vytápění využít infračervené zářiče. Principem těchto spotřebičů je, že z povrchu vyzařují infračervené paprsky, které patří mezi elektromagnetické vlnění. To zahrnuje vlnění s vlnovou délkou od 0,75 μm do 400 μm. Pro vytápění je důležitá část vlnění s vlnovou délkou kolem 100 μm. K jejich přeměně na teplo dochází až po jejich dopadu na těleso bez vlivu na prostředí, kterým tyto paprsky procházejí. Část dopadajících paprsků se odrazí, zbytek se absorbuje ve stěnách, podlaze a vybavení haly, kde se přeměňuje na teplo. To je základní rozdíl mezi konvekčním vytápěním na jedné straně, kdy se prvotně ohřívá vzduch, a vytápěním zářiči, kdy se prvotně ohřívá plocha (podlaha, nábytek, stroje apod.).

Při vytápění teplovzdušném nebo teplovodním je vyšší teplota vzduchu než stěn. Naproti tomu u vytápění zářiči je vyšší teplota stěn. A protože součet teploty vzduchu a teploty stěn by měl být stejný, postačuje pro stejný pocit tepelné pohody vytápět na nižší teplotu než teplovodním nebo teplovzdušným způsobem. Dle principu se infrazářiče rozdělují do dvou skupin - na světlé zářiče (obr.3), kde ke spalování plynu dochází v kapilárách a na povrchu perforované keramické desky, a tmavé zářiče, kde ke spalování dochází v dlouhé trubici.

Obr.3 - Řez světlým zářičem

Uvedené typy zářičů se od sebe liší zejména povrchovou teplotou (teplota keramické desky je cca 900 °C, kdežto teplota trubek je nižší - do 500 °C) a způsobem odvodu spalin. Zatímco u tmavých zářičů spaliny odcházejí odvodem spalin z vytápěného prostoru ven, u světlých zářičů zůstávají spaliny ve vytápěném prostoru.

Použití infrazářičů pro vytápění velkých prostorů má ale i své nevýhody. Jedná se o bodový zdroj tepla, jehož okamžitý výkon nelze dobře regulovat. Vysoká povrchová teplota zářiče může být při dlouhodobém pobytu zdrojem pocitu přehřátí - u citlivých jedinců doprovázené bolestmi hlavy. Toto nebezpečí prakticky eliminují tzv. kompaktní tmavé zářiče. Povrchová teplota trubek je pouze 120 až 150 °C, takže i při zavěšení ve výšce pouhé 4 m nad podlahou by nemělo docházet k pocitu přehřátí (tab.4).

	využité teplo	komínová ztráta	konvekce	absorpce
plynové zářiče tmavé	65 %	10 %	20 %	5 %
plynové zářiče světlé	65 %	30 %	5 %
nepřímo vyhřívané agregáty	85 %	15 %
přímo vyhřívané agregáty	90 %	10 %

Tab.4 - Porovnání topných systémů

Výhodou vytápění teplovzdušnými agregáty a infrazářiči je výškové rozložení teploty vzduchu. Úspora těchto zařízení ve srovnání s teplovodními systémy se projevuje zejména u vysokých hal - při stejné teplotě ve výšce 2 m je ve výšce 8 m při teplovodním systému o několik stupňů teplota vyšší než při teplovzdušném nebo sálavém vytápění (obr.4).

Obr.4 - Výškové rozložení teplot při různých zdrojích tepla